[发明专利]一种基于足弓活体骨惯量主轴的足弓杆系结构构建方法

说明书

本发明提供一种基于足弓活体骨惯量主轴的足弓杆系结构构建方法，基于足弓活体骨的质心按照特定转动顺序求解活体骨的惯量主轴；根据足弓活体骨的质心和惯量主轴建立三维直角坐标系；在建立的三维直角坐标系中选定六个沿三个坐标轴的最大、最小标示点；按照特定转动逆向顺序反转六个标示点；连接六个点，形成足弓活体骨的杆件结构；联接7块跗骨5块跖骨的杆件结构构成足弓杆件体系；形成足静力学、动力学分析和足部穿戴物结构优化计算的新方法，有了杆件结构就有了足的力学模型，根据需要就可以进行力学分析。

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，尤其涉及一种基于足弓活体骨惯量主轴的足弓杆系结构构建方法。

背景技术

人体许多骨骼是成对出现的，左右足对称的跗骨和跖骨构成了对称的足弓。我们的左右脚的足弓结构对称性是否存在差异？如果存在，这种差异对我们的基本行为有怎样的影响？是否依然遵循“结构与功能是统一的”的这一原理呢？为了探明这些问题，需要建立用于力学分析的足弓结构力学模型。

对于结构的受力和传力的规律分析，有限元方法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因此，有限元在足弓结构分析中应用很普遍。但是，有限元方法对于像足弓这样复杂的生物结构，在组成足弓的跗骨、跖骨之间结构约束设置等方面非常繁琐，且缺乏相应的标准，这使得计算结果的可靠性下降。

因此，如何构建标准化的足弓杆系结构，提高足弓杆系结构计算结果的可靠性是一项亟待突破的关键技术。解决这一问题将在骨生物力学的理论研究和生物医学工程技术领域中的足弓结构力学分析方法等方面取得新进展。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于足弓活体骨惯量主轴的足弓杆系结构构建方法，解决现有的利用有限元方法用于足弓这样的复杂生物结构计算结构可靠性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于惯量主轴的足弓杆系结构构建方法，包括以下步骤：

S1：获取足弓活体骨的三维模型；

S2：将得到的足弓活体骨的三维模型分割成多个体积微元的集合，然后根据每个体积微元在图像中的坐标和密度得到足弓活体骨三维模型的质心；

S3：分别建立坐标原点在足弓活体骨质心上的第一三维直角坐标系；

S4：将足弓活体骨依次沿第一三维直角坐标系的x、y、z轴转动，依次得到相应的惯量矩；

S41：将足弓活体骨沿第一三维直角坐标系中的x轴转动α，得到足弓活体骨各体积微元相对于x轴的第一惯量矩；

S42：将足弓活体骨沿第一三维直角坐标系中的y轴转动β，得到足弓活体骨各体积微元相对于y轴的第二惯量矩；

S43：将足弓活体骨沿第一三维直角坐标系中的z轴转动γ，得到足弓活体骨各体积微元相对于z轴的第三惯量矩；

S5：根据得到的第一惯量矩、第二惯量矩和第三惯量矩得到足弓活体骨各体积微元的惯量积；

S6：重复步骤S4-S5，当得到的足弓活体骨各体积微元惯量积为零时，以惯量积为零时的足弓活体骨的主轴作为惯量主轴；

S7：根据得到的足弓活体骨的质心和惯量主轴，建立第二三维直角坐标系；

S8：在所述活体骨相对所述三维直角坐标系中分别取得6个标示点，标记6个坐标点分别为(x_max,0,0),(x_min,0,0),(y_max,0,0),(y_min,0,0),(z_max,0,0),(z_min,0,0)；

S9：分别将6个坐标点沿第二三维直角坐标系的z、y、x转动-γ、-β、-α，