[发明专利]反馈系统和带反馈系统膝关节矫形器及其有限元建模方法

权利要求书

1.一种带反馈系统的可调膝关节矫形器有限元建模方法，其特征在于，带反馈系统的可调膝关节矫形器包括上部件(1)和下部件(5)，上部件(1)通过多自由度球头铰链(3)与下部件(5)活动连接，上部件(1)上设置有上佩戴固定装置(6)和上扣带(8)，下部件(5)上设置有下佩戴固定装置(7)和下扣带(9)，上扣带(8)和下扣带(9)通过衬垫(10)固定连接，在上部件(1)上设置有运算器(12)，运算器(12)用于分别测量上部件(1)和下部件(5)与人体的接触压力、上扣带(8)和下扣带(9)的张紧力以及多自由度球头铰链(3)的支撑力，运算器(12)进行计算后输出膝关节内外间室的压力及其变化并通过上部件(1)上的显示器(11)显示，上部件(1)与多自由度球头铰链(3)之间设置有上钢片(2)，下部件(5)与多自由度球头铰链(3)之间设置有下钢片(4)，通过多自由度球头铰链(3)使上部件(1)和下部件(5)能够随着膝关节相互运动，多自由度球头铰链(3)位于靠近膝关节两间室中发生病变的一侧，多自由度球头铰链(3)的屈曲120°～150°，过伸5°～10°，屈膝时内旋0～10°，外旋0～20°，上钢片(2)和下钢片(4)的长度可调，在上钢片(2)上贴有电阻式的应变传感器(19)，应变传感器(19)与运算器(12)连接，上扣带(8)和下扣带(9)的长度可调节，在上扣带(8)上分别设置有上扣带左侧拉力传感器(13)和上扣带右侧拉力传感器(15)，在下扣带(9)上分别设置有下扣带左侧拉力传感器(14)和下扣带右侧拉力传感器(16)，上扣带左侧拉力传感器(13)、上扣带右侧拉力传感器(15)、下扣带左侧拉力传感器(14)和下扣带右侧拉力传感器(16)均与运算器(12)连接，上部件(1)与大腿接触侧设置有上部件压力传感器(17)，下部件(5)与小腿接触侧设置有下部件压力压力传感器(18)，上部件压力传感器(17)和下部件压力压力传感器(18)分别与运算器(12)连接，通过膝关节骨骼、韧带、肌肉几何模型构建集膝关节骨骼几何特征、骨骼肌肉装配特征、韧带-骨骼装配特征、软骨特征为一体的膝关节有限元模型，然后装配成矫形器-膝关节复合有限元模型，计算在正常站立情况下膝关节两侧间室的压力；通过有限元计算确定膝关节两侧间室接触压力与扣带张紧力之间的数学关系，然后利用Logistic四参数拟合方法得到膝关节关键参数已知情况下膝关节两侧间室压力P_L、P_R与扣带张紧力F、上部件与下部件接触压力P_u、P_d和铰链钢片压力P_h之间的数学关系，利用Logistic五参数拟合方法总结得出膝关节两侧间室压力及其变化与传感器数据和膝关节关键数据之间的数学关系，具体包括以下步骤：

S1、采集膝关节CT及MRI数据构建膝关节骨骼、韧带、肌肉几何模型，形成集膝关节骨骼几何特征、骨骼肌肉装配特征、韧带-骨骼装配特征、软骨特征为一体的膝关节有限元模型，膝关节有限元模型的范围包括大腿中部到小腿中部，膝关节有限元模型的关键参数包括大腿周长C_t、小腿周长C_c、身高H、体重W，大腿周长C_t为髌骨中心上方15cm处大腿的周长；小腿周长C_c为髌骨中心下方15cm处小腿周长；

S2、根据大腿周长、小腿周长和身高构建相对应的矫形器有限元模型，装配成为矫形器-膝关节复合有限元模型；

S3、将步骤S2制备的膝关节复合有限元模型中胫骨与腓骨的下端固定不动，在股骨上端施加一个垂直向下的力，计算在正常站立情况下膝关节两侧间室的压力；

S4、将矫形器的上部件通过多自由度球头铰链与下部件活动连接，上部件与多自由度球头铰链之间设置带应变传感器的上钢片，多自由度球头铰链与下部件之间设置下钢片，通过矫形器上扣带和矫形器下扣带交叉收缩产生的张紧力来提供矫形所需的力矩，通过有限元计算该膝关节复合模型上扣带和下扣带在不同张紧力条件下与矫形器上部件和矫形器下部件的接触压力，多自由度球头铰接上钢片、下钢片的压力以及膝关节两侧间室的压力，确定膝关节两侧间室接触压力与扣带张紧力之间的数学关系；

S5、利用Logistic四参数拟合方法得到膝关节关键参数已知情况下膝关节两侧间室压力P_L、P_R与扣带张紧力F、上部件与下部件接触压力P_u、P_d和铰链钢片压力P_h之间的数学关系；

S6、重复以上步骤，总结得出膝关节两侧间室压力与单一膝关节关键参数之间的数学关系，利用Logistic五参数拟合方法总结得出膝关节两侧间室压力及其变化与传感器数据和膝关节关键数据之间的数学关系，

膝关节两侧间室压力P_L、P_R及其变化与传感器数据和膝关节关键数据之间的数学关系具体如下：

P_L＝f_L(F,P_u,P_d,P_h,H)*W

P_R＝f_R(F,P_u,P_d,P_h,H)*W

其中，H为身高，W为体重，f_L、f_R为P_L、P_R与传感器数据和膝关节关键数据之间的数学关系；

S7、通过直接测量的膝关节关键参数和各传感器测得的数据，直接得到扣带不同张紧力条件下患者膝关节两侧间室的压力及其变化幅度。