膝关节仿真

案例1：使用仿真技术研究膝关节生物力学特征的案例

本案例主要分析前交叉韧带合由并不同类型半月板损伤的生物力学变化。在进行肌肉骨骼模型仿真分析之前，需要采集患者和正常人的运动学和地面反力数据，作为人体逆向动力学仿真的输入条件。

技术手段主要分为步态数据采集、逆向动力学分析、数据挖掘与分析三个部分。首先，通过三维动作捕捉技术捕捉受试者的运动学数据及地面反力；其次借助AnyBody完成受试者的个性化建模和生物力学建模分析；最后借助统计学手段及主成分方法对运动学、动力学结果进行挖掘分析。

本项目以运动捕捉实验所采集到的包含运动学和地面反力在内的c3d文件作为人体肌肉骨骼系统仿真分析的输入条件。

采用商业软件AnyBody (AnyBody Technology A/S, Aalborg, Denmark)中比较成熟的一款人体肌骨模型——MoCapModel下肢模型（AMMR 1.6.2）进行仿真分析。

结合AnyBody进行生物力学分析的技术路线

计算模型和结果：

该模型的主要由12个骨骼组成，包括头、手臂、躯干、骨盆、左右股骨、髌骨、胫骨、距骨和脚。其中定义了11个关节来连接各个部分。下肢包含了三个主要关节约束：髋关节处具有三个方向的转动自由度；膝关节具有矢状面一个自由度；踝关节包含一个转动和一个位移两个自由度。肌肉模型一共有39条159束，均为Hill型肌肉模型，由55个肌腱单元组成。

考虑到不同个体之间骨骼、肌肉的差异，依据Length-mass-fat定律，通过受试者的形态参数（身高、体重）对节段和等长肌力进行缩放。

为避免数据采集过程中的环境噪声，将截止频率设定为10Hz，对输入的C3D文件采用二阶零相位Butterworth过滤器进行前处理，然后再将处理过后的c3d实测数据导入到MoCapModel下肢模型中以匹配人体模型中的骨性标志点，以获取人体骨骼模型的运动学结果，作为逆向动力学分析的基础。

MoCap下肢模型中的骨性标志点：（红色）模型设定点；（蓝色）实验测试贴于人体表面标记点

最后，基于运动学分析拟合好的运动轨迹，结合输入的测力台数据，逆向计算产生这种运动模式所需要的关节力和肌肉力。

胫股关节矢状面的运动学特征（绿色区域代表对照组的标准差范围）

胫股关节矢状面的运动学特征（绿色区域代表对照组的标准差范围）

结语：

本案例基于不同受试者建立了个性化的肌肉骨骼模型，使用仿真技术分析了水平行走时前交叉韧带合并不同类型半月板损伤的运动学和动力学的变化，验证了前交叉韧带合并半月板损伤会改变膝关节的运动学和动力学，对临床治疗提供了有效的参考意义。

案例2：髋关节植入物的仿真和优化

髋关节置换术是目前最常见的骨科手术。从20世纪50年代末开始，受损和患病的髋关节已经被人造或假体取代，髋关节置换手术包括切除股骨的头部和上部，以及在剩下股骨部分顶部的一些骨髓。在股骨中心孔，植入金属锚柄，其另一端附有关节球。

恢复腿部长度、关节稳定，以及病人的活动，都需要特别的手术挑战。研究表明，不同患者的髋关节头部高度、偏移量和类型有很大的差异。

需采用模拟方法，帮助加速通过食品和药物管理局的ISO 7206/4认证

结构分析和疲劳

采用Abaqus/Standard进行求解。网格和边界如下。

分析结果如下，应力集中于关节球头部区域。

采用Fe-safe进行植入金属的疲劳寿命分析。500万次的正弦加载周期加载。

02参数优化

采用Isight对植入器械进行参数优化设计。其Abaqus/CAE中参数化建模如下。

参数优化Isight流程如下,其中调用了Data Exchanger、Abaqus、Fesafe等模块，进行优化分析。

形状优化

基于上述有参的Isight优化结果，进一步采用Tosca对植入物进行无参的形状优化。形状优化的目标为最小化最大损伤，约束为质量不变，设计区域如下。

讨论

Isight流程集成和设计自动化：对所有变化的植入物捕获并自动化ISO 720/4认证过程，Abaqus有限元分析:对植入物的应力和变形仿真模拟，Fe-safe疲劳分析：根据ISO 720/4标准对植入物进行使用寿命评估，Tosca结构优化:对详细设计进行形状优化，进一步增加植入物寿命，以上一系列的仿真分析结合3D打印能够加速植入器械通过认证。

案例3：不同跑步着地方式下髋关节应力的有限元分析

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3D模型文件（step格式即可），或者要模拟的部件图片，如涉及保密项，我司可以先签订保密协议；
模拟工况，要模拟的条件说明，输入条件，包含边界条件、仿真要求、交付物输出形式、以及实现效果等；
软件要求，工期，技术说明等；

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