CN111973270B - 建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法 - Google Patents

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    • A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
    • A61B2034/105—Modelling of the patient, e.g. for ligaments or bones

Abstract

本发明公开了建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法，该方法包括：获取个体化膝关节的三维影像原始数据；重建个体化膝关节数字模型；建立膝关节坐标系；利用膝关节坐标系，计算获取韧带受力与结构上的力学关系；后将韧带材料参数以变化参数的形式导入到个体化膝关节数字模型中；记录抽屉试验下胫骨相对股骨的前向位移，拟合在体膝关节抽屉试验测得的结果和个体化膝关节数字模型模拟结果，获取个体化仿生韧带材料参数最佳值；建立个体化膝关节仿生韧带力学模型。本发明了解个体化膝关节在不同运动状态下的韧带受力情况，模拟临床研究中膝关节韧带的不同损伤模式，为个体化膝关节韧带损伤的预防、诊断、治疗及康复提供临床指导。

Description

建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法
技术领域
本发明涉及关节建模技术领域，尤其涉及建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法。
背景技术
膝关节是人体内重要的关节之一，作用于走路、跑步、跳远等。膝关节的关节面与其周围的肌肉、韧带之间形成的复杂力学关系，控制着膝关节的运动，同时控制膝关节的稳定度和活动度。
由于膝关节位于人体下肢，在运动过程中承受较大的负重，通常运动员伤害最为频繁。膝关节损伤中，比例最高的就是韧带损伤，据不完全统计有85％的膝关节损伤是前叉韧带损伤，其余15％的膝关节损伤包括后十字韧带、外侧副韧带与内侧副韧带的损伤。目前，由于理论要求及技术限制，直接测量活体膝关节是极为困难，而利用离体实验不能重现膝关节在重力载荷下的受力的反应。因此，有必要建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型，通过计算机运算模拟，将有助于了解膝关节在不同运动状态下的受力情况，从而模拟临床研究上的各种问题。
例如，申请号为CN201910780245，公开了一种全膝关节有限元建模方法，大部分膝关节有限元模型主要包括膝关节的骨性结构，如胫骨、股骨，而忽略了膝关节结构中较为复杂的韧带；少部分附带韧带的膝关节有限元模型的韧带组织的材料性质，为了方便有限元模型仿真计算，默认为韧带的各项同性、均匀、线性，然而真实情况下的韧带组织材料都是各项异性、不均匀、非线性的；目前的膝关节数字模型受限于个体化材料属性，缺乏精确的在体边界条件，无法再现真实的在体运动。
发明内容
为克服现有技术存在的不足，本申请提供一种建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法，用于建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型，通过计算机运算模拟，将有助于了解个体化膝关节在不同运动状态下的受力情况，从而模拟临床研究上的各种问题。
本申请实施例提供了建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法，所述方法包括：
S1：利用CT和MRT扫描，获取个体化膝关节中骨组织和韧带的三维影像原始数据；
S2：根据三维影像原始数据，利用三维重建软件分别重建骨组织以及韧带数字模型，并将两者融合形成个体化膝关节数字模型；
S3：将所述个体化膝关节数字模型导入到有限元软件ABAQUS内，分别对所述骨组织中的股骨、胫骨以及韧带进行体网格划分；
S4：根据CT灰度值，对股骨和胫骨的材料参数进行赋值，将其密度以及弹性模量导入到有限元软件ABAQUS内的所述个体化膝关节数字模型中；
S5：基于国际生物力学推荐标准，利用所述个体化膝关节数字模型，建立膝关节坐标系；
S6：将韧带模拟为非线性、各项异性、非均匀的弹性纤维束；利用所述膝关节坐标系，计算获取膝关节韧带受力与骨组织结构上的力学关系；后将个体化仿生韧带材料参数中的韧带参考长度、弹性系数以及应变常数以变化参数的形式导入到有限元软件ABAQUS中的所述个体化膝关节数字模型中；
S7：根据个体化膝关节的多角度抽屉试验，获取拉力以及胫骨相对股骨的位移DisExperiment，拟合在体膝关节抽屉试验测得的结果和个体化膝关节数字模型模拟结果，当所述个体化膝关节数字模型模拟的DisModel与DisExperiment相同时，获取变化参数中的最佳值，并作为个体化仿生韧带材料参数；
S8：根据所述个体化仿生韧带材料参数，建立个体化膝关节仿生韧带力学模型。
在一种实施例中，所述步骤S6进一步包括：将所述个体化膝关节数字模型中的韧带模拟为弹性纤维束，每条韧带包括多根纤维；预设每条韧带包括n根纤维，纤维的应变j∈i定义为j∈i＝(jLi-jL0)/jL0，其中，jLi表示纤维变形后的长度，i＝1～n，n表示纤维数量；j＝1～4，表示韧带数量；
根据所述膝关节坐标系，设定jL0为纤维的参考长度，表示纤维初始受力长度；当膝关节运动时，根据膝关节坐标系，计算出胫骨和股骨上韧带附着点的坐标为
Figure BDA0002615185670000031
而纤维形变后的长度Li，且纤维形变后的长度Li为
Figure BDA0002615185670000032
差值的绝对值：
Figure BDA0002615185670000033
纤维受力大小和位移的关系式：
Figure BDA0002615185670000034
其中，jfi表示纤维的受力大小，k表示弹性系数，εi表示应变，ει为非线性应变常数；其中，当应变εi小于2ει时，纤维受力大小为应变的平方；当应变大于2ει时，纤维受力大小与位移成线性关系；
计算获取纤维束内各个纤维的受力，获取膝关节韧带受力与骨组织结构的力学关系式：
Figure BDA0002615185670000035
其中，jF表示膝关节骨头的受力。
在一种实施例中，所述步骤S4进一步包括，基于骨组织为多种材料构成的复合体，利用股骨和胫骨的CT灰度值，对其赋值材料属性：p＝-13.4+1017Hu、E＝-388.8+5925p；其中，p为密度，Hu为灰度值，E为弹性模量；后将密度和弹性模量导入到有限元软件ABAQUS中的所述个体化膝关节数字模型内。
在一种实施例中，所述步骤S7之前还包括，对个体化膝关节进行抽屉试验，获取膝关节骨头所受拉力大小以及胫骨相对股骨的位移DisExperiment。
在一种实施例中，利用可调式膝关节支具固定在体膝关节于0°、30°、60°、90°屈曲位置，进行膝关节的多角度抽屉实验；其中，固定股骨后，对胫骨前后方向上施加前向拉力，使用拉力计记录前向拉力，以及胫骨相对股骨的前向位移DisExperiment。
在一种实施例中，所述步骤S7进一步包括，将所述个体化膝关节数字模型赋值材料参数后，模拟在体膝关节多角度屈曲位置的抽屉试验，设置与所述抽屉试验相同的受试情况，计算模型中的胫骨相对股骨的位移DisModel，基于韧带参考长度jL0、弹性系数k以及应变常量ει为变化参数，拟合抽屉试验后，当模型模拟的DisModel与DisExperiment相同时，得出变化参数中的最佳值；其中，拟合过程为最佳化目标函数：
Figure BDA0002615185670000041
本申请实施例中提供的建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法，至少具有如下技术效果：
1、由于形成的个体化膝关节数字模型包括韧带模型和骨组织模型，结合韧带受力情况和骨组织结构情况，有效模拟出复杂的膝关节模型，为临床研究中的韧带和骨组织很好的展示各种生物力学变化。
2、由于将韧带模拟为非线性、各项异性、非均匀的弹性纤维束，再结合每个弹性纤维束由多根纤维构成，进而模拟出每根纤维的受力情况，提高了韧带模拟的精确度。
3、利用CT灰度值对骨组织进行材料参数赋值，避免个体化材料属性，提高骨组织边界的精确度，提高模拟在体运动还原的真实度，有助于临床研究个体化膝关节。
4、通过在体实验验证所开发的个体化膝关节仿生韧带模型，为非侵入式测量在体膝关节韧带内力的可靠性提供支撑。
5、通过非侵入式测量在体膝关节韧带的内力，为膝关节韧带损伤的预防、诊断、治疗及康复提供临床指导。
附图说明
图1为本申请实施例中一种建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法的流程示意图；
图2为本申请实施例中膝关节CT扫描影像图；
图3为本申请实施例中膝关节MRI扫描影像图；
图4为本申请实施例中三维重建的个体化膝关节数字模型；
图5为本申请实施例中定义的膝关节坐标系统示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
参考图1所示，本实施例提供了一种建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法，所述方法包括：
步骤S1：利用CT和MRT扫描，获取个体化膝关节中骨组织和韧带的三维影像原始数据。参考附图2-3所示，图2为膝关节CT扫描影像，图3位膝关节MRI扫描影像。本步骤S1中，利用CT和MRT扫描获取个体化膝关节骨组织和韧带三维影像后，以DICOM格式传输到建模的计算机中。
本实施例中，采用Siemens128排双源螺旋CT扫描双下肢，扫描体位包括：膝关节自然伸直并外旋10°～15°角度固定；扫描范围包括：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部。CT图像主要用于观察骨组织，扫描参数设定为：双源CT的管电压120kV和70kV，管电流100mA和60mA，层厚0.6mm，层间隔0.6mm，螺距0.5。
本实施例中，采用GE1.5T超导型磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈。扫描体位为膝关节自然伸直并外旋10°～15°度角固定；扫描范围包括：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10cm。MRI图像主要用于观察软骨及韧带组织，描参数设定为：矢状位3D质子密度加权成像序列，TR11000ms，TE25ms；层厚1.0mm；层间距0.2mm；回波链14；激励2次；矩阵192/320；FOV18。
本实施例中，将扫描图像数据在工作站上以DICOM(Digital Imaging andCommunication in Medicine)格式存储并刻录到CD-ROM上，CT扫描图像如图2所示，MRI扫描图像如图3所示。DICOM标准属于医学信息系统领域，主要用于医学图像设备之间交换数字信息。不同厂商生产的DICOM兼容设备可以方便地进行互联，可用于两台医疗设备之间的图像通信以及图像获取设备和图像处理工作站之间的接口。
步骤S2：根据三维影像原始数据，利用三维重建软件分别重建骨组织以及韧带数字模型，并将两者融合形成个体化膝关节数字模型。参考图4所示，本步骤S2中，三维重建软件可以采用Amira三维重建软件，当然不局限于Amira。本步骤中，形成的个体化膝关节数字模型包括韧带模型和骨组织模型，结合韧带受力情况和骨组织结构情况，有效模拟出复杂的膝关节模型，为临床研究中的韧带和骨组织很好的展示各种生物力学变化。通过在体实验验证所开发的个体化膝关节仿生韧带模型，为非侵入式测量在体膝关节韧带内力的可靠性提供支撑。通过非侵入式测量在体膝关节韧带的内力，为膝关节韧带损伤的预防、诊断、治疗及康复提供临床指导。
本实施例中，根据步骤S1中，根据获取的三维影像原始数据，利用商业Amira三维重建软件，分别重建骨组织和韧带STL格式的三维数字模型。图4中，骨组织包括股骨101、胫骨102以及腓骨103，韧带包括前交叉韧带201、后交叉韧带202、外侧副韧带203以及内侧副韧带204，本实施例中骨组织主要以股骨、胫骨为主。
本步骤中，将个体的CT和MRI扫描结果以DICOM格式输出后，导入到Amira三维重建软件中进行三维建模。导入DICOM格式的图片数据文件后，Amira软件自动转到Project窗口。在这个窗口中可以显示当前文件名patient以及一个文件名为patient.labels文件，labels表示当前所在的Segmentation项目中所有图像的分割出的边界Contour。直接点击segmentation,显示一下窗口。左侧窗口有三项，分别为Material，Display control和Selection。Material中可通过add material来区分分割骨头的不同部分；DisplayControl中可以调节2D图片的灰度值区间以在需要时看清图片；Selection中是选取区域的主要功能列表。右侧分别为三个方向的图片序列和生成的3D图像。选择图片并添加材料，用画笔在图片上圈选股骨的轮廓，圈选后将所选区域添加到Femur材料中，可通过每圈一笔加入材料，避免操作时遗漏。并且每次圈选后将之前所有部分都加入材料，生成3D图像后删除外圈材料，将模型导出成stl格式，再保留解剖特征的基础上进行光滑操作。
将CT扫描的二维图像导入到计算机工作台上进行三维模型建立的方法包括：在计算机工作站上，将个体膝关节的CT扫描图像以DICOM格式导入商业Amira，定义上、下、左、右、前、后方向后，Amira软件中显示出各个角度扫描的二维图像，根据Amira的建模操作后，建立出膝关节三维数字化模型。
将MRI扫描的二维图像导入到计算机工作台上进行三维模型建立的方法包括：在计算机工作站上，将膝关节MRI扫描图像数据以DICOM格式导入商业Amira，定义上、下、左、右、前、后方向后，Amira软件中显示出各个角度扫描的二维图像，根据Amira软件的建模操作后，建立出膝关节三维数字化模型。
基于MRI二维图像建立三维模型的过程与CT图像方法基本一致，但应注意的是，MRI图像对软组织分辨率较高，建立韧带模型，但其灰度差比CT数据较小，采用计算机自动计算时噪点偏多，需要通过人工删补的方法，填充组织区域内的空洞，去掉分割边缘的毛刺以及其他位置引入的噪声。尤其需要根据解剖结构，对组织边缘进行仔细的界定，边缘的界定将对所建立模型的真实程度造成很大的影响。
步骤S3：将所述个体化膝关节数字模型导入到有限元软件ABAQUS内，分别对所述骨组织中的股骨、胫骨以及韧带进行体网格划分。
本实施例中，将个体化膝关节数字模型以STL格式导入到有限元软件ABAQUS内。其中，体网格划分就是将股骨以及胫骨划分为很多的小单元，作为有限元分析前处理的重中之重，体网格花费与计算目标的匹配程度、网格的质量好坏，从而决定了后期有限元计算的质量。
本实施例中对对个体化关节数字模型进行体网格划分，用网格划分模型，可以较好的保留模型几何信息。网格划分后最终构建成包含股骨、胫骨、前交叉韧带、后交叉韧带、外侧副韧带以及内侧副韧带在内的三维有限元模型。
步骤S4：根据CT灰度值，对股骨和胫骨的材料参数进行赋值，将其密度以及弹性模量导入到有限元软件ABAQUS内的所述个体化膝关节数字模型中。
利用CT灰度值对骨组织进行材料参数赋值，避免个体化材料属性，提高骨组织边界的精确度，提高模拟在体运动还原的真实度，有助于临床研究个体化膝关节。
进一步地，基于骨组织为多种材料构成的复合体，利用股骨和胫骨的CT灰度值，即，股骨、胫骨的材料属性根据CT的灰度值，通常可根据经验公式，对其赋值材料属性：p＝-13.4+1017Hu、E＝-388.8+5925p；其中，p为密度，Hu为灰度值，E为弹性模量；后将密度和弹性模量参数导入到有限元软件ABAQUS中的所述个体化膝关节数字模型内。
步骤S5：基于国际生物力学推荐标准，利用所述个体化膝关节数字模型，建立膝关节坐标系。
参考附图5可以看出，假设人体运动过程中，骨组织是刚体，韧带在骨组织的附着点在骨组织上的相对空间坐标值是不变的。
其中，A/P：Anterior/posterior，表示前/后；P/D：Proximal/Distal，表示近/远；M/L：Medial/Lateral，表示内/外；Ab/Ad：Abduction/Adduction，表示外展/内收，E/I：External/Internal Rotation，表示外旋/内旋，F/E：Flexion/Extension，表示屈曲/伸展。
为获取关节运动过程中，韧带在骨组织上的附着点的空间位置变化，需要将韧带在骨组织上的附着点在世界坐标系的坐标值变换为关节坐标系下的坐标值。本实施例中，个体化膝关节数字模型上的关节坐标系与个体的关节坐标系有一一对应关系，将个体化膝关节数字模型上的关节坐标值变换到个体的世界坐标系上的任一时刻的坐标值，最后通过韧带附着点的空间位置变化，分析出运动过程中韧带的变化情况。
本实施例中，按照膝关节屈曲运动分析股骨相对胫骨的屈曲伸展、内外旋、内收外展角度的描述，采用卡登角坐标变换的定义方法建立膝关节三维动态模型。例如，定义膝关节胫骨在伸直位时的坐标系为第一参考坐标系，膝关节股骨坐标系定义为固定坐标系，其他相位膝关节股骨坐标系定义为运动坐标系，则膝关节股骨从0°伸直位坐标系变换到其他相位坐标系的Z-X-Y欧拉角分别为φ、θ、ψ，其中角度φ表示股骨相对胫骨的屈曲或伸展，θ表示股骨相对胫骨的内收外展，ψ表示股骨相对胫骨的内外旋。
对于膝关节胫骨相对股骨的前后、内外和上下的平移的描述，定义伸直位胫骨坐标系为第一参考坐标系，骨坐标系为固定坐标系1，其他相位股骨坐标系为运动坐标系2，则膝关节股骨从伸直位坐标系1平移变换到其他相位坐标系2的前后、内外和上下的平移分别为沿胫骨坐标系3。用Z表示胫骨相对股骨的内外平移，X表示胫骨相对股骨的前后平移，Y表示胫骨相对股骨的上下平移。
步骤S6：将韧带模拟为非线性、各项异性、非均匀的弹性纤维束；利用所述膝关节坐标系，计算获取膝关节韧带受力与骨组织结构上的力学关系；后将个体化仿生韧带材料参数中的韧带参考长度、弹性系数以及应变常数以变化参数的形式导入到有限元软件ABAQUS中的所述个体化膝关节数字模型中。
本步骤中，将韧带模拟为非线性、各项异性、非均匀的弹性纤维束，再结合每个弹性纤维束由多根纤维构成，进而模拟出每根纤维的受力情况，提高了韧带模拟的精确度。
本实施例中，韧带包括前交叉韧带201、后交叉韧带202、外侧副韧带203以及内侧副韧带204在内的四条韧带，根据韧带为非线性、各项异性以及非均匀的材料属性特征，本实施例将韧带模拟成弹性纤维束，进一步根据弹性纤维束中的纤维对韧带进行进一步地细化分析。
本例中进一步包括，将所述个体化膝关节数字模型中的韧带模拟为弹性纤维束，每条韧带包括多根纤维；预设每条韧带包括n根纤维，纤维的应变j∈i定义为j∈i＝(jLi-jL0)/jL0，其中，jLi表示纤维变形后的长度，i＝1～n，n表示纤维数量；j＝1～4，表示韧带数量。根据步骤S5中的所述膝关节坐标系，设定jL0为纤维的参考长度，表示纤维初始受力长度。
当膝关节运动时，根据步骤S5中的膝关节坐标系，计算出胫骨和股骨上韧带附着点的坐标为
Figure BDA0002615185670000101
而纤维形变后的长度为Li，且纤维形变后的长度Li为
Figure BDA0002615185670000102
差值的绝对值：
Figure BDA0002615185670000103
进一步地，纤维受力大小和位移的关系式为：
Figure BDA0002615185670000104
其中，jfi表示纤维的受力大小，k表示弹性系数，εi表示应变，ει为非线性应变常数。其中，当应变εi小于2ει时，纤维受力大小为应变的平方；当应变大于2ει时，纤维受力大小与位移成线性关系。
本实施例中，获取纤维束内各个纤维的受力情况，从而根据各个纤维受力的合力造成股骨和胫骨的运动状态发生改变，进一步获取膝关节韧带受力大小与骨组织结构的力学关系式：
Figure BDA0002615185670000105
其中，jF表示膝关节骨组织的受力大小。
本步骤中，jL0表示韧带参考长度，k表示弹性系数和ει表示应变常数为韧带的数字模型中的关键性个体化参数，然而这些参数无法直接测量获得，因此，将该些参数设计成变化参数，作为韧带材料参数导入到有限元软件中的个体化膝关节数字模型内。
步骤S7：根据个体化膝关节的多角度抽屉试验，获取拉力以及胫骨相对股骨的位移DisExperiment，拟合在体膝关节抽屉试验测得的结果和个体化膝关节数字模型模拟结果，当所述个体化膝关节数字模型模拟的DisModel与DisExperiment相同时，获取变化参数中的最佳值，并作为个体化仿生韧带材料参数。
步骤S7之前还包括，对个体化膝关节进行抽屉试验，获取膝关节的骨头所受拉力大小以及胫骨相对股骨的位移DisExperiment。进一步地，利用可调式膝关节支具固定在体膝关节于0°、30°、60°、90°的屈曲位置，进行多角度抽屉实验，测量膝关节；具体地，可调式膝关节支具固定股骨后，对胫骨前后方向上施加前向拉力，使用拉力计记录胫骨所受前向拉力，以及胫骨相对股骨的前向位移DisExperiment。其中，拉力机可采用艾德堡数显推拉力计测力计HP-1000N。
步骤S7进一步包括，将所述个体化膝关节数字模型赋值材料参数后，模拟在体膝关节多角度屈曲位置的抽屉试验，设置与所述抽屉试验相同的受试情况，计算模型中的胫骨相对股骨的位移DisModel。进一步地，将赋值好各项材料参数的个体化膝关节数字模型，模拟个体化抽屉试验，且设置与个体化抽屉试验相同的受试情况，经由个体化膝关节数字模型计算出胫骨相对股骨的前向位移DisModel。
基于步骤S6中，韧带参考长度jL0、弹性系数k以及应变常量ει设定为变化参数，那么进行拟合抽屉试验后，当个体化膝关节数字模型模拟出的DisModel与DisExperiment相同时，即可得出变化参数中的最佳值。本实施例中，将拟合过程设定为最佳化的目标函数，当最佳化的目标函数收敛时，即可得到变化参数中的最佳值，同时，这些变化参数也为个体的个性化参数。本实施例中，拟合过程为最佳化目标函数为：
Figure BDA0002615185670000111
步骤S8：根据所述个体化仿生韧带材料参数，建立个体化膝关节仿生韧带力学模型。本步骤S8中，根据步骤S7中获取的韧带材料的最佳参数，建立个体化膝关节仿生韧带力学模型，从而针对不同的个体，获取不同的韧带材料参数，进而不同个体配置不同的个体化膝关节仿生韧带力学模型。
本实施例通过模型模拟个体的在体功能测试数据，获取得个体化韧带材料参数，实现仿生韧带数字建模。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.建立个体化膝关节仿生韧带生物力学模型的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：利用CT和MRT扫描，获取个体化膝关节中骨组织和韧带的三维影像原始数据；
S2：根据三维影像原始数据，利用三维重建软件分别重建骨组织以及韧带数字模型，并将两者融合形成个体化膝关节数字模型；
S3：将所述个体化膝关节数字模型导入到有限元软件ABAQUS内，分别对所述骨组织中的股骨和胫骨，以及韧带进行体网格划分；
S4：根据CT灰度值，对股骨和胫骨的材料参数进行赋值，将其密度以及弹性模量导入到有限元软件ABAQUS内的所述个体化膝关节数字模型中；
S5：基于国际生物力学推荐标准，利用所述个体化膝关节数字模型，建立膝关节坐标系；
S6：将韧带模拟为非线性、各项异性、非均匀的弹性纤维束；利用所述膝关节坐标系，计算获取膝关节韧带受力与骨组织结构上的力学关系；后将个体化仿生韧带材料参数中的韧带参考长度、弹性系数以及应变常数以变化参数的形式导入到有限元软件ABAQUS中的所述个体化膝关节数字模型中；
S7：根据个体化膝关节的多角度抽屉试验，获取拉力以及胫骨相对股骨的位移DisExperiment，拟合在体膝关节抽屉试验测得的结果和个体化膝关节数字模型模拟结果，当所述个体化膝关节数字模型模拟的DisModel与DisExperiment相同时，获取变化参数中的最佳值，并作为个体化仿生韧带材料参数；
S8：根据所述个体化仿生韧带材料参数，建立个体化膝关节仿生韧带力学模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S6进一步包括：将所述个体化膝关节数字模型中的韧带模拟为弹性纤维束，每条韧带包括多根纤维；预设每条韧带包括n根纤维，纤维的应变j∈i定义为j∈i＝(jLi-jL0)/jL0，其中，jLi表示纤维变形后的长度，i＝1～n，n表示纤维数量；j＝1～4，表示韧带数量；
根据所述膝关节坐标系，设定jL0为纤维的参考长度，表示纤维初始受力长度；当膝关节运动时，根据膝关节坐标系，计算出胫骨和股骨上韧带附着点的坐标为
Figure FDA0002615185660000021
而纤维形变后的长度Li，且纤维形变后的长度Li为
Figure FDA0002615185660000022
差值的绝对值：
Figure FDA0002615185660000023
纤维受力大小和位移的关系式：
Figure FDA0002615185660000024
其中，jfi表示纤维的受力大小，k表示弹性系数，εi表示应变，ει为非线性应变常数；其中，当应变εi小于2ει时，纤维受力大小为应变的平方；当应变大于2ει时，纤维受力大小与位移成线性关系；
计算获取纤维束内各个纤维的受力，获取膝关节韧带受力与骨组织结构的力学关系式：
Figure FDA0002615185660000025
其中，jF表示膝关节骨头的受力。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括，基于骨组织为多种材料构成的复合体，利用股骨和胫骨的CT灰度值，对其赋值材料属性：p＝-13.4+1017Hu、E＝-388.8+5925p；其中，p为密度，Hu为灰度值，E为弹性模量；后将密度和弹性模量导入到有限元软件ABAQUS中的所述个体化膝关节数字模型内。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S7之前还包括，对个体化膝关节进行抽屉试验，获取膝关节骨头所受拉力大小以及胫骨相对股骨的位移DisExperiment。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，利用可调式膝关节支具固定在体膝关节于0°、30°、60°、90°屈曲位置，进行膝关节的多角度抽屉实验；其中，固定股骨后，对胫骨前后方向上施加前向拉力，使用拉力计记录前向拉力，以及胫骨相对股骨的前向位移DisExperiment。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S7进一步包括，将所述个体化膝关节数字模型赋值材料参数后，模拟在体膝关节多角度屈曲位置的抽屉试验，设置与所述抽屉试验相同的受试情况，计算模型中的胫骨相对股骨的位移DisModel，基于韧带参考长度jL0、弹性系数k以及应变常量ει为变化参数，拟合抽屉试验后，当模型模拟的DisModel与DisExperiment相同时，得出变化参数中的最佳值；其中，拟合过程为最佳化目标函数：
Figure FDA0002615185660000031
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