CN117038009A - 一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及肌内效贴技术领域，且公开了一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，以大腿肌肉、韧带与相关骨骼为研究对象，结合生物力学有限元分析建立下肢有限元模型，在多体系统模型的表面施加载荷模拟肌贴的力对跑步过程中大腿骨骼肌肉、骼胫束进行疲劳分析，据此设计治疗骼胫束综合征的肌内效贴，结合肌电图技术和VAS视觉模拟量表评价方法对产品进行有效性验证研究。该治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，可以通过分析髂胫束形态及其与股骨髁之间的关系，并结合生物力学建模，用以设计肌内效贴的形状和总结确定扎贴方式，以达到最佳的矫正效果和使用体验。
Description
技术领域
本发明涉及肌内效贴技术领域，具体为一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法。
背景技术
随着全民健身公共服务发展，跑步作为一种简单易行且效果显著的锻炼方式，成为群众参与度较高的运动，但由于缺乏科学指导，运动损伤越发常见，其中髂胫束综合征占比较多，目前的难题是髂胫束以及其周围的组织结构比较复杂，难以量化髂胫束的受力与形变，最终形成髂胫束综合征，且治疗大部分需要由专业医生进行或者在专业医生指导下进行，无法自行治疗，现有技术中通过肌内效贴具有缓解肌肉疼痛、改善躯干运动范围以及增强肌肉的力量等方面具有较好的治疗效果，被广泛应用于各种关节肌肉疼痛的场景，同时，髂胫束综合征是一种与下肢肌肉密切联系的病症，也适合采用肌内效贴进行治疗。
目前，肌内效贴的扎贴方法较多无统一标准，也无法明确准确的扎贴位置，以及它的形状需要自行修剪，难以达到较好的矫正效果。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，具备可以通过分析髂胫束形态及其与股骨髁之间的关系，并结合生物力学建模，用以设计肌内效贴的形状和总结确定扎贴方式，以达到最佳的矫正效果和使用体验等优点，解决了肌内效贴的扎贴方法较多无统一标准，也无法明确准确的扎贴位置，以及它的形状需要自行修剪，难以达到较好的矫正效果的问题。
(二)技术方案
为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、通过医学影像控制系统Mimics采集人体下肢髋部至膝关节的CT数据，得到高质量的医学影像数据，进行影像数据预处理，去除噪声以及平滑边缘，以获得清晰的下肢骨骼和肌肉边界，并导出STL格式文件；
步骤二、利用逆向工程软件Geomagic，对Mimics处理后的骨骼和肌肉进行分割和重建，得到下肢骨骼肌肉三维模型，对模型进行修复和平滑处理；
步骤三、使用装配软件Solidworks对骨骼和肌肉三维模型进行装配和组合，形成完整的下肢骨骼肌肉三维模型；
步骤四、使用前处理软件HyperMesh对模型进行网格化处理，并用Abaqus进行有限元分析，模拟在运动过程中的应力和变形情况，最终确定合适的防护参数；
步骤五、根据步骤四中对下肢骨骼肌肉三维模型进行有限元分析之后得到的防护参数，设计并制作肌内效贴实物；
步骤六、选定试验对象，采用SPI实时压力分布测量系统Tactilus对制作出的肌内效贴实物进行试验。
优选的，所述步骤一中的CT数据为利用双螺旋CT扫描仪器获取DICOM格式的人体下肢髋部至膝关节骨骼肌肉数据，将数据导入Mimics的软件中，在Mimics软件中根据需要设置不同的显示方向，以观察人体下肢的冠状视图、轴向视图以及矢状面视图。
优选的，所述影像数据预处理的步骤如下：
S1、通过不同组织间的CT影像灰度值的不同来提取各部分组织，CT图像的灰度值以Hounsfield标度表示，并作为阈值分割的依据；
S2、用阈值分割法确定组织边界，阈值分割后用Mimics中Region Grow区域增长命令在已选取的组织中提取连续的组织；
S3、通过编辑蒙版，使用擦除块擦除不需要的组织像素，逐片删除像素并用不同颜色区分不同肌肉、骨骼，在画好遮罩蒙版之后，依次生成股骨、胫骨、阔筋膜张肌、臀大肌、臀中肌和髂胫束的Mask文件；
S4、使用Mimics中Calculate3D命令将遮罩蒙版生成实体骨骼模型实现三维重组；
S5、使用Mimics中Remesh命令优化三维重组后的模型形态，在提取好模型之后，对比矢状面视图，保证各组织重建后与CT数据吻合。
优选的，所述三维重组时分别选取肌肉进行布尔运算，消除部分肌肉间的重叠，保证肌肉、骨骼各组织间没有干涉。
优选的，所述步骤二中逆向工程软件Geomagic利用依次导入的从Mimics中导出的STL格式的几何模型，进行空洞填充、平滑处理和实体化操作，生成满足计算机辅助工程CAE中Abaqus软件分析要求的实体模型，具体步骤如下：
A1、通过基于曲率的填充单个孔命令对一些形状简单的孔洞进行填充，修复在删除不合格三角面片时在原位置留下的不同形状的孔洞；
A2、通过去除特征对模型中质量较差的三角面片进一步进行优化处理，实现对三维模型进行表面平滑处理；
A3、进行自动曲面化处理，生成曲面片布局；
A4、生成构造栅格，旋转视图检查是否有不合格，确认无误后封装实体；
A5、利用曲面偏差分析方法对生成的曲面模型进行偏差分析，得到偏差色谱图，将偏差色谱图与原始点云数据进行比对，以验证模型是否满足精度要求。
优选的，所述步骤四中使用前处理软件HyperMesh Udine对模型进行优化的步骤如下：
D1、将步骤三中装配好的模型文件导入HyperMesh中，确定软件中所使用的单元类型以及材料属性，
D2、根据下肢模型的特点进行网格划分；
D3、根据模型骨骼肌肉之间的实际接触关系，设置相应的边界条件与载荷，将物理问题转化为数学模型进行分析，为后续的有限元分析提供计算的基础，删除掉髋骨部分肌肉和骨骼，并将肌肉合并为一整块，对模型进行简化处理；
D4、导出inp格式文件。
优选的，所述步骤四中使用Abaqus进行有限元分析时，借助建立起的下肢骨骼肌肉三维模型，对三维模型施加压力载荷，并对载荷的加载位置进行假设及可行性验证，加载载荷模拟肌内效贴对于髂胫束的防护作用，分析在不同的表面载荷作用下，髂胫束的位移及应力情况，施加载荷的大小以服装对人体的束缚力数据为参考依据。
优选的，所述步骤四中使用Abaqus对下肢骨骼肌肉三维模型进行复杂非线性分析时，需要注意对于分析结果影响较大的关键参数进行设置，其中包括骨骼与肌肉之间的接触属性、计算过程的迭代次数控制、计算时间步长的最大值、计算时间步长的最小值等参数，保证复杂非线性分析的收敛性与准确性，为获得治疗髂胫束综合征合适的防护参数，在髂胫束与股骨外侧髁接触处上方施加不同程度的压力载荷，即肌内效贴对人体的束缚力，以模拟在不同束缚力下肌内效贴与人体下肢之间的受力情况，即扎贴不同压力的肌内效贴对于髂胫束应力影响变化范围，通过多次压力模拟确定合适的防护参数。
优选的，所述步骤五中，采用步骤四中得出的合适的防护参数对肌内效贴进行设计，以测量的不同拉伸程度的肌内效贴对于下肢的压力大小，得到肌内效贴适合的长度，用于肌内效贴膝盖上方处的设计，再依据解剖学对肌内效贴其他部分进行设计，涉及到阔筋膜张肌、臀大肌、臀中肌，最后通过综合肌内效贴的产品功能、产品的材质材料、产品外观形态与纹样、产品色彩、产品结构以及品牌设计来完成产品的整体设计。
优选的，所述步骤六中SPI实时压力分布测量系统Tactilus由薄膜压力传感器、电子控制盒和软件组成，薄膜压力传感器的安装位置依据步骤四中对肌肉三维模型进行有限元分析时的测试点坐标进行选取，并在测试点附近设置一个额外测试点，以确保测试数据的准确性。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，具备以下有益效果：
本方法可以从CT断层扫描到有限元模型的建立，通过Mimics提取骨骼、髂胫束和肌肉，并导入Geomagic中进行修补，进行逆向建模，保证人体模型的精确性，同时，在HyperMesh中进行模型的网格划分和材料属性的赋予等操作，在Abaqus中进行应力分析，获取到最佳受力值，通过设计肌内效贴后制作实物，设置对照组和实验组进行有效性验证试验，实验利用表面肌电仪进行肌肉电信号测试，用于分析肌内效贴设计方案对患者下肢肌肉功能的影响，实验测试数据包括臀大肌、臀中肌和阔筋膜张肌的肌肉电信号，实验结束后让被试填写VAS视觉模拟评分表对设计进行评价，主客观评测结果用于评估产品的有效性和舒适度，通过分析实验结果，对肌内效贴产品的效果进行评价，此外，缓解髂胫束综合征疼痛的肌内效贴充分考虑到相关肌肉的解剖学特征和肌内效贴不同扎贴方式的作用，从而为肌内效贴的使用效果和舒适性提供了更加全面的保障。
附图说明
图1为本发明中下肢有限元模型重建过程的框图；
图2为本发明CT图像解剖平面三视图；
图3为本发明中阈值分割骨骼的软件界面图；
图4为本发明中软件编辑蒙版时的界面图；
图5为本发明中重建模型时的效果图；
图6为本发明中模型重建后与CT数据吻合度的对比图；
图7为本发明中骼胫束三维曲面模型重建过程图；
图8为本发明中四面体单元的结构示意图；
图9为本发明中划分网格后的模型图；
图10为本发明中验证可行性结果的示意图；
图11为本发明中下肢有限元模型的应力分析结果图；
图12为本发明中进行压力测试实验的框架图；
图13为本发明中Tactilus软件界面及测试点压力的示意图；
图14为本发明中肌内效贴产品的结构示意图；
图15为本发明中肌内效贴扎贴后的效果图；
图16为本发明中肌内效贴产品的外观图一；
图17为本发明中肌内效贴产品的外观图二；
图18为本发明中肌内效产品使用时的效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参照附图1-13,一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，以大腿肌肉、韧带与相关骨骼为研究对象，结合生物力学有限元分析建立下肢有限元模型，在多体系统模型的表面施加载荷模拟肌贴的力对跑步过程中大腿骨骼肌肉、骼胫束进行疲劳分析，据此设计治疗骼胫束综合征的肌内效贴，结合肌电图技术和VAS视觉模拟量表评价方法对产品进行有效性验证研究；
下肢有限元模型的建立通过医学影像控制系统Mimics采集人体下肢髋部至膝关节的CT数据，得到高质量的医学影像数据，进行影像数据预处理，去除噪声以及平滑边缘，以获得清晰的下肢骨骼和肌肉边界，并导出STL格式文件，具体为：
利用双螺旋CT扫描仪器获取DICOM格式的人体下肢髋部至膝关节骨骼肌肉数据，并导入Mimics软件中，在Mimics软件中根据需要设置不同的显示方向，以观察人体下肢的冠状视图、轴向视图以及矢状面视图，参照图2所示，CT图像的灰度值以Hounsfield(HU)标度表示，原理是通过骨骼、肌肉等不同组织间的影像灰度值不同来提取各部分组织，采用表1中的灰度值作为阈值分割的依据。
表1
用阈值分割法确定组织边界，如图3所示，由于本技术主要研究髂胫束对骨骼及肌肉的应力，因此不区分密质骨和松质骨，阈值分割后用“Region Grow”区域增长命令在已选取的组织中提取连续的组织，随后参考CT图像解剖平面三视图时，发现在部分骨骼组织内部具有空洞，影响后续生成Mask文件，需要逐层填补空洞来填充骨骼内部的空腔，通过编辑蒙版，使用擦除块擦除不需要的组织像素，逐片删除像素并用不同颜色区分不同肌肉、骨骼，编辑前后蒙版如图4所示，在画好遮罩蒙版之后，最终依次生成股骨、胫骨、阔筋膜张肌、臀大肌、臀中肌和髂胫束的Mask文件，之后使用“Calculate 3D”命令将遮罩蒙版变成生成实体骨骼模型，如图5所示，为了消除一些肌肉间的重叠，需要分别选取肌肉进行布尔运算，保证肌肉、骨骼等各组织间没有干涉，再使用“Remesh”命令优化模型形态，在提取好模型之后，对比矢状面视图，保证各组织重建后与CT数据吻合，如图6所示，最后导出STL格式文件。
基于Geomagic对模型优化，利用逆向工程软件Geomagic，对Mimics处理后的骨骼和肌肉进行分割和重建，得到下肢骨骼肌肉三维模型，对模型进行修复和平滑处理，经过Mimics处理后的模型存在空洞和尖锐部分无法进行有限元分析，为满足Abaqus分析的要求，需要将从Mimics中导出的STL格式的几何模型依次导入逆向工程软件Geomagic中进行空洞填充、平滑处理和实体化操作，生成能够满足Abaqus分析要求的实体模型；
Geomagic可以根据导入的STL格式模型创建三角面片网格并通过网格医生功能检测网格生成的质量，网格医生可以检测并删除自相交的三角面片和尖状物，并能够筛查出其中不合格的三角面片进行舍弃，针对一些形状简单的孔洞，可以通过基于曲率的填充单个孔命令进行填充，此外，由于删除不合格三角面片会导致原来的位置会留下不同形状的孔洞还可以通过去除特征对模型中质量较差的三角面片进一步进行优化处理，使三维模型表面更加的光滑，进行自动曲面化处理，生成曲面片布局，之后生成构造栅格，旋转视图检查是否有不合格，确认无误后封装实体，最后利用曲面偏差分析方法对生成的曲面模型进行误差分析，得到偏差色谱图，将偏差色谱图与原始点云数据进行比对，验证模型是否满足精度要求处理过程，逆向工程软件Geomagic的整个优化过程如图7所示，之后将优化好的各部分模型导入Solidworks软件中进行装配，对骨骼和肌肉三维模型进行装配和组合，形成完整的下肢骨骼肌肉三维模型；
基于HyperMesh的模型处理，HyperMesh作为一个高级的有限元前处理软件，能够提供复杂的网格建模和编辑工具，以及丰富的材料和边界条件定义选项，HyperMesh可以与许多主流的CAE(计算机辅助工程)软件进行无缝连接，例如ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA等，这使得用户能够使用HyperMesh快速地生成几何模型和网格，然后将其导入到其他CAE软件中进行后续分析和求解；
Abaqus是一款广泛应用于结构分析的有限元分析软件，其单元库拥有庞大的分类，其中就有实体单元、薄膜单元等多个单元类，共计四百多种不同类型的单元，从中选择不同的单元类型对于模拟计算的精度和效率具有至关重要的影响，同时，Abaqus中的单元还可以根据节点位移插值的阶数分为三类：线性单元、二次单元和修正单元，以提高模拟计算的精度。
本技术方案通过HyperMesh和Abaqus进行有限元仿真，为了方便后续对于下肢肌肉骨骼模型的仿真，有必要对模型进行前处理，将装配好的模型文件导入HyperMesh中，确定软件中所使用的单元类型以及材料属性，并进行网格划分，然后根据模型骨骼肌肉之间的实际接触关系，设置相应的边界条件与载荷，将物理问题转化为数学模型进行分析，为后续的有限元分析提供了计算的基础，考虑到后期计算量，删除掉髋骨部分肌肉和骨骼，并将肌肉合并为一整块，对模型进行简化处理。
本方法构建的下肢肌肉骨骼三维模型曲面复杂，因此选择应用实体单元系列中的四面体单元，本方法构建的下肢肌肉骨骼三维模型曲面复杂，在进行三维模型的有限元分析时，要使用适合的单元类型，其中灵活性与适应性较强的四面体单元C3D4可以更好地刻画其几何形状和物理特性，主要是由四个节点构成的三维单元，相比于简单的几何形状如正方体单元等，四面体单元节点更少且更加灵活，提高模型的精度和可靠性，如图8所示；
在设置好单元类型后，对模型赋予材质，有限元模型的材料属性是有限元分析中非常重要的一步，设置的材料属性参数将直接影响分析计算的结果，本方法中的有限元分析为线性静力分析，但是实际肌肉、髂胫束等材料特性比较复杂，其都为各向异性材料，在进行有限元分析时，假设肌肉和髂胫束均作为各向同性、均匀连续且具有线性弹性的材料，由于在本方法中骨骼的形状以及大小是始终保持不变的，因此，可以将其视作为一个固定的结构且位置不会发生移动，不需要赋材料属性计算自身变形，因此将其设置为刚体，经阅读大量有关有限元人体模型的文献，综合部分模拟人体腿部文献的参数比对，在本方法中赋予肌肉、髂胫束材料参数如表2所示；
表2材料参数
在有限元分析中，网格划分细化程度对分析结果的准确性有着较大的影响，如果网格划分粗糙且数量过少，可能会导致分析结果的准确性下降，网格划分过于细致且数量过多，虽然一定程度上会提升分析结果的准确性但是同时也会增加计算机的负荷以及运行时间，因此需要综合考虑，根据下肢模型特点进行网格划分，骨骼、肌肉软组织是不规则的实体，曲率比较大，所以将网格单元类型设置为四面体网格，因为四面体网格可以适应复杂的几何形状，尤其适用于曲率较大的几何形状，如骨骼、软组织等，而且四面体网格通常是自由网格，可以通过自动生成算法来生成，且生成速度比较快，由于骨骼、髂胫束、肌肉等大小不一样，同时考虑到曲率因素，在HyperMesh中对骨骼、髂胫束、肌肉的进行划分，骨骼的网格大小为2mm，髂胫束的网格大小为3mm，肌肉的网格大小为5mm，模型单元数和节点数如表3所示，划分好的模型如图9所示；
表3模型内各个部分划分后单元接点数目
肌肉和髂胫束之间，髂胫束与股骨之间均定义为光滑无摩擦的接触形式，接触后可分离，将肌肉和股骨、胫骨设置为绑定，并分别将肌肉上下两端、髂胫束与胫骨连接处添加固定作为约束条件，限制6个自由度，完成以上步骤后，导出inp格式文件
基于Abaqus的有限元分析，所述步骤四中使用Abaqus进行有限元分析时，借助建立起的下肢骨骼肌肉三维模型，对三维模型施加压力载荷，并对载荷的加载位置进行假设及可行性验证，加载载荷模拟肌内效贴对于髂胫束的防护作用，分析在不同的表面载荷作用下，髂胫束的位移及应力情况，施加载荷的大小以服装对人体的束缚力数据为参考依据。
基于Abaqus的有限元分析，借助前文建立起的下肢骨骼肌肉有限元模型，对模型施加压力载荷，在对模型进行力学分析之前，对模型做出以下假设；
(1)人体下肢模型由骨骼、髂胫束和其他肌肉三部分组成，由于有限元分析中是将皮肤受力传导到髂胫束上，计算量过大，因此适当忽略皮肤组织；
(2)骨头被认为是坚硬的外壳，肌肉等软组织在受到位移时，不能渗透到骨骼中；
(3)肌肉和髂胫束在受到压力时，位移相同。
当患有髂胫束综合征的患者进行长期处于运动状态时，髂胫束会长时间处于紧绷状态，与股骨外侧髁之间的摩擦次数较多导致膝盖关节部位的疼痛，髂胫束也会因为长时间拉伸收缩产生疲惫，进而引起其他肌肉代偿，为减少摩擦，在髂胫束与股骨外侧髁接触面上方(膝盖侧上方)4厘米处施加压力载荷，将髂胫束的止点移到该处，使得运动时髂胫束末端相对放松以减小摩擦，加载载荷模拟肌内效贴对于髂胫束的防护作用，分析在不同的表面载荷作用下，髂胫束的位移及应力情况，受限于计算量，而且皮肤本身也会对肌肉产生力的传导，忽略皮肤组织，直接将表面压力载荷施加于髂胫束；
为验证本文方案的可行性与有效性，先在不施加载荷的情况下拉伸髂胫束，然后在髂胫束与股骨外侧髁上方施加一个3mm的位移，再次拉伸髂胫束，有限元应力分析结果如图10所示，由分析结果可以看出，相比不施加载荷的情况下，施加位移情况下髂胫束与股骨外侧髁接触处变为蓝色，表明此处所受应力减小，此处只施加了一个位移数值，在后续的实验中可以通过多组试验，设置多个位移数值来确定最合适的防护载荷大小。
有限元分析中，关键的一点是要施加准确的力，这样才能获取到正确的运算结果，在方法中主要通过施加位移、压力载荷来对髂胫束受力进行模拟，在确定施加载荷的大小时，由于肌内效贴与服装具有一定相似性，因此参考服装压力的相关研究的数据，当服装对人体的束缚力在1.96-3.92kPa的范围内时，人体会感到舒适，即人体舒适服装压范围，而当服装对人体的束缚力超过5.88-9.8kPa时，人体会感到不适，该范围被认为是不舒适的服装压力阈值，同时，考虑到人体皮肤组织表面的毛细血管正常血压大小约为7.85kPa，当人体下肢的肌肉受到的束缚力超过正常的血管血压大小时，可能会导致肌肉组织的血液正常流动受到阻碍，导致血液流通不畅，最坏的场景可能会出现血液停止流动，这样会迫使血液流向腿部较低的部位，造成人体的下肢发生肿胀的危险，所以在本方法中，对人体下肢皮肤表面施加的压力载荷的范围在设定在0-7.85kPa之间，综上，在下肢皮肤表面施加的表面压力载荷取0、3.92kPa、5.88kPa和7.85kPa四个数值，使用Abaqus对下肢骨骼肌肉三维模型进行复杂非线性分析时，需要注意对于分析结果影响较大的关键参数进行设置，其中包括骨骼与肌肉之间的接触属性、计算过程的迭代次数控制、计算时间步长的最大值、计算时间步长的最小值等参数，保证复杂非线性分析的收敛性与准确性，为获得治疗髂胫束综合征合适的防护参数，在下肢皮肤表面(髂胫束与股骨外侧髁接触处上方)施加不同程度的压力载荷，即肌内效贴对人体的束缚力，以模拟在不同束缚力下肌内效贴与人体下肢之间的受力情况，即扎贴不同压力的肌内效贴对于髂胫束应力影响变化范围，通过多次压力模拟确定合适的防护参数，具体如下：
在防护载荷为0的情况下，给髂胫束施加一个向上的位移作为跑步时髂胫束伸长时的力，对其进行应力分析，此时髂胫束与股骨外侧髁接触的地方的应力范围在
1.811E-1～2.271E-1Mpa；
在防护载荷为3.92kPa时，给髂胫束施加一个向上的位移作为跑步时髂胫束伸长时的力，对其进行应力分析，此时髂胫束与股骨外侧髁接触的地方的应力范围
1.811E-1～2.262E-1Mpa；
在防护载荷为5.88kPa时，给髂胫束施加一个向上的位移作为跑步时髂胫束伸长时的力，对其进行应力分析，此时髂胫束与股骨外侧髁接触的地方的应力范围在
9.150E-2～4.664E-2Mpa；
在防护载荷为7.85kPa时，给髂胫束施加一个向上的位移作为跑步时髂胫束伸长时的力，对其进行应力分析，此时髂胫束与股骨外侧髁接触的地方的应力范围在9.156E-2～4.664E-2Mpa。
不同防护载荷下应力分析结果图如图11所示，根据以上分析，在压强为5.88kPa时髂胫束与股骨外侧髁接触处应力值相对较小，达到减小摩擦的要求且应力分布较为分散，对病人的压迫感小。
综上所述，本方法完成了从CT断层扫描到有限元模型的建立，通过Mimics提取骨骼、髂胫束和肌肉的模型，并导入Geomagic中进行修补，进行逆向建模，保证人体模型的精确性，同时，在HyperMesh中进行模型的网格划分和材料属性的赋予等操作，最终在Abaqus中进行应力分析，获取到5.88kPa的最佳受力值。
实施例2；
根据得出的合适的防护参数对肌内效贴进行设计，以测量的不同拉伸程度的肌内效贴对于下肢的压力大小，得到肌内效贴适合的长度，用于肌内效贴膝盖上方处的设计，再依据解剖学对肌内效贴其他部分进行设计，涉及到阔筋膜张肌、臀大肌、臀中肌，最后通过综合肌内效贴的产品功能、产品的材质材料、产品外观形态与纹样、产品色彩、产品结构以及品牌设计来完成产品的整体设计；
如图14所示，肌内效贴是由棉织布层、胶水层和离型纸层组成，其中，棉织布层采用混纺的棉和氨纶纤维织成，具有良好的透气性和弹性特性，可伸长到原长的180％，该层采用密集型网孔，可吸汗透气，胶水层采用医用亚克力胶水，具有较好的粘附性，胶面呈波纹状不完全覆盖在布基上，离型纸层一般由三层组成，包括原纸、涂层和硅油层，其主要作用是隔离胶水层，保持胶面粘合性能；
在进行产品色彩设计时，要考虑产品定位与产品特点，考虑目标用户的年龄、性别、文化背景和地理位置等因素，例如，红色有时候是幸运和喜庆的象征，有时候被视为具有危险和警示的意义，肌内效贴主要用于运动员和运动爱好者，而在运动、体育产品设计时，一般选择鲜艳、明亮的颜色来表现活力和运动感，而且鲜艳、明亮的颜色更容易在运动中被注意到，设计时利用色彩学可以增强治疗效果，因为不同的颜色可以对人体产生不同的心理和生理效应，暖色调可以提高人体的兴奋程度，从而促进运动表现，而冷色调则可以带来放松和镇静的感觉，中间色则让人感到沉稳和安定，因此，在设计中考虑使用不同的颜色，可以更好地满足治疗的需要，在肌内效贴设计中，运用合适的色彩搭配可以增强视觉刺激和治疗效果，同时也提高产品的美感和观赏性，可以根据不同颜色的情感联想，本实施例选用高饱和的粉色、橙色搭配蓝色，给人以视觉刺激，增强活力，同时给予专业、冷静的感受，运用冷色与暖色的碰撞，在满足视觉愉悦的同时并不会显得过度花哨，既时髦，又不失运动员的活力感，最后，依据品牌追求卓越运动表现的精神、品牌的独特性和创新性以及展现出对于运动的热情和执着追求的运动健康理念进行设计、例如，肌内效贴在绑扎后通常会呈现出“K”、“T”、“I”、“O”、“X”“Y”等字母形状，因此可以考虑使用字母组合进行设计品牌标志，例如“KT”、“KO”、“OK”等组合形式。
在进行产品形态与纹样设计时，根据有限元分析结果，缓解髂胫束综合征疼痛的肌内效贴应该施加压力于膝盖侧上方，不仅如此，在设计肌内效贴时还必须考虑到相关肌肉的解剖学特点，以确保治疗效果和使用舒适度，由于髂胫束与阔筋膜张肌和臀大肌相连，因此在设计肌内效贴时必须考虑这两块肌肉，可以在阔筋膜张肌和臀大肌处采用“I”形肌内效贴的设计方案，以提高肌肉表现，两条“I”形肌内效贴和髂胫束上的肌内效贴可以合并成“Y”形，也可以在髂胫束的“I”形基础上采用爪形贴法，将髂胫束的受力分散给旁边肌肉，减少髂胫束紧张情况的发生，采用灯笼形扎贴或者爪形扎贴方式，可以在髂胫束的皮肤表层施加拉力，使得皮下浅筋膜层空隙变大，组织血液循环能力增强，从而为肌肉和髂胫束创造一个良好的恢复环境，尽管臀中肌无法直接影响髂胫束的受力情况，但是考虑到髂胫束是通过臀大肌和阔筋膜张肌进行连接，当人体完成一些动作时，臀中肌也会与它们之间形成间接的协同关系，如果臀中肌乏力，则会导致臀大肌和阔筋膜张肌的受力紧张，从而增加髂胫束紧张情况出现的频率，引发髂胫束综合征，因此，在臀中肌处也必须设计一片“I”形肌内效贴。
综上所述，设计了肌内效贴形态，如图15所示，这个设计方案都充分考虑到相关肌肉的解剖学特征和肌内效贴不同扎贴方式的作用，从而为肌内效贴的使用效果和舒适性提供了更加全面的保障。
作为运动类产品，肌内效贴的动感极为重要，而肌内效贴为简单的平面类产品，因此需要在形态设计的基础上通过图形设计增加设计感与动感，具有动感的肌内效贴，能快速吸引消费者目光，增加销售量，例如：
(1)使用倾斜来增加动感，根据图形视觉原理，垂直和水平方向上的形状给人带来稳定感，因为人的平衡觉依赖垂直和水平方向来定位，为了使图形具有动感，最基本和最有效的方式是倾斜它们，倾斜会在正常的位置和偏离基本空间定向的位置之间产生张力，因此，斜线在设计中具有很强的表现力，通过线条的倾斜可以增加动感、表现速度和力量感，通过在肌内效贴上以倾斜的方式布局图形和文字，可以给用户斜向的视觉导向，带来一种全新的感受并留下深刻的印象。
(2)使用曲线来增加动感，圆形由于其内部运动张力的相互平衡而呈现出静态特征，但是，由圆形分离出的曲线打破了内部平衡，表现出强烈的动感，曲线的动感程度与其形状密切相关，如靠近圆周的曲线动感相对较弱，而靠近抛物线形式的曲线则具有更强的动感。
(3)使用重复来增加动感，通过相同或相似的元素进行编排，稍作变化，例如改变大小、形状、色彩和材质等，营造视觉的中心和焦点，进行放射性排列，让画面产生一种向内聚集或向外扩张的力量，在用户视觉上形成一种放射感，因此在肌内效贴的图形设计上，采用了随机的动感曲线，同时配合不同的颜色，兼具时尚感与运动感，同时也设计了纯色的方案，最终产品效果图如图16-18所示。
综上所述，缓解髂胫束综合征疼痛的肌内效贴充分考虑到相关肌肉的解剖学特征和肌内效贴不同扎贴方式的作用，从而为肌内效贴的使用效果和舒适性提供了更加全面的保障。
实验例；
对产品有效性实验论证与舒适性设计评估，设计肌内效贴后制作实物，设置对照组和实验组进行有效性验证试验，实验利用表面肌电仪进行肌肉电信号测试，配合信号采集的软件为Biotrace+，用于分析肌内效贴设计方案对患者下肢肌肉功能的影响，实验测试数据包括臀大肌、臀中肌和阔筋膜张肌的肌肉电信号，实验结束后让被试填写VAS视觉模拟评分表对设计进行评价，主客观评测结果用于评估产品的有效性和舒适度，通过分析实验结果，对肌内效贴产品的效果进行评价，本次实验旨在测试肌内效贴对皮肤的压力，在这项实验中，将记录受试者在扎贴不同拉伸程度的肌内效贴时皮肤受到的压强大小，为设计针对于髂胫束综合征的肌内效贴提供一定的数据支撑，必须确保实验过程严格按照伦理要求进行，并尽可能减少任何可能对受试者健康产生影响的风险，实验结果将有助于进一步完善肌内效贴产品的设计和性能，从而更好地满足人们的健康需求。
招募4名健康受试者，其中男女各两名，因为男女皮下肌肉丰富程度有区别，男性皮下肌肉发达，女性脂肪相对较多，所以下肢的软硬度不同，受试者需要符合以下条件：未曾接受膝关节手术，在过去6个月内未患神经肌肉骨骼疾病，此次实验仅用于测试肌内效贴对于皮肤的压力，而是否患有髂胫束综合征并不会对压力大小造成影响，因此不需要招募髂胫束综合征患者作为受试者，具体信息如表4所示：
表4受试者信息
SPI实时压力分布测量系统(Tactilus)由薄膜压力传感器、电子控制盒和软件组成，用于测量各种对象表面的压力分布，这个系统能够通过一个传感器阵列测量出被测物体表面的压力分布，并将数据转换为数字信号，用于后续分析和处理，Tactilus易于使用、分辨率高、精度高，能进行实时数据采集和快速数据处理，还具有可扩展性和可定制性，用户可以根据不同的需求选择不同的薄膜压力传感器、电子控制盒和软件组合，以满足其特定的测量需求，本实验运用Tactilus检测人体皮肤表面的压强，系统的元件如图12所示。
由于本实验的主要目的是测试肌内效贴给髂胫束的压强，同时实施例中得出的在髂胫束与股骨外侧髁接触位置上方4cm处施加压力，可以让髂胫束与股骨外侧髁接触点的应力变小，因此将髂胫束与股骨外侧髁接触位置上方6cm处的位置作为测试点，同时，在测试点附近距离5厘米处设置了一个额外的测试点，以确保测试数据的准确性，这个额外的测试点是为了消除因为测试点太少带来的误差，并能够提高对于肌内效贴压力测试的可信度和精确性；
在进行本实验之前，需要确保所有仪器设备的正常运行，具体实验步骤为：首先，打开工作站，并使用USB连接线将电子控制盒与工作站相连，接下来，将薄膜压力传感器与电子控制盒相连，并打开工作站中的Tactilus软件进行检测，以确保仪器正常运作，压力测试实验框架如图12所示，连接成功后，就可以开始实验，在实验之前，受试者需要保持放松状态，实验人员用3M胶带将薄膜压力传感器粘贴在下肢待测位置上，粘贴好薄膜压力传感器后，打开Tactilus中的显示数值，在扎贴肌内效贴的过程中，根据之前的实验经验，拉伸肌内效贴以使得软件显示的数值达到预期效果，粘贴好后，打开Tactilus开始录制，记录下测试点的压强值，Tactilus软件界面如图13所示，为了得到最佳的结果，需要不断调整肌内效贴的扎贴拉伸长度，并再次进行压强测量，当测定出最佳压强值5.88kPa左右时，记录此时肌内效贴的拉伸程度，在实验过程中，受试者的感受至关重要，如果受试者感到不适应，需要立即停止实验以保障受试者的人体健康安全，因此，在实验过程中需要非常注意受试者的感受，并及时进行调整。
综上所述，本实验旨在研究肌内效贴拉伸程度与测试点的压强值之间的关系，在实验中通过将肌内效贴粘贴在受试者腿上，以不同的拉伸程度进行压力测试，为了保证实验结果的准确性，导出四个帧的数据并计算平均值，以得出测试点的最佳压强值，如表5所示；
表5实验数据
实验结果表明，当肌内效贴的拉伸程度约为176％时，测点的压强值达到了5.89kPa，这个数值与最佳压强值5.88kPa最为接近，这表明，当肌内效贴的拉伸程度达到176％时，能够为肌肉提供适当的支撑和压力，从而起到有效的刺激和调节作用，这些结果为肌内效贴的使用提供了科学依据，并且也为肌内效贴的研究提供了有力的支持，需要注意的是，这些结论是基于受试者腿部的实验结果得出的，在实际应用时，应考虑不同身体部位和个体特点的差异，进行相应的调整和适应。
需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过医学影像控制系统Mimics采集人体下肢髋部至膝关节的CT数据，得到高质量的医学影像数据，进行影像数据预处理，去除噪声以及平滑边缘，以获得清晰的下肢骨骼和肌肉边界，并导出STL格式文件；
步骤二、利用逆向工程软件Geomagic，对Mimics处理后的骨骼和肌肉进行分割和重建，得到下肢骨骼肌肉三维模型，对模型进行修复和平滑处理；
步骤三、使用装配软件Solidworks对骨骼和肌肉三维模型进行装配和组合，形成完整的下肢骨骼肌肉三维模型；
步骤四、使用前处理软件HyperMesh对模型进行网格化处理，并用Abaqus进行有限元分析，模拟在运动过程中的应力和变形情况，最终确定合适的防护参数；
步骤五、根据步骤四中对下肢骨骼肌肉三维模型进行有限元分析之后得到的防护参数，设计并制作肌内效贴实物；
步骤六、选定试验对象，采用SPI实时压力分布测量系统Tactilus对制作出的肌内效贴实物进行试验。
2.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述步骤一中的CT数据为利用双螺旋CT扫描仪器获取DICOM格式的人体下肢髋部至膝关节骨骼肌肉数据，将数据导入Mimics的软件中，在Mimics软件中根据需要设置不同的显示方向，以观察人体下肢的冠状视图、轴向视图以及矢状面视图。
3.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述影像数据预处理的步骤如下：
S1、通过不同组织间的CT影像灰度值的不同来提取各部分组织，CT图像的灰度值以Hounsfield标度表示，并作为阈值分割的依据；
S2、用阈值分割法确定组织边界，阈值分割后用Mimics中Region Grow区域增长命令在已选取的组织中提取连续的组织；
S3、通过编辑蒙版，使用擦除块擦除不需要的组织像素，逐片删除像素并用不同颜色区分不同肌肉、骨骼，在画好遮罩蒙版之后，依次生成股骨、胫骨、阔筋膜张肌、臀大肌、臀中肌和髂胫束的Mask文件；
S4、使用Mimics中Calculate3D命令将遮罩蒙版生成实体骨骼模型实现三维重组；
S5、使用Mimics中Remesh命令优化三维重组后的模型形态，在提取好模型之后，对比矢状面视图，保证各组织重建后与CT数据吻合。
4.根据权利要求3所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述三维重组时分别选取肌肉进行布尔运算，消除部分肌肉间的重叠，保证肌肉、骨骼各组织间没有干涉。
5.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述步骤二中逆向工程软件Geomagic利用依次导入的从Mimics中导出的STL格式的几何模型，进行空洞填充、平滑处理和实体化操作，生成满足计算机辅助工程CAE中Abaqus软件分析要求的实体模型，具体步骤如下：
A1、通过基于曲率的填充单个孔命令对一些形状简单的孔洞进行填充，修复在删除不合格三角面片时在原位置留下的不同形状的孔洞；
A2、通过去除特征对模型中质量较差的三角面片进一步进行优化处理，实现对三维模型进行表面平滑处理；
A3、进行自动曲面化处理，生成曲面片布局；
A4、生成构造栅格，旋转视图检查是否有不合格，确认无误后封装实体；
A5、利用曲面偏差分析方法对生成的曲面模型进行偏差分析，得到偏差色谱图，将偏差色谱图与原始点云数据进行比对，以验证模型是否满足精度要求。
6.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述步骤四中使用前处理软件HyperMesh Udine对模型进行优化的步骤如下：
D1、将步骤三中装配好的模型文件导入HyperMesh中，确定软件中所使用的单元类型以及材料属性，
D2、根据下肢模型的特点进行网格划分；
D3、根据模型骨骼肌肉之间的实际接触关系，设置相应的边界条件与载荷，将物理问题转化为数学模型进行分析，为后续的有限元分析提供计算的基础，删除掉髋骨部分肌肉和骨骼，并将肌肉合并为一整块，对模型进行简化处理；
D4、导出inp格式文件。
7.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述步骤四中使用Abaqus进行有限元分析时，借助建立起的下肢骨骼肌肉三维模型，对三维模型施加压力载荷，并对载荷的加载位置进行假设及可行性验证，加载载荷模拟肌内效贴对于髂胫束的防护作用，分析在不同的表面载荷作用下，髂胫束的位移及应力情况，施加载荷的大小以服装对人体的束缚力数据为参考依据。
8.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述步骤四中使用Abaqus对下肢骨骼肌肉三维模型进行复杂非线性分析时，需要注意对于分析结果影响较大的关键参数进行设置，其中包括骨骼与肌肉之间的接触属性、计算过程的迭代次数控制、计算时间步长的最大值、计算时间步长的最小值等参数，保证复杂非线性分析的收敛性与准确性，为获得治疗髂胫束综合征合适的防护参数，在髂胫束与股骨外侧髁接触处上方施加不同程度的压力载荷，即肌内效贴对人体的束缚力，以模拟在不同束缚力下肌内效贴与人体下肢之间的受力情况，即扎贴不同压力的肌内效贴对于髂胫束应力影响变化范围，通过多次压力模拟确定合适的防护参数。
9.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述步骤五中，采用步骤四中得出的合适的防护参数对肌内效贴进行设计，以测量的不同拉伸程度的肌内效贴对于下肢的压力大小，得到肌内效贴适合的长度，用于肌内效贴膝盖上方处的设计，再依据解剖学对肌内效贴其他部分进行设计，涉及到阔筋膜张肌、臀大肌、臀中肌，最后通过综合肌内效贴的产品功能、产品的材质材料、产品外观形态与纹样、产品色彩、产品结构以及品牌设计来完成产品的整体设计。
10.根据权利要求1所述的一种治疗髂胫束综合征的肌内效贴的设计方法，其特征在于：所述步骤六中SPI实时压力分布测量系统Tactilus由薄膜压力传感器、电子控制盒和软件组成，薄膜压力传感器的安装位置依据步骤四中对肌肉三维模型进行有限元分析时的测试点坐标进行选取，并在测试点附近设置一个额外测试点，以确保测试数据的准确性。
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2023
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| CN117747053A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-22 | 广东海洋大学 | 一种腿部护具控制方法及系统 |
| CN117747053B (zh) * | 2024-02-07 | 2024-04-30 | 广东海洋大学 | 一种腿部护具控制方法及系统 |
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