一種用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型的制作方法
【專利摘要】一種用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型，包括滑動壓縮模型和滾動壓縮模型，該模型將軟骨分為不同層區(qū)進(jìn)行滑動壓縮和滾動壓縮仿真，考慮了軟骨的各向異性特征及實(shí)際的生理載荷條件。同時結(jié)合有限元軟件ABAQUS中的彈簧單元模擬膠原纖維的拉伸性能，考慮了組成成分的作用；該模型用于測量生理載荷下關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性能，包括滑動壓縮測量和滾動壓縮測量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該有限元仿真方法的運(yùn)用更加接近關(guān)節(jié)軟骨真實(shí)受力環(huán)境，更加接近軟骨組成成分的功能，因此能準(zhǔn)確模擬生理載荷下軟骨的微觀力學(xué)性能。
【專利說明】一種用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，特別是一種用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)節(jié)軟骨是人體膝關(guān)節(jié)活動的重要組成部分，起著緩沖震蕩、傳遞載荷等不可替代的作用。目前由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，對生理載荷作用下軟骨的微觀結(jié)構(gòu)和組分變化及真實(shí)受力狀態(tài)的測試很難實(shí)現(xiàn)，因此許多學(xué)者采用有限元仿真的方法來探究軟骨的力學(xué)性能。Mow等人最早在混合物理論的兩相多孔介質(zhì)理論基礎(chǔ)上建立了關(guān)節(jié)軟骨的兩相多孔模型。該模型由兩種內(nèi)在不可壓縮、不可混容的固體基質(zhì)和液體組成，其中固體基質(zhì)視為線彈性固體，液體視為理想流體。該模型在一定程度上比較準(zhǔn)確的描述了軟骨的力學(xué)性能。Wilson等人建立了纖維增強(qiáng)、多孔粘彈性關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)模型，包括各向異性粘彈性膠原蛋白結(jié)構(gòu)和依據(jù)蛋白多糖密度變化的膨脹性能，并對軟骨進(jìn)行了應(yīng)力松弛分析。翟文杰等人考慮關(guān)節(jié)軟骨基質(zhì)的固相和孔隙液相及膠原纖維增強(qiáng)相，對軟骨進(jìn)行了應(yīng)力松弛模擬分析。這些研究者基本上是將軟骨看作楊氏模量相同的均勻質(zhì)體，進(jìn)行一些單純的壓縮模擬或者壓痕仿真，沒有考慮軟骨的各向異性特征及實(shí)際的生理載荷條件。正如我們所知，關(guān)節(jié)軟骨精細(xì)的結(jié)構(gòu)按照膠原纖維分布排列方式可以分為三層:淺表層、中間層和深層，關(guān)節(jié)軟骨的非線性和各向異性特性不僅體現(xiàn)在它的結(jié)構(gòu)和組成，而且體現(xiàn)于它的生物力學(xué)性質(zhì)中。在人類的日常生活活動中，軟骨所承受的主要生理載荷是滾壓和滑動載荷，即滾壓和滑動載荷是關(guān)節(jié)軟骨生長、發(fā)育和維持正常生理功能合適的生理載荷。因此，研究此載荷下軟骨不同層區(qū)的力學(xué)行為是非常重要的，基于此，我們提出一種將滾壓(包括滑動)載荷作用于功能化關(guān)節(jié)軟骨構(gòu)建的有限元方法，并對該載荷下軟骨的微觀力學(xué)性能進(jìn)行了模擬仿真。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0003]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種用于功能化關(guān)節(jié)軟骨的滾壓和滑動載荷模型及其測量方法，該測量方法建立的軟骨模型更加接近關(guān)節(jié)軟骨真實(shí)受力環(huán)境，進(jìn)而能準(zhǔn)確模擬和測量生理載荷下軟骨的微觀力學(xué)性能。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型，包括滑動壓縮模型和滾動壓縮模型，其中滑動壓縮模型包括滑動壓頭、軟骨模型、分層結(jié)構(gòu)，滑動壓頭為半圓形，可對軟骨施加一定的壓縮量并在軟骨表面連續(xù)滑動，軟骨模型由不同層分層結(jié)構(gòu)組成；滾動壓縮模型包括滾動壓頭、軟骨模型、分層結(jié)構(gòu)，滾動壓頭為圓形，可對軟骨施加一定的壓縮量并在軟骨表面連續(xù)滾動，軟骨模型由不同層分層結(jié)構(gòu)組成；軟骨為二維的軟骨模型，通過使用ABAQUS中的Shell建立并分割為3_9層，同時根據(jù)淺表層、中間層及深層各占15%、55%、30%的比例自上而下定義三組不同層區(qū)，每層賦予不同的材料屬性，每層的楊氏模量和泊松比取不同的值，其中泊松比為0-0.499，楊氏模量自淺表層到深層遞增；采用八節(jié)點(diǎn)孔壓單元模擬固體基質(zhì)，節(jié)點(diǎn)之間連接有彈簧單元用于模擬膠原纖維的拉伸性能；滑動壓頭采用ABAQUS中Part下的二維線(Wire)選項(xiàng)建立,類型為解析剛體(Analytical rigid);滾動壓縮模型的建立與滑動壓縮模型相同，不同之處是滾動壓頭采用ABAQUS中Part下的二維殼(Shell)選項(xiàng)建立,類型為可變形(Deformable),定義其剛度為210GPa或定義為一種圓形離散剛體線(discrete rigid wire)。
[0005]一種所述用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型的應(yīng)用，用于測量生理載荷下關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性能，包括滑動壓縮測量和滾動壓縮測量，方法如下:
1)滑動壓縮測量
在ABAQUS軟件中建立滑動壓頭和軟骨模型，設(shè)定滑動壓頭的下移距離即壓縮軟骨的量為0-30%的任意值，設(shè)定其向右滑動的速度為0-35cm/s的任意值；定義軟骨中各層的楊氏模量、泊松比，定義軟骨的邊界條件，軟骨模型左側(cè)界面和右側(cè)界面的液體可自由滲透，底部垂直方向的位移為零；運(yùn)用子程序定義軟骨滲透率，劃分網(wǎng)格，徑向網(wǎng)格劃分比例為0.5:0.25:0.25，也可根據(jù)實(shí)際需要自定義；單元為八節(jié)點(diǎn)孔壓單元；在CAE界面上的節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，所用彈簧單元類型為SpringA,在INP文件中找到Spring,elset=SpringA_spring 字段，將其修改為氺Spring, nonlinear, elset=SpringA_spring,并在下一行輸入力與位移的一一對應(yīng)數(shù)值來確定其非線性，數(shù)值范圍為(0.04712，0.0005)至Ij (9.651，0.008)，最后在 ABAQUS/Command 中提交分析；
2)滾動壓縮測量
在ABAQUS軟件中建立滾動壓頭和軟骨模型，定義滾動壓頭為圓形實(shí)體面或圓形離散剛體線，設(shè)定其壓縮軟骨的量為0-30%的任意值，及向右滾動的速度為0-20cm/s的任意
值，并根據(jù)公式? = 計(jì)算獲.得繞圓心的角速度；定義軟骨中各層的楊氏模量、泊松比，
R
定義軟骨的邊界條件，軟骨模型左側(cè)界面和右側(cè)界面的液體可自由滲透，底部垂直方向的位移為零；運(yùn)用子程序定義軟骨滲透率，劃分網(wǎng)格，單元為八節(jié)點(diǎn)孔壓單元；在CAE界面上的節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，所用彈簧單元類型為SpringA,在INP文件中找到Spring,elset=SpringA_spring 字段，將其修改為氺Spring, nonlinear, elset=SpringA_spring,并在下一行輸入力與位移的一一對應(yīng)數(shù)值來確定其非線性，數(shù)值范圍為(0.04712,0.0005)至Ij (9.651，0.008)，最后在 ABAQUS/Command 中提交分析。
[0006]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該方法依據(jù)軟骨的各向異性結(jié)構(gòu)和液固兩相特征，建立軟骨模型，并模擬關(guān)節(jié)軟骨在真實(shí)生理狀態(tài)下所受的滑動壓縮載荷和滾動壓縮載荷，獲得其生理載荷作用下的微觀力學(xué)性能，采用該方法得到的仿真結(jié)果更加接近軟骨的真實(shí)力學(xué)性能。
[0007]【【專利附圖】
【附圖說明】】
圖1為關(guān)節(jié)軟骨滑動壓縮模型示意圖。
[0008]圖2為關(guān)節(jié)軟骨滾動壓縮模型示意圖。
[0009]圖中:1a.滑動壓頭 Ib.滾動壓頭 2.軟骨模型 3.分層結(jié)構(gòu) 【【具體實(shí)施方式】】
實(shí)施例:
一種用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型，包括滑動壓縮模型和滾動壓縮模型，其中滑動壓縮模型，如圖1所示，包括滑動壓頭la、軟骨模型2、分層結(jié)構(gòu)3，滑動壓頭Ia為半圓形，可施加一定的壓縮量壓縮軟骨2，軟骨模型2由不同層分層結(jié)構(gòu)3組成；滾動壓縮模型，如圖2所示，包括滾動壓頭lb、軟骨模型2、分層結(jié)構(gòu)3，滾動壓頭Ib為圓形，可施加一定的壓縮量壓縮軟骨2，軟骨模型2由不同層分層結(jié)構(gòu)3組成；軟骨模型為二維的軟骨模型，通過使用ABAQUS中的shell建立并分割為3_9層，同時根據(jù)淺表層、中間層及深層各占15%、55%、30%的比例自上而下定義三組不同層區(qū)，每層賦予不同的材料屬性，每層的楊氏模量和泊松比取不同的值，其中泊松比為0-0.499，楊氏模量自淺表層到深層遞增；采用八節(jié)點(diǎn)孔壓單元模擬固體基質(zhì)，節(jié)點(diǎn)之間連接有彈簧單元用于模擬膠原纖維的拉伸性能；滑動壓頭采用ABAQUS中Part下的二維線(Wire)選項(xiàng)建立，類型為解析剛體(Analytical rigid);滾動壓縮模型的建立與滑動壓縮模型相同，不同之處是滾動壓頭采用ABAQUS中Part下的二維殼(Shell)選項(xiàng)建立,類型為可變形(Deformable),定義其剛度為210GPa或定義為一種圓形離散剛體線(discrete rigid wire)。
[0010]所述關(guān)節(jié)軟骨生理載荷模型用于測量生理載荷下關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性能，包括滑動壓縮測量和滾動壓縮測量，方法如下:
I)滑動壓縮仿真:在ABAQUS軟件中建立滑動壓頭和軟骨模型。設(shè)定滑動壓頭的下移距離，即定義壓縮軟骨的量10%，并設(shè)定其向右滑動的速度2cm/s ;建立7層模型，其中第一層為淺表層，第二層到第五層為中間層，第六到第七層為深層，楊氏模量自上而下分別取 0.079MPa、0.17MPa、0.27 MPa,0.55 MPa,0.58 MPa、0.73 MPa、1.14 MPa。定義泊松比均為0.499 ;定義軟骨的邊界條件:模型左側(cè)邊界液體可自由滲透，底部垂直方向位移為零，右側(cè)邊界液體可自由滲透；運(yùn)用子程序定義軟骨滲透率；劃分網(wǎng)格，單元為八節(jié)點(diǎn)孔壓單元；在CAE界面上的節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，所用彈簧單元類型為SpringA，在INP文件中找到 Spring, elset=SpringA_spring 字段，將其修改為 *Spring, nonlinear,
elset=SpringA-spring,并在下一行輸.入力與位移的--對應(yīng)數(shù)值來確定其非線性，數(shù)值
范圍為(0.04712，0.0005)到(9.651，0.008);最后在 ABAQUS/Command 中提交分析。
[0011]2)滾動壓縮仿真:在ABAQUS軟件中建立滾動壓頭和軟骨模型，定義滾動壓頭為圓形實(shí)體面，半徑為1.5cm，設(shè)定壓縮軟骨的量10%，設(shè)定其向右滾動的速度lOcm/s，角速度為6.67rad/s ;建立7層模型,其中第一層為淺表層,第二層到第五層為中間層,第六到第七層為深層,楊氏模量自上而下分別取0.079MPa、0.17MPa、0.27 MPa,0.55 MPa,0.58 MPa、
0.73MPa、l.14 MPa。定義泊松比均為0.499 ;定義軟骨的邊界條件:模型左側(cè)邊界液體可自由滲透，底部垂直方向位移為零，右側(cè)邊界液體可自由滲透；運(yùn)用子程序定義軟骨滲透率；劃分網(wǎng)格，單元為八節(jié)點(diǎn)孔壓單元；在CAE界面上的節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，所用彈簧單元類型為SpringA,在INP文件中找到Spring, elset=SpringA_spring字段，將其修改
為*Spring, nonlinear, elset=SpringA_spring,并在下一行輸入力與位移的--對應(yīng)
數(shù)值來確定其非線性，數(shù)值范圍為(0.04712，0.0005)到(9.651，0.008)，最后在ABAQUS/Command中提交分析。
[0012]實(shí)踐表明:該仿真方法效果良好，能真實(shí)的反映軟骨在滑動和滾壓載荷作用下的力學(xué)性能。
【權(quán)利要求】
1.一種用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型，其特征在于:包括滑動壓縮模型和滾動壓縮模型，其中滑動壓縮模型包括滑動壓頭、軟骨模型、分層結(jié)構(gòu)，滑動壓頭為半圓形，可對軟骨施加一定的壓縮量并在軟骨表面連續(xù)滑動，軟骨模型由不同層分層結(jié)構(gòu)組成；滾動壓縮模型包括滾動壓頭、軟骨模型、分層結(jié)構(gòu)，滾動壓頭為圓形，可對軟骨施加一定的壓縮量并在軟骨表面連續(xù)滾動，軟骨模型由不同層分層結(jié)構(gòu)組成；軟骨為二維的軟骨模型，通過使用ABAQUS中的Shell建立并分割為3_9層，同時根據(jù)淺表層、中間層及深層各占15%、55%、30%的比例自上而下定義三組不同層區(qū)，每層賦予不同的材料屬性，每層的楊氏模量和泊松比取不同的值，其中泊松比為0-0.499，楊氏模量自淺表層到深層遞增；采用八節(jié)點(diǎn)孔壓單元模擬固體基質(zhì)，節(jié)點(diǎn)之間連接有彈簧單元用于模擬膠原纖維的拉伸性能；滑動壓頭采用ABAQUS中Part下的二維線選項(xiàng)建立，類型為解析剛體；滾動壓縮模型的建立與滑動壓縮模型相同，不同之處是滾動壓頭采用ABAQUS中Part下的二維殼選項(xiàng)建立，類型為可變形，定義其剛度為210GPa或定義為一種圓形離散剛體線。
2.—種權(quán)利要求1所述用于測量生理載荷作用下關(guān)節(jié)軟骨力學(xué)性能的模型的應(yīng)用，其特征在于:用于測量生理載荷下關(guān)節(jié)軟骨的力學(xué)性能，包括滑動壓縮測量和滾動壓縮測量，方法如下: 1)滑動壓縮測量 在ABAQUS軟件中建立滑動壓頭和軟骨模型，設(shè)定滑動壓頭的下移距離即壓縮軟骨的量為0-30%的任意值，設(shè)定其向右滑動的速度為0-35cm/s的任意值；定義軟骨中各層的楊氏模量、泊松比，定義軟骨的邊界條件，軟骨模型左側(cè)界面和右側(cè)界面的液體可自由滲透，底部垂直方向的位移為零；運(yùn)用子程序定義軟骨滲透率，劃分網(wǎng)格，徑向網(wǎng)格劃分比例為0.5:0.25:0.25，也可根據(jù)實(shí)際需要自定義；單元為八節(jié)點(diǎn)孔壓單元；在CAE界面上的節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，所用彈簧單元類型為SpringA,在INP文件中找到Spring,elset=SpringA_spring 字段，將其修改為氺Spring, nonlinear, elset=SpringA_spring,并在下一行輸入力與位移的一一對應(yīng)數(shù)值來確定其非線性，數(shù)值范圍為(0.04712,0.0005)至Ij (9.651，0.008)，最后在 ABAQUS/Command 中提交分析； 2)滾動壓縮測量 在ABAQUS軟件中建立滾動壓頭和軟骨模型，定義滾動壓頭為圓形實(shí)體面或圓形離散剛體線，設(shè)定其壓縮軟骨的量為0-30%的任意值，及向右滾動的速度為0-20cm/s的任意值，并根據(jù)公式計(jì)算獲得繞圓心的角速度；定義軟骨中各層的楊氏模量、泊松比，定義軟骨的邊界條件，軟骨模型左側(cè)界面和右側(cè)界面的液體可自由滲透，底部垂直方向的位移為零；運(yùn)用子程序定義軟骨滲透率，劃分網(wǎng)格，單元為八節(jié)點(diǎn)孔壓單元；在CAE界面上的節(jié)點(diǎn)之間建立彈簧單元，所用彈簧單元類型為SpringA,在INP文件中找到Spring,elset=SpringA_spring 字段，將其修改為氺Spring, nonlinear, elset=SpringA_spring,并在下一行輸入力與位移的一一對應(yīng)數(shù)值來確定其非線性，數(shù)值范圍為(0.04712,0.0005)至Ij (9.651，0.008)，最后在 ABAQUS/Command 中提交分析。
【文檔編號】G06F19/00GK103440423SQ201310394893
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月4日
【發(fā)明者】高麗蘭, 劉志動, 張春秋 申請人:天津理工大學(xué)