一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法技术

一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法，包括：损伤骨盆骨肌组织与骨针的三维模型创建；采用ABAQUS/Python软件二次开发一个用于一次性创建若干个有限元模型的ABAQUS脚本文件；ABAQUS软件读取这个脚本文件，一次性创建n个含骨针的骨盆骨肌组织有限元模型。本发明专利技术基于ABAQUS/Python软件，二次开发一个脚本文件，用于一次性创建含骨针的骨盆骨肌组织的多个有限元模型，能避免有限元建模的重复性工作，有效提高模型的创建效率。有效提高模型的创建效率。有效提高模型的创建效率。

【技术实现步骤摘要】
一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法


[0001]本专利技术涉及一种采用软件二次开发的有限元建模方法，具体涉及一种采用ABAQUS/Python软件二次开发的有限元建模方法，用于一次性创建多个骨盆上骨针分布优化的有限元模型。

技术介绍

[0002]ABAQUS是功能强大的有限元分析软件，其非线性分析功能强大，可基于强大的运算内核开发ABAQUS脚本。同时，ABAQUS软件有着较好的脚本接口(ASI)，ASI是在Python语言基础上开发的，可通过使用Python语言调用内核，实现对内核的操作。
[0003]骨盆骨折复位手术，骨盆骨折通常伴有骶髂关节分离，需要通过外力引导使其恢复正确的解剖位置，目前主要采用在骨盆患侧置入若干骨针，通过移动骨针进行复位。骨盆骨折复位的工况结构较为复杂，传统手术依赖医生经验，确认骨针置入骨盆的分布骨针置入骨盆的空间位置和姿态取决于医生的临床手术经验。
[0004]机器人辅助骨盆骨折复位，需要在骨盆患侧骨块置入2
‑
3根骨针，对骨盆进行稳定夹持，骨针作为复位力传递的重要元件，置入骨块的空间位姿与骨盆夹持的稳定性、复位手术精度与安全性有密切关系。因此，有必要对置入骨盆多根骨针的空间位姿进行优化分析，采用有限元法可确定置入骨盆多根骨针的最佳分布。
[0005]骨盆骨针空间位姿分布优化，是以术中骨盆应力分布均匀性为目标函数的优化。由于骨盆骨折组织的非线性、粘弹性、非均质材料特性，难以建立优化的目标函数，进行骨盆骨折组织应力分布均匀性的优化分析。而通过有限元仿真软件，进行术中骨盆应力分布的优化确定骨针空间位姿时，需要创建包含不同空间位姿骨针的骨盆骨肌组织三维模型。
[0006]针对上述技术难点，本专利技术针对置入骨盆的骨针空间位姿优化的建模问题，为了提高模型创建的便捷性，涉及一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法，能避免有限元建模的重复性工作，有效提高模型创建效率。

技术实现思路

[0007]针对上述的技术问题，本专利技术涉及一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法，用于解决复杂的重复性进行有限元模型建模。研究置入骨盆不同空间的多根骨针、在大复位力作用下损伤骨盆骨肌组织的应力分布，采用Python对ABAQUS软件的二次开发的方法，通过预设不同的骨针的空间位姿信息，实现有限元模型的创建。
[0008]一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法，具体包括三个步骤：
[0009]步骤1，损伤骨盆的骨肌组织与骨针的三维模型创建；
[0010]步骤2，采用ABAQUS/Python软件二次开发一个能创建多个有限元模型的ABAQUS脚本文件；
[0011]步骤3，ABAQUS软件读取脚本文件，一次性创建n个含骨针的骨盆骨肌组织有限元
模型。
[0012]步骤1，损伤骨盆的骨肌组织、骨针的三维模型创建
[0013]1、逆向重建损伤骨盆骨肌组织三维模型
[0014]根据患者的骨盆骨折CT扫描数据，结合人体解剖结构，使用医学图像处理软件Mimics和逆向工程软件Geomagic Studio，采用轮廓提取和逐层编辑的分割方法，逆向重建损伤骨盆的骨肌组织三维数字化模型。
[0015]2、创建骨针零件的三维模型
[0016]软件ABAQUS中的Part模块中,从SolidWorks软件导入损伤骨盆骨肌组织三维数字化模型，其文件拓展名为*.x_t，新建一根骨针的三维模型，从而完成创建了损伤骨盆骨肌组织、骨针的三维模型，其中损伤骨盆的坐标系为O
xyz
。
[0017]步骤2，采用ABAQUS/Python软件二次开发一个能创建多个有限元模型的ABAQUS脚本文件
[0018]1、Python语言编程计算骨针在骨盆上的空间位姿，并保存在CSV文件中
[0019]针对需要置入损伤骨盆的两根骨针，根据损伤骨盆的骨折类型和临床经验，确定第1根骨针的空间位姿；第2根骨针的空间位姿，在Python语言中编程计算如下：
[0020]设定第2根骨针在骨盆中的针尖点、针尾点分别为P(P
x
,P
y
,P
z
)、Q(Q
x
,Q
y
,Q
z
)，其中P
x
,P
y
,P
z
,Q
x
,Q
y
,Q
z
分别为这两点在骨盆坐标系O
xyz
中的三个坐标分量，则骨针的空间位置和姿态由这两个点唯一确定；
[0021]设骨针针尖点的坐标沿骨盆坐标系O
xyz
的x,y,z三个方向的变化区间为P
x
∈[P
x0
,P
xn
]，P
y
∈[P
y0
,P
yn
]，P
z
∈[P
z0
,P
zn
]。
[0022]骨针针尖点P的坐标P
x
,P
y
,P
z
在区间内均分确定，即第k组骨针位姿的针尖点坐标为其中k＝(1,2,
…
,n)为第k组骨针针尖点坐标，n为骨针针尖点坐标的总个数。
[0023]设骨针针尾点的坐标沿骨盆坐标系O
xyz
的x,y,z三个方向的变化区间分别为Q
x
∈[Q
x0
,Q
xn
]，Q
y
∈[Q
y0
,Q
yn
]，Q
z
∈[Q
z0
,Q
zn
][0024]计算骨针针尾点Q的坐标同上，即第k组骨针针尾点的坐标为其中k＝(1,2,
…
,n)为第k组骨针针尾点坐标，n为骨针针尾点坐标的总个数。
[0025]将第k组的骨针针尖点P与第k组针尾点Q的坐标，结合骨针的长度L0，计算第k组的第二根骨针相对于骨盆坐标系O
xyz
的三个方位角α
k
,β
k
,γ
k
，即
[0026][0027]其中，α
k
,β
k
,γ
k
分别表示第k组骨针向量相对于骨盆坐标系O
xyz
三个直角坐标轴x,y,z的方向角，k＝(1,2,
…
,n)为第k组骨针空间位姿。
[0028]由骨针针尖点坐标、表示骨针方向的三个方位角，计算所有骨针的空间位姿；上述关于骨针空间位姿的计算结果，保存在一个新建的CSV文件中。
[0029]2、读取n组骨针的位姿信息，在骨盆骨肌组织模型上创建骨针的孔要素
[0030]基于ABAQUS本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法，其特征在于，包括以下三个步骤：(1)损伤骨盆的骨肌组织、骨针的三维模型创建；(2)基于ABAQUS/Python软件二次开发一个能创建多个有限元模型的脚本文件，包括：a)Python语言编程计算n组骨针在骨盆上的空间位姿，并保存在CSV文件中；b)读取n组骨针的空间位姿，在骨盆骨肌组织模型上创建骨针的孔要素；c)将骨盆骨肌组织与两根骨针进行装配；d)生成一个能一次性创建n个有限元模型的ABAQUS脚本文件；(3)ABAQUS软件读取脚本文件，一次性创建n个含骨针的骨盆骨肌组织有限元模型。2.根据权利要求1所述的一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：采用医学图像处理软件Mimics和逆向工程软件Geomagic Studio，逆向重建损伤骨盆的骨肌组织三维数字化模型；软件ABAQUS中的Part模块中,从SolidWorks软件导入损伤骨盆骨肌组织三维数字化模型，其文件拓展名为*.x_t；新建一根骨针的三维模型，完成损伤骨盆骨肌组织、骨针的三维模型的创建，其中损伤骨盆的坐标系为O
xyz
。3.根据权利要求1所述的一种一次性创建多个骨盆上骨针分布优化有限元模型的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下4个要点：要点1：Python语言编程计算骨针在骨盆上的空间位姿向量，并保存在CSV文件中；针对需要置入损伤骨盆的两根骨针，根据损伤骨盆的骨折类型、临床经验确定第1根骨针的空间位姿，第2根骨针的空间位姿，具体计算如下：设第2根骨针的针尖点、针尾点分别为P(P
x
,P
y
,P
z
)、Q(Q
x
,Q
y
,Q
z
)，其中P
x
,P
y
,P
z
,Q
x
,Q
y
,Q
z
分别为这两点在骨盆坐标系O
xyz
中的三个坐标分量，则骨针的空间位置和姿态由这两个点唯一确定；设骨针针尖点坐标P
x
,P
y
,P
z
在骨盆坐标系O
xyz
中沿x,y,z三个方向的变化区间为P
x
∈[P
x0
,P
xn
]，P
y
∈[P
y0
,P
yn
]，P
z
∈[P
z0
,P
zn
]，骨针针尖点的坐标P
x
,P
y
,P
z
在区间内均分确定，即第k组骨针位姿的针尖点坐标为其中k＝(1,2,
…
,n)为第k组骨针针尖点坐标，n为骨针针尖的总个数；设骨针针尾点的坐标Q
x
,Q

【专利技术属性】
技术研发人员：雷静桃，魏益民，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：