计算机仿真技术软件在人工膝关节假体设计研究的应用

doi:10.3877/ cma.j.issn.1674-134X.2025.02.012

基于计算机仿真技术在人工膝关节假体研究中应用，回顾并介绍人工膝关节假体研究中使用的计算机软件，并对其应用前景进行了展望。文中将重点介绍人工膝关节假体研究的各个步骤中使用的计算机软件，介绍每款软件的功能、特点及应用，从而对计算机软件有初步的了解。文中通过对计算机软件在人工膝关节假体研究中的应用进行回顾和展望，以期为人工膝关节假体的计算机仿真研究提供更加精确和智能的计算机软件。

关键词: 膝关节, 假体与植入物, 计算机模拟, 计算机辅助设计, 有限元分析

Based on the application of computer simulation technology in the research of artificial knee joint prostheses, this article reviews and introduces the computer software used in the research of artificial knee joint prostheses, and looks forward to its application prospects. The article will focus on introducing the computer software used in each step of the research on artificial knee joint prostheses, introducing the functions,characteristics, and applications of each software, in order to have a preliminary understanding of computer software.This article reviewed and looked forward to the application of computer software in the research of artificial knee joint prostheses, in order to provide more accurate and intelligent computer software for the computer simulation research of artificial knee joint prostheses.

Key words: Knee, Prostheses and implants, Computer simulation, Computer aided design, Finite element analysis

表1 人工膝关节研究中常用的计算机软件一览表

Table 1 Widely used computer software in artificial knee joint research

软件名称	制造商	软件功能	适用场景	特点	人工膝关节假体设计中的应用
图像处理软件
Mimics	比利时materialise公司	3D图像生成与编辑处理功能软件，用于医学图像的可视化和分割	医学诊断、手术规划、假体定制、计算机辅助设计等方面	图像处理功能强大，无需数据的预处理；2. 操作简便，有自动分割功能，便于掌握；3. 图像处理效率快，质量高；4. 具有面网格和材料赋值功能	分割模块和有限元分析模块行自然膝关节的三维几何重建和有限元前的面网格化
Simpleware	英国Simpleware公司	医学图像三维处理软件和有限元处理软件	生物力学分析、骨科模型重建、生命科学等	1. 强大的图像处理功能；2. 独特的网格划分功能，可直接导入有限元分析（下同）;	人工膝关节三维模型的构建；
Geomagic studio	美国Geomagi公司	专业逆向工程软件,将三维扫描数据转化为高精度曲面、多边形以及通用的CAD模型	三维模型的表面光滑处理、网格划分等	1. 逆向建模与优化；2. 降低误差和提高精度；3. 软件兼容性强；4. 可进行可视化分析、模拟与验证	1. 三维模型的表面光滑处理、网格划分
					2. 膝关节假体三维模型的重建
Rapidform	韩国INUS公司	兼顾3D扫描数据处理和基于CT资料进行实体建模逆向工程软件	模具设计制造相关领域	1. 高效的数据处理；2. 强大的曲面建模能力；3. 智能检测功能；
工程设计软件
UG	美国Siemens PLM Software公司	具备三维重建、仿真及有限元分析功能的全能型软件	航天、机械制造、电子、医学生物力学、手术导航、3D打印等	1. 软件功能高度集成，能够实现从产品开发、设计、组装、加工及分析的无缝连接；2. 参数化设计，提高设计的灵活性和效率；3. 曲面设计功能突出，适用于膝关节等复杂曲面结构；4. 具有良好的用户界面和交互式操作；	人工膝关节假体的装配
Solidworks	美国SolidWorks公司	CAD/CAE/CAM一体的计算机辅助软件	范围广泛，如机械工程、汽车工程、电器工程、建筑工程	1. 易用性，操作简单；2. 参数化设计功能。通过修改参数可早期发现并解决潜在的设计问题；3. 强大的装配功能和协同性；4. 高度集成性。集设计、分析和制造于一体；	人工膝关节假体构型设计、手术模拟、假体装配、模型实体化
Pro/E	美国Parametric Technology Corporation公司	集模具和产品设计一体的CAD/CAM/CAE软件	航空航天、医疗设备、工业设备等	1. 全相关性；某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档2. 基于特征的参数化造型；3. 易于使用；
有限元分析软件
Abaqus	法国Dassault Système 公司	工程模拟有限元软件	广泛应用于各类工业和科学研究	1. 强大的分析功能，尤其能够处理高度复杂的非线性问题；2. 具有丰富的材料型库，能够准确模拟各种材料的力学行为；3. 灵活的接触和连接定；4. 高效的求解器；5. 较强的开放性和良好的用户界面；	对人工膝关节的研究因素进行参数化分析，并进行临床效果预测、假体验证和优化等
Ansys	英国Synopsys公司	集结构、热、流体电磁和声学为一体的大型通用CAE分析软件	广泛应用于航天、制造业、生物工程等	1. 强大的仿真分析能力；2. 灵活的建模和网格划分功能；3. 精确的求解器；4. 易用性；5. 开放性和可扩展性
Hypermesh	美国Altair公司	有限元前后处理的高性能软件	广泛应用于有限元相关的科研领域	1. 高效高质量的网格划分和优化功能；2. 可扩展性；3. 可视化功能；	三维模型进行有限元分析前的网格化
骨肌多体动力学软件
Anybody	丹麦AnyBody Technology公司	专注于人机工程学和生物力学领域的生物力学分析工具	生物力学建模、运动分析以及产品优化等领域	1. 丰富的人体形态数据库；2. 高模拟精度；3. 参数可调；4. 强大的分析功能和易于使用；
LifeMod	美国MSC公司	专门用于人体运动和动力学分析的仿真软件	医疗器械、体育示教、康复与医学工程等领域	1. 建模功能强大，建立任何生物系统的生物力学模型；2. 人机交互研究；3. 通过正向和反向动力学计算，了解人体运动规律和力学特性；	通过步态分析，获得假体的在体力学和运动学数据，构建个体化力学加载数据运行有限元模型
OpenSim	美国Stanford University	基于C++和JAVA语言为基础开发的一款应用于肌肉模型开发、模拟仿真与分析的开源软件	康复医学、运动医学、医疗器械设计、医学工程学与生物力学等领域	1. 仿真动作和神经肌肉控制精细，可视化良好；2. 软件具有开源性，花费较少；3. 软件具有自定义功能，可以构建个体化肌骨模型

表1 人工膝关节研究中常用的计算机软件一览表

Table 1 Widely used computer software in artificial knee joint research

软件名称	制造商	软件功能	适用场景	特点	人工膝关节假体设计中的应用
图像处理软件
Mimics	比利时materialise公司	3D图像生成与编辑处理功能软件，用于医学图像的可视化和分割	医学诊断、手术规划、假体定制、计算机辅助设计等方面	图像处理功能强大，无需数据的预处理；2. 操作简便，有自动分割功能，便于掌握；3. 图像处理效率快，质量高；4. 具有面网格和材料赋值功能	分割模块和有限元分析模块行自然膝关节的三维几何重建和有限元前的面网格化
Simpleware	英国Simpleware公司	医学图像三维处理软件和有限元处理软件	生物力学分析、骨科模型重建、生命科学等	1. 强大的图像处理功能；2. 独特的网格划分功能，可直接导入有限元分析（下同）;	人工膝关节三维模型的构建；
Geomagic studio	美国Geomagi公司	专业逆向工程软件,将三维扫描数据转化为高精度曲面、多边形以及通用的CAD模型	三维模型的表面光滑处理、网格划分等	1. 逆向建模与优化；2. 降低误差和提高精度；3. 软件兼容性强；4. 可进行可视化分析、模拟与验证	1. 三维模型的表面光滑处理、网格划分
					2. 膝关节假体三维模型的重建
Rapidform	韩国INUS公司	兼顾3D扫描数据处理和基于CT资料进行实体建模逆向工程软件	模具设计制造相关领域	1. 高效的数据处理；2. 强大的曲面建模能力；3. 智能检测功能；
工程设计软件
UG	美国Siemens PLM Software公司	具备三维重建、仿真及有限元分析功能的全能型软件	航天、机械制造、电子、医学生物力学、手术导航、3D打印等	1. 软件功能高度集成，能够实现从产品开发、设计、组装、加工及分析的无缝连接；2. 参数化设计，提高设计的灵活性和效率；3. 曲面设计功能突出，适用于膝关节等复杂曲面结构；4. 具有良好的用户界面和交互式操作；	人工膝关节假体的装配
Solidworks	美国SolidWorks公司	CAD/CAE/CAM一体的计算机辅助软件	范围广泛，如机械工程、汽车工程、电器工程、建筑工程	1. 易用性，操作简单；2. 参数化设计功能。通过修改参数可早期发现并解决潜在的设计问题；3. 强大的装配功能和协同性；4. 高度集成性。集设计、分析和制造于一体；	人工膝关节假体构型设计、手术模拟、假体装配、模型实体化
Pro/E	美国Parametric Technology Corporation公司	集模具和产品设计一体的CAD/CAM/CAE软件	航空航天、医疗设备、工业设备等	1. 全相关性；某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档2. 基于特征的参数化造型；3. 易于使用；
有限元分析软件
Abaqus	法国Dassault Système 公司	工程模拟有限元软件	广泛应用于各类工业和科学研究	1. 强大的分析功能，尤其能够处理高度复杂的非线性问题；2. 具有丰富的材料型库，能够准确模拟各种材料的力学行为；3. 灵活的接触和连接定；4. 高效的求解器；5. 较强的开放性和良好的用户界面；	对人工膝关节的研究因素进行参数化分析，并进行临床效果预测、假体验证和优化等
Ansys	英国Synopsys公司	集结构、热、流体电磁和声学为一体的大型通用CAE分析软件	广泛应用于航天、制造业、生物工程等	1. 强大的仿真分析能力；2. 灵活的建模和网格划分功能；3. 精确的求解器；4. 易用性；5. 开放性和可扩展性
Hypermesh	美国Altair公司	有限元前后处理的高性能软件	广泛应用于有限元相关的科研领域	1. 高效高质量的网格划分和优化功能；2. 可扩展性；3. 可视化功能；	三维模型进行有限元分析前的网格化
骨肌多体动力学软件
Anybody	丹麦AnyBody Technology公司	专注于人机工程学和生物力学领域的生物力学分析工具	生物力学建模、运动分析以及产品优化等领域	1. 丰富的人体形态数据库；2. 高模拟精度；3. 参数可调；4. 强大的分析功能和易于使用；
LifeMod	美国MSC公司	专门用于人体运动和动力学分析的仿真软件	医疗器械、体育示教、康复与医学工程等领域	1. 建模功能强大，建立任何生物系统的生物力学模型；2. 人机交互研究；3. 通过正向和反向动力学计算，了解人体运动规律和力学特性；	通过步态分析，获得假体的在体力学和运动学数据，构建个体化力学加载数据运行有限元模型
OpenSim	美国Stanford University	基于C++和JAVA语言为基础开发的一款应用于肌肉模型开发、模拟仿真与分析的开源软件	康复医学、运动医学、医疗器械设计、医学工程学与生物力学等领域	1. 仿真动作和神经肌肉控制精细，可视化良好；2. 软件具有开源性，花费较少；3. 软件具有自定义功能，可以构建个体化肌骨模型

图1 人工膝关节假体计算机生物力学分析流程图

Figure 1 Flow chart of computer biomechanical analysis of artificial knee joint prosthesis

图2 人工膝关节假体研究中常用的图像处理软件横轴代表软件名称

Figure 2 Commonly used image processing software in the research of artificial knee joint prosthesis

图3 Mimics21.0软件构建股骨三维模型流程图。图A为DICOM格式的CT影像资料；图B示阈值分割；图C示区域增长；图D示空腔填充；图E为三维模型；图F示三维模型面网格化

Figure 3 Flow chartof constructing a three-dimensional model of the femur using Mimics 21.0 software. A is CT image data in DICOM format; B shows threshold segmentation; C shows region growing; D shows cavity filling; E is three-dimensional model; F shows surface meshing of the three-dimensional model

图4 Geomagic studio12.0软件逆向构建膝关节假体三维模型流程图。图A为膝关节假体实物；图B为激光扫描获得股骨假体点云数据；图C示对点云数据降噪、过滤、封装；图D为光滑优化处理获得多边形；图E示形状调整、曲面拟合；图F为获得具有实物特性的股骨假体三维模型

Figure 4 Flow chart of reverse engineering to construct a three-dimensional model of the knee joint prosthesis using Geomagic Studio 12.0 software. A is the physical knee joint prosthesis; B is point cloud data of the femoral prosthesis obtained through laser scanning; C shows noise reduction, filtering, and encapsulation of the point cloud data; D is polygons obtained through smooth optimization processing;E shows shape adjustment and surface fitting; F is three-dimensional model of the femoral prosthesis with the characteristics of the physical object

图5 人工膝关节假体研究中应用的工程设计软件

Figure 5 Engineering design software applied in the research of artificial knee joint prostheses

图6 有限元分析在人工膝关节假体产品研究中作用的流程图

Figure 6 Flow chart of the role of finite element analysis in the research of artificial knee joint prosthesis

图7 人工膝关节假体研究中常用的有限元软件

Figure 7 Commonly used finite element software in the research of artificial knee joint prostheses

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