(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211020611.3 (22)申请日 2022.08.24 (71)申请人 重庆熙科医疗科技有限公司 地址 400714 重庆市北碚区京东方大道326 号、 324号 申请人 湖南大学 (72)发明人 谢海琼　韦凯　曾景华　王森　 (74)专利代理 机构 重庆蕴博君晟知识产权代理 事务所(普通 合伙) 50223 专利代理师 王玉芝 (51)Int.Cl. G16H 50/50(2018.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/27(2020.01) G06N 3/04(2006.01)G06N 3/08(2006.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 119/04(2020.01) (54)发明名称 一种数据驱动 的人工肩关节假体疲劳寿命 预测方法 (57)摘要 本发明涉及人工智能技术领域， 具体涉及一 种数据驱动的人工肩关节假体疲劳寿命预测方 法， 包括编写假体的静力学有限元参数化分析程 序， 得到静强度分析结果； 搭建自动化仿真平台， 调用参数化 分析程序和疲劳性能计算软件， 对假 体进行疲劳寿命计算， 得到疲劳计算结果； 构建 神经网络模 型； 使用疲劳计算结果通过人工智能 机器学习算法对神经网络模型进行训练， 得到预 测模型； 将待预测参数输入预测模型进行预测， 得到预测结果， 本发明通过参数化分析与自动仿 真将有限元计算过程固化， 形成一套标准流程。 即使其他非专业人员， 只需修改少量参数即可完 成不同型号产品的计算， 解决了现有的疲劳性能 计算在有限元仿真时学习难度大的问题。 权利要求书1页 说明书6页 附图5页 CN 115394447 A 2022.11.25 CN 115394447 A 1.一种数据驱动的人工肩关节假体疲劳寿命预测方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 编写适用于不同型号参数假体的静力学参数化分析程序， 得到静强度有限元计算结 果； 基于所述静强度有限元计算结果对所述 假体进行疲劳性能计算， 得到疲劳计算结果； 构建神经网络模型； 使用所述疲劳计算结果通过人工智能机器学习算法对所述神经网络模型进行训练和 验证， 得到预测模型； 将待预测参数输入所述预测模型进行 预测， 得到预测结果。 2.如权利要求1所述的数据驱动的人工肩关节假体疲劳寿命预测方法， 其特 征在于， 所述编写适用于不同型号参数假体的静力学参数化分析程序， 得到静强度有限元计算 结果的具体方式为： 建立参数化三维模型； 编程对假体的材 料属性、 分析类型、 部件相互作用和边界条件， 完成参数化分析程序； 运行所述参数化分析程序计算得到静强度有限元计算结果。 3.如权利要求2所述的数据驱动的人工肩关节假体疲劳寿命预测方法， 其特 征在于， 所述基于所述静强度有限元计算结果对所述假体进行疲劳性能计算， 得到疲劳计算结 果的具体方式为： 通过拉丁超立方抽样对所述分析参数进行矩阵抽取， 得到抽样矩阵； 对所述抽取矩阵的每一行进行参数样本分析， 得到样本分析 结果； 对所述样本分析 结果进行静强度分析， 得到静强度分析 结果； 使用疲劳算法对所述静强度分析 结果进行疲劳 分析， 得到疲劳计算结果。 4.如权利要求3所述的数据驱动的人工肩关节假体疲劳寿命预测方法， 其特 征在于， 所述神经网络模型包括1个输入层、 1个隐层和输出层， 并使用激活函数为所述输出层 的输出添加非线性。 5.如权利要求 4所述的数据驱动的人工肩关节假体疲劳寿命预测方法， 其特 征在于， 所述使用所述疲劳计算结果通过人工智能机器学习算法对所述神经网络模型进行训 练和验证， 得到预测模型的具体方式为： 将所述计算结果 导出为矩阵形式， 得到 输入矩阵； 设置所述神经网络模型的模型参数、 学习率和迭代次数后， 使用所述输入矩阵通过人 工智能机器学习算法对所述神经网络模型进行训练和验证， 得到预测模型。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115394447 A 2一种数据驱动的 人工肩关节假体疲劳寿命 预测方法 技术领域 [0001]本发明涉及人工智能技术领域， 尤其涉及 一种数据驱动的人工肩关节假体疲劳寿 命预测方法。 背景技术 [0002]骨骼是人体的重要组织， 是支持人体各项活动的基础， 而关节是连接骨骼的重要 结构。 我们在生活生产中， 做各种灵活、 精确的动作， 这些都离不开关节的协调。 如果关节系 统受到侵损， 使关节功能受损， 严重影响患者的正常生活和生产。 肩关节严重的伤病在临床 上很常见， 包括肱骨近端粉碎性骨折、 晚期肩关节炎、 肱骨头坏死、 缺损、 肩袖关节病等。 这 些疾病引起的肩关节疼痛和活动受 限， 给患者的生活带来影响。 目前临床上常规的治疗效 果不佳， 应运而生的办法便是人工关节置换， 人工关节置换术是通过手术用一个与原关节 功能近似的人工关节来替代受到侵损的生理关节， 使关节功能全部恢复或部分恢复。 肩关 节置换是一种有效手段， 对缓解肩关节疼痛、 改善关节 功能发挥着重要的作用。 [0003]由于肩关节是人体内活动范围最大、 结构最复杂的关节， 肩关节置换术较为复杂， 对假体的生物力学行为有特殊要求。 研究肩关节生物力学常用的方法有标本实验、 活体实 验、 理论方法和有限元方法， 实验方法可以测量结构间接触压力， 但是组织结构内部压力难 以测量。 标本实验的缺点是人体组织不易 获得， 需要进 行申报且对实验条件要求苛刻， 而活 体实验具有侵入性、 创伤性和一定的危险性， 且可能有伦理问题。 理论方法通过经典力学进 行研究， 将肩关节模型和简化为理想的机械关节， 估算动态运动过程中肌肉和关节的力量 大小。 随着计算机的发展， 有限元分析也被应用在生物力学 的研究中， 通过计算机计算， 可 同时获得 各组织结构内部应力分布、 形变数据， 且计算效率高。 [0004]现代肩关节假体临床疗效稳步提高， 目前肩关节假体已经形成了由肱骨头、 肱骨 柄和肩盂杯组成的模块化设计， 但是假体松动依然是肩关节置换术中一个重要的临床问 题， 其中最大原因是假体的疲劳破坏。 由于髋关节发展较早， 对髋关节人工假体的力学性能 测试或者有限元分析的研究也相对较多， 应用断裂力学方法估算了注塑制成的由短碳纤维 增强聚醚醚酮的一种尺寸的股骨柄假体的寿命。 外科植入物髋关节假体疲劳试验标准中定 义的负荷是否正确地模拟了体内发生的生理负荷。 通过实验和有限元分析结合的方式对三 种尺寸的人工股骨 柄进行了疲劳寿命的研究。 这些研究对人工肩关节假体的疲劳性能研究 具有重要意义。 肩关节假体疲劳性能研究指出了肱骨头和关节盂相互作用力的范围为人体 自身体重1.3 ‑2.4倍(930‑1720N)， 对应疲劳试验的加载力设定为930 ‑1720N。 同时研究认为 肩关节置换后患者上肢用力小于正常状态， 每天高强度的使用上肢大约为25次， 假设假体 正常使用约10年， 置换后患者高强度使用约1 ×105次。 根据肩关节假体疲劳性能测试标准、 髋关节假体疲劳性能测试标准， 制 定了人工肩关节假体的疲劳性能测试 的试验方案， 将疲 劳寿命提高为了2 ×105次， 并对国产的威高个 体化人工肩关节假体进行了疲劳试验。 [0005]值得注意的是， 上述都只采用实验的方式对假体 的疲劳性能进行离散 的研究， 并 没有对系列化参数组件组成的假体进行疲劳性能的研究， 并且大多研究者都是骨外科医说　明　书 1/6 页 3 CN 115394447 A 3