一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统技术方案

一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统，设计生物医学工程领域。本发明专利技术用来预测骨折愈合的复杂过程，探寻最佳的骨折愈合方案。所述系统包括骨折区域几何建模模块、骨折区域生物力学有限元分析模块、骨痂单元组织分化模块和程序终止判断模块。骨折区域几何建模模块用于建立骨折区域三维几何模型；骨折区域生物力学有限元建模模块用于对建立的三维几何模型进行有限元分析，得到单元力学刺激；单元组织分化模块用于仿真组织分化，使单元内各组织含量得到更新；程序终止判断模块用于判断程序是否终止。本发明专利技术将骨折区域看作双相多孔弹性模型，能够更加准确的模拟骨折愈合过程，为探寻最佳的骨折愈合方案提供有益帮助。

A long bone fracture healing simulation system based on tissue differentiation

A long bone fracture healing simulation system based on tissue differentiation and design in the field of biomedical engineering. The present invention is used to predict the complex process of fracture healing and to search for an optimal fracture healing scheme. The system comprises a fracture region geometric modeling module, a fracture region biomechanical finite element analysis module, a callus cell unit, a tissue differentiation module and a program termination judgment module. The fracture zone geometric modeling module is used to establish the three-dimensional geometric model of fracture zone; fracture biomechanical finite element modeling module area for finite element analysis of three-dimensional geometric model, get the mechanical stimulation unit; unit module is used for simulation of tissue differentiation and tissue differentiation, the content organization unit has been updated; program termination judgment module is used for judging whether the program terminates. The present invention regards the fracture region as a biphasic poroelastic model, which can more accurately simulate the fracture healing process and provide a useful aid for searching for an optimal fracture healing scheme.

【技术实现步骤摘要】
一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统
本专利技术涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统。
技术介绍
骨折是一种常见的创伤，骨折的高发性使得对骨折机理及促进愈合的研究尤为迫切，一旦骨折发生，与其它组织损伤修复不同的是，骨折不是靠纤维结缔组织连接，而是骨组织的完全再生。然而，并不是所有的骨折都可以完成愈合，有时会发生延迟愈合甚至是不愈合。骨折延迟愈合或者不愈合会引起患肢疼痛，功能障碍，导致患者失业，由此造成很大的社会经济负担。因此，尽管关于骨折愈合的研究一直备受关注，但仍有5％～10％的骨折因各种原因发生延迟愈合甚至是不愈合。骨折愈合受到特定的几何因素、力学因素、生物学因素影响，良好的几何因素、力学因素、生物学因素得到良好愈合效果。反之则会导致骨折的延迟愈合甚至是不愈合。目前缺少能够精确表达骨折愈合这一复杂过程的计算机仿真系统。在骨折愈合仿真系统中存在以下缺陷：1.没有建立专门针对患者的个体化模型；2.力学因素与骨折愈合过程没有一个确定性关系；3.骨折愈合区域的模型和生物力学材料设置过于简化；4.没有在同一个仿真系统中综合考虑力学因素和生物学因素对骨折愈合的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有的骨折愈合仿真中不能综合模拟力学因素和生物学因素对骨折愈合过程的影响，骨折愈合生物力学模型材料设置过于简化的缺点，而提出的一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统，其特征在于，所述系统包括：骨折区域几何建模模块、骨折区域生物力学有限元分析模块、骨痂单元组织分化模块和程序终止判断模块；骨折区域几何建模模块用于根据导入的二维断层扫描图像数据，经过图像预处理后进行骨折部位的三维表面几何模型的建立；骨折区域生物力学有限元分析模块用于对建立好的骨折区域模型进行网格划分，施加外部载荷和设置边界条件；骨折区域生物力学有限元分析模块还用于初始骨折区域环境的设置；骨折区域生物力学有限元分析模块还用于计算单元力学刺激；骨痂单元组织分化模块用于对单元内组织分化进行仿真，使单元内各组织含量得到更新，从而使单元材料属性得到更新，从而得到下一迭代步中所需要的单元力学刺激；程序终止判断模块用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，程序进行下一迭代步；若满足程序终止条件，则程序结束并输出愈合时间。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术提出的一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统是基于windows开发语言平台来开发软件，通过自主编程实现骨折愈合过程的动态模拟，基于对话框的形式，易于操作，培训周期短；2.将骨折区域设置为双相多孔弹性模型，相比单相模型，更加符合骨折愈合区域的生物特性，使仿真结果更加精确；3.将血供作为变量引入骨折愈合仿真系统中，能够更加准确的模拟骨折愈合的过程以及血液对骨折愈合的影响；4.利用模糊逻辑的方法对组织分化进行仿真，相较于传统的采用偏微分方程组进行建模的方法，更加便于理解。减少了在建模过程中偏微分方程组的数量，便于建模且减少了仿真时间；5.通过构建骨折愈合仿真系统，可以对医生制定最优的手术方案提供指导，进而提高手术成功率、提高骨折愈质量，减少骨折不愈合和延迟愈合的情况；6.通过构建骨折愈合仿真系统，可以对建立的仿真模型进行多次重复实验研究，减少真实的生物实验，节省时间，提高效率，节省费用，避免人道主义的争议。综上，本专利技术的仿真平台克服了现有技术的缺点与不足。附图说明图1为基于组织分化的骨折愈合仿真系统流程图；图2为骨折区域几何模型建立流程图；图3为骨折区域生物力学有限元分析流程图；图4为骨痂单元组织分化模糊控制示意图；图5为组织分化与骨痂单元力学刺激之间的关系示意图；图6为骨痂单元力学刺激隶属度函数；图7为软骨组织含量隶属度函数；图8为骨组织含量隶属函数；图9为血供隶属度函数。具体实施方式具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统包括：骨折区域几何建模模块1、骨折区域生物力学有限元分析模块2、骨痂单元组织分化模块3、程序终止判断模块4；骨折区域几何建模模块1用于根据导入的二维断层扫描图像数据，经过图像预处理后进行骨折部位的三维表面几何模型的建立；骨折区域生物力学有限元分析模块2用于对建立好的骨折区域模型进行网格划分，施加外部载荷和设置边界条件；骨折区域生物力学有限元分析模块2还用于初始骨折区域环境的设置；骨折区域生物力学有限元分析模块2还用于计算单元力学刺激；骨痂单元组织分化模块3用于对单元内组织分化进行仿真，使单元内各组织含量得到更新，从而使单元材料属性得到更新，从而得到下一迭代步中所需要的单元力学刺激；程序终止判断模块4用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，程序进行下一迭代步；若满足程序终止条件，则程序结束并输出愈合时间。具体实施方式二：如图1～9所示，本实施方式中，所述的骨折区域几何建模模块1实现其功能的具体过程为：采用基于分割的三维医学影像表面重建算法对图像进行三维表面重构，通过阈值筛选、交互式分割和三维重建过程得到三维表面几何模型；所述的影像由影像设备CT得到，数据存储格式为DICOM。其他组成及连接与具体实施方式一相同。具体实施方式三：如图1～9所示，本实施方式中，所述的骨折区域生物力学有限元分析模块2实现其功能的具体过程为：1)将骨折区域三维表面几何模型进行网格化分，使连续的几何模型离散化，得到骨折区域有限元模型；所述的网格划分包括面网格划分和体网格划分两个步骤；面网格划分过程用于将三维表面模型进行优化，包括：表面模型优化，平滑处理，修补漏洞；表面模型的优化通过减小表面模型的三角面片来实现，该过程只需将相邻的两个顶点合并到一个新的顶点上，并延续原有的拓扑关系；平滑处理的过程中，对三维的面网格模型进行去噪；修补漏洞的过程中，通过将模型当中的空洞提取成空间多边形，然后对空洞多边形进行三角化的方法实现；体网格划分的过程是将面网格模型进行拉伸、旋转步骤来实现的；通过网格划分得到的骨折区域有限元模型包括单元编号和节点坐标两部分；节点坐标包含三列数据，三列数据分别代表每个节点的空间坐标值；单元编号包含四列数据，四列数据分别为每个单元的四个节点的节点序号。2)在有限元模型上施加外加载荷，并设置边界条件。载荷的大小由骨所承受的力的大小决定，实验对象不同，所受的力也不同；3)对骨折区域有限元模型进行骨折区域初始环境设置。骨折区域由皮质骨和骨痂区域两部分组成。初始骨折区域环境设置包括皮质骨材料属性赋值，皮质骨血供赋值，初始骨痂材料属性赋值，初始骨痂区域血供赋值；骨折之后，骨折断端处的皮质骨收到损害，血供也遭到破坏，所以将距离骨折断端5mm内的皮质骨血供设置为0％，其余部分皮质骨结构完整，血供条件良好，所以将其余部分的皮质骨血供设置为100％；骨痂外周区域可以接受其周围组织提供的血供，所以将骨痂外周3mm内血供设置为30％，骨痂内部血供设置为0％。4)将骨折区域看作双相多孔弹性模型，由多孔弹性理论得到骨痂单元的本构方程，平衡方程和几何方程，并通过有限单元法计算骨痂单元应力刺激S，具体过程为：a.本构方程式中，σrr，σθθ，σzz为正应力，τrθ，τθz，τrz为剪应力；εrr，ε本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统，其特征在于，所述系统包括：骨折区域几何建模模块(1)、骨折区域生物力学有限元分析模块(2)、骨痂单元组织分化模块(3)和程序终止判断模块(4)；骨折区域几何建模模块(1)用于根据导入的二维断层扫描图像数据，经过图像预处理后进行骨折部位的三维表面几何模型的建立；骨折区域生物力学有限元分析模块(2)用于对建立好的骨折区域模型进行网格划分，施加外部载荷和设置边界条件；骨折区域生物力学有限元分析模块(2)还用于初始骨折区域环境的设置；骨折区域生物力学有限元分析模块(2)还用于计算单元力学刺激；骨痂单元组织分化模块(3)用于对单元内组织分化进行仿真，使单元内各组织含量得到更新，从而使单元材料属性得到更新，进而得到下一迭代步中所需要的单元力学刺激；程序终止判断模块(4)用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，程序进行下一迭代步；若满足程序终止条件，则程序结束并输出愈合时间。

【技术特征摘要】
1.一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统，其特征在于，所述系统包括：骨折区域几何建模模块(1)、骨折区域生物力学有限元分析模块(2)、骨痂单元组织分化模块(3)和程序终止判断模块(4)；骨折区域几何建模模块(1)用于根据导入的二维断层扫描图像数据，经过图像预处理后进行骨折部位的三维表面几何模型的建立；骨折区域生物力学有限元分析模块(2)用于对建立好的骨折区域模型进行网格划分，施加外部载荷和设置边界条件；骨折区域生物力学有限元分析模块(2)还用于初始骨折区域环境的设置；骨折区域生物力学有限元分析模块(2)还用于计算单元力学刺激；骨痂单元组织分化模块(3)用于对单元内组织分化进行仿真，使单元内各组织含量得到更新，从而使单元材料属性得到更新，进而得到下一迭代步中所需要的单元力学刺激；程序终止判断模块(4)用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，程序进行下一迭代步；若满足程序终止条件，则程序结束并输出愈合时间。2.根据权利要求书1所述的一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统，其特征在于：所述的骨折区域几何建模模块(1)实现其功能的具体过程为：采用基于分割的三维医学影像表面重建算法对图像进行三维表面重构，通过阈值筛选、交互式分割和三维重建过程得到三维表面几何模型；所述的影像由影像设备CT得到，数据存储格式为DICOM。3.根据权利要求书1所述的一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统，其特征在于：所述的骨折区域生物力学有限元分析模块(2)实现其功能的具体过程为：1)将骨折区域三维表面几何模型进行网格化分，使连续的几何模型离散化，得到骨折区域有限元模型；所述的网格划分包括面网格划分和体网格划分两个步骤；面网格划分过程用于将三维表面模型进行优化，包括：表面模型优化，平滑处理，修补漏洞；表面模型的优化通过减小表面模型的三角面片来实现，该过程只需将相邻的两个顶点合并到一个新的顶点上，并延续原有的拓扑关系；平滑处理的过程中，对三维的面网格模型进行去噪；修补漏洞的过程中，通过将模型当中的空洞提取成空间多边形，然后对空洞多边形进行三角化的方法实现；体网格划分的过程是将面网格模型进行拉伸、旋转步骤来实现的；通过网格划分得到的骨折区域有限元模型包括单元编号和节点坐标两部分；节点坐标包含三列数据，三列数据分别代表每个节点的空间坐标值；单元编号包含四列数据，四列数据分别为每个单元的四个节点的节点序号；2)在有限元模型上施加外加载荷，并设置边界条件。载荷的大小由骨所承受的力的大小决定，实验对象不同，所受的力也不同；3)对骨折区域有限元模型进行骨折区域初始环境设置。骨折区域由皮质骨和骨痂区域两部分组成。初始骨折区域环境设置包括皮质骨材料属性赋值，皮质骨血供赋值，初始骨痂材料属性赋值，初始骨痂区域血供赋值；距离骨折断端5mm内的皮质骨血供设置为0％，其余部分皮质骨血供设置为100％；骨痂外周3mm内血供设置为30％，骨痂内部血供设置为0％；4)将骨折区域看作双相多孔弹性模型，由多孔弹性理论得到骨痂单元的本构方程，平衡方程和几何方程，并通过有限单元法计算骨痂单元应力刺激S，具体过程为：a.本构方程式中，σrr，σθθ，σzz为正应力，τrθ，τθz，τrz为剪应力；εrr，εθθ，εzz为正应变，γrθ，γθz，γrz为主应变；α，α'分别为各向同性弹性面的Biot系数和轴向Biot系数；p为骨痂单元中的流体压力；M11，M12，M13，M33，M44，M55分别为脱水的弹性模量矩阵分量；其中，M11，M12，M13，M33，M44，M55脱水的弹性模量矩阵分量表达式如下所示：M44＝Er/2(1+νr)(6)M55＝G'(7)式中，Er，νr分别是各同性弹性层的弹性模量和泊松比；Ez，νz分别是轴向弹性模量和泊松比；G'为剪切模量；b.平衡方程式中，σrr，σθθ，σzz为正应力，τrθ，τθz，τrz为剪应力；r为径向半径；c.几何方程式中，εrr，εθθ，εzz为正应变，γrθ，γθz，γrz为主应变；ur，uθ，uz分别为三个方向上的位移；r为径向半径；通过上述方程的求解得到骨痂单元的正应变σrr，σθθ，σzz，由正应变可得到骨痂单元受到的畸变应变：式中，D为骨痂单元受到的畸变应变；σrr，σθθ，σzz分别为各个方向上的正应变；骨痂单元中液体的流速V为：其中，k为骨痂中液体的达西渗透系数；u液体粘度；p为液体压力；由此可得到骨痂单元所受的力学刺激S为：其中，D为骨痂单元受到的畸变应变；V为骨痂单元中液体流速；a，b分别为经验常数。4.根据权利要求书1所述的一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统，其特征在于：所述的骨痂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王沫楠，杨宁，王新宇，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23