[发明专利]一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统

说明书

一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统，涉及生物医学工程领域。本发明用来预测骨折愈合的复杂过程，探寻骨折愈合中尚无法确定的机理。所述系统包括骨折愈合仿真子系统、输入模块和显示模块；其中所述骨折愈合仿真子系统(1)包括：几何建模模块、网格划分模块、环境初始化模块、生物力学计算模块和生物学环境模块。生物学环境模块用于在骨折愈合过程中，构建骨痂处的生化环境，完成骨痂内的组织分化过程。本发明将血液供给作为动态变量引入到骨折愈合仿真系统中，能够更加准确的模拟骨折愈合过程。本发明可以无限多次重复进行实验模拟，从而对找到最佳的断端微动值和血液对骨折愈合的影响提供有益帮助。

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统。

背景技术

肌骨系统在人体中起到重要的作用，其主要功能包括：运动功能、保护功能、支持功能、造血功能、贮存功能。在我国危害人民健康的常见疾患统计资料中，创伤由建国初期的第9位，近年随着工业和交通事业的发展，已上升为第4位。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。骨组织再生是一个极其复杂的生物学修复过程，受到多种因素的影响，这些影响因素大致可分为生物学因素和生物力学因素。骨折治愈的先决条件是其具有良好的生物学反应能力，因此需要在骨折部位形成一个良好的生物学和力学环境。

骨折愈合期间，力学影响骨折修复的重要性已经受到重视。骨折愈合的生物力学因素基于wolff定律，即通过骨组织的增加或减少以适应施加在骨组织上的应力，也就是说，在一定范围内，需增加承载时可有骨形成，不需要或减少承载时有骨吸收。同时，在应力的作用下骨折端会微动，Goodship等、Kenwright等分别通过动物实验和临床研究证实，在外固定架固定下，可控制的微动与坚强固定相比，促进了骨折愈合。除了生物力学因素影响骨折愈合外，生物学因素对于骨折愈合也起着至关重要的作用。Carano、Filvaroff等人发现了在骨折愈合局部和周围组织中的生长因子对软骨生成，骨的生成，以及血管的生成具有重要作用。另外，血管的生成及血运重建也是骨折愈合过程中的重要因素。

尽管关于骨折愈合的研究一直在进行，但仍有许多缺点与不足：

1.骨折愈合过程极其复杂且不能直接观察；

2.能够促进骨折愈合的最佳的微动状态如微动的大小尚未清楚；

3.血液对骨折愈合的影响机理尚未清楚；

4.临床试验多为活体实验，所以实验次数和实验物种会受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统，用来预测骨折愈合的复杂过程，探寻骨折愈合中尚无法确定的机理。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统，其特征为骨折愈合仿真子系统软件、输入设备和显示设备；

其中所述的骨折愈合仿真子系统软件包括：

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处骨痂的三维表面模型的建立；

网格划分模块：用于三维表面模型的面网格划分；并用于将面网格模型生成体网格模型，实现连续的三维几何模型的离散化，保证能够进行后续的有限元计算；

环境初始化模块：用于对建立好的骨痂三维有限元模型进行参数设置，包括生物力学环境初始化设置和生物学环境初始化设置。

生物力学计算模块：用于计算在骨折愈合过程中断端微动的距离，并通过有限元分析，计算骨痂处内单元的应变刺激。另外还包括不同愈合阶段，骨痂单元材料属性的计算。