[发明专利]一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于组织分化的长骨骨折愈合仿真系统。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明的有益效果为：

1.本发明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，本发明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：