[发明专利]一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统

摘要

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。

主权项

1.一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统，其特征在于，所述系统包括：骨折愈合仿真子系统(1)、输入模块(2)和显示模块(3)；其中所述骨折愈合仿真子系统(1)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，从而得到骨痂三维有限元模型；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初始化设置，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；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；所述的骨折愈合仿真子系统(1)，实现其功能具体过程为：1)几何建模模块通过阈值筛选、交互式分割以及三维重建来实现骨痂的三维几何建模；通过阈值筛选的过程将患者的骨、肌肉、软骨、脂肪、皮肤组织分别进行初步的分割；通过交互式分割过程手动擦除和修补单张图片来提高图像分割的质量和速度；通过三维重建将在二维断层图像中分割出来的区域生成三维表面模型；2)网格划分模块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，该过程只需将相连的两个顶点合并到一个新顶点上,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；3)环境初始化模块所述骨痂由三种组织类型组成：结缔组织、软骨组织和骨组织；在骨折愈合初期，骨痂主要由结缔组织组成，所以骨痂材料属性为结缔组织的材料属性；在骨折愈合初期，骨痂处的血液供应有三部分组成：皮质骨内的血液供应为100％；由于骨折断端处组织受到严重损伤，所以骨折断端处的血液供应为0；除了骨折处自身的血液供应外，骨折周围的软组织也会向骨折处进行血液供应，将其设定为30％；环境初始化模块还用于外加载荷的设置及皮质骨材料属性的赋值；4)生物力学计算模块：主要包括骨折断端微动距离的计算、骨痂单元应变的计算和骨痂单元材料属性的计算；a.骨折断端微动的计算：骨折断端微动的计算包括当前骨痂硬度的计算和断端微动的计算；假设骨痂具有线性，各向同性的性质；所以有如下关系：FN＝kcalμcal，式中，FN为骨痂受到的载荷，kcal为当前骨痂硬度，μcal为骨痂移动距离；其中FN可由下式求得：FN＝σA式中，FN为骨痂受到的载荷，σ为骨痂应力，A为受力面积；骨痂应力计算公式为：σ＝Eε式中，σ为骨痂应力，E为骨痂弹性模量，ε为骨痂应变；其中△L为骨痂相对移动距离，L为骨折间距；通过上述公式的计算，即可求得骨痂硬度kcal；外加载荷、外部固定器和骨痂之间具有如下的关系：F(μ)＝Ffix(μ)+kcalμ式中，F为外加载荷，Ffix为固定器所承受的载荷，kcal为当前骨痂硬度，μ为断端微动距离；断端微动距离μ可由F(μ)的反函数μ(F)求得；b.骨痂单元应力的计算用体积应变和畸变应变来表示骨痂的单元应力，如下式所示：式中，ε0为体积应变，γ0为畸变应变；利用单元主应变ε1，ε2，ε3分别求得体积应变ε0和畸变应变γ0，关系式如下所示：其中，ε0为体积应变代表体积的改变；γ0为畸变应变代表形状的改变；c.骨痂单元材料属性的计算随着骨折愈合的进行，骨痂单元内的结缔组织、软骨组织和骨组织的浓度发生改变，从而使骨痂单元的材料属性发生变化，计算公式如下：式中，Eele为单元弹性模量；Econ为结缔组织弹性模量，ccon为结缔组织浓度；Ecart为软骨组织弹性模量，ccart为软骨组织浓度；Ebone为骨组织弹性模量，cbone为骨组织浓度；θele＝θconccon+θcartccart+θbonecbone式中，θele为单元泊松比；θcon为结缔组织泊松比，ccon为结缔组织浓度；θcart为软骨组织泊松比，ccart为软骨组织浓度；θbone为骨组织泊松比，cbone为骨组织浓度；由于骨痂是由结缔组织、软骨组织和骨组织的混合物组成，有下式：ccon+ccart+cbone＝1式中，ccon为结缔组织浓度，ccart为软骨组织浓度，cbone为骨组织浓度；联立上述公式即可求得骨痂单元材料属性；5)生物学环境模块通过模糊控制来实现骨痂内的组织分化过程：其中模糊控制是一个关于七个输入变量和三个输出变量的一种控制过程；七个输入变量分别为：单元内当前血供、软骨浓度和骨浓度，临近单元的血供和骨浓度以及当前单元的体积应变和畸变应变；三个输出变量分别为：当前单元血供变化、软骨浓度变化和骨浓度变化；所述的控制过程具体为：依据临床组织学得到不同阶段骨痂内的组织分布情况获得输入变量的隶属度函数和输出变量的隶属度函数，根据输入变量的隶属度函数可将输入变量模糊化；通过模糊规则以及输出变量的隶属度函数，再通过反模糊化即可得到更新后的血供、软骨组织和骨组织状态；由此可实现组织分化过程；其中所述的输入模块(2)包括：图像数据输入单元，用于读取患者的二维断层扫描图像数据；用户操作单元，用于用户与骨折愈合仿真系统软件之间的信息传递与处理，信息包括患者的个人基本信息和骨痂模型视图；其中，所述的显示模块(3)，用于观察骨折愈合情况，实现用户与系统之间的视觉交互。