[发明专利]一种模拟骨折愈合过程的仿真系统

摘要

一种模拟骨折愈合过程的仿真系统，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，探寻最佳的骨折愈合方案。所述系统包括骨折区域分析模型建立模块，血运重建子系统，骨折愈合过程建模子系统和程序终止判断模块。骨折区域分析模型建立模块用于建立骨折区域几何模型和有限元模型；血运重建子系统用于从细胞内分子水平和细胞水平对血管再生过程进行建模；骨折愈合过程建模子系统用于从组织水平对骨折愈合过程进行建模；程序终止判断模块用于判断程序是否终止。本发明分别从细胞内分子水平、细胞水平和组织水平对骨折愈合过程进行建模，使骨折愈合过程建模更加完善，能过更加准确的模拟骨折愈合过程，为探寻最佳的骨折愈合治疗方案提供有益帮助。

主权项

1.一种模拟骨折愈合过程的仿真系统，其特征在于，所述系统包括：/n骨折区域分析模型建立模块(1)、血运重建子系统(2)、骨折愈合过程建模子系统(3)和程序终止判断模块(4)；/n其中，所述的骨折区域分析模型建立模块(1)用于建立骨折区域几何模型和有限元分析模型；/n所述的骨折区域分析模型建立模块(1)，实现其功能的具体过程为：/n1)骨折区域三维表面几何模型的建立/n采用基于分割的三维医学影像表面重建算法对图像进行表面重构，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；/n所述的影像由影像设备CT得到，数据存储格式为DICOM；/n2)骨折区域有限元分析模型的建立/n将骨折区域三维表面几何模型进行网格划分，使连续的几何模型离散化，得到骨折区域有限元分析模型；/n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几何模型进行优化，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少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，然后对空间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、旋转步骤实现的；/n通过网格划分得到的骨折区域有限元分析模型包括单元编号和节点坐标两部分；/n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；/n节点坐标包含三列数据，三列数据分别为每个节点的空间坐标值；/n其中，所述的血运重建子系统(2)包括：/n细胞内部分子生理活动建模模块，用于从细胞内分子层次中相关分子生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模；/n所述的相关分子包括血管生成细胞生长因子受体，Notch1蛋白，Dll4蛋白，激活的血管生成细胞生长因子受体，激活的Notch1蛋白，有效激活的血管生成细胞生长因子受体，有效激活的Notch1蛋白和肌动蛋白；/n细胞生理活动建模模块，用于从细胞层次中血管生成细胞生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模；/n其中，所述的骨折愈合过程建模子系统(3)包括：/n相关细胞浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞浓度随时间的变化关系；/n所述的相关细胞包括：间充质干细胞、成纤维细胞、软骨细胞和骨细胞；/n相关生长因子浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关生长因子浓度随时间的变化关系；/n所述的相关生长因子包括：软骨细胞生长因子、骨细胞生长因子和血管生成生长因子；/n相关细胞胞外基质浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系；/n所述的相关细胞胞外基质包括：成纤维细胞胞外基质、软骨细胞胞外基质和骨细胞胞外基质；/n采用耦合偏微分方程组的方法对上述相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系进行建模；/n其中，所述的程序终止判断模块(4)用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，则程序进行下一循环步；若满足终止条件，则程序结束，并记录骨折愈合时间，绘制相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化云图；/n所述的程序终止判断模块(4)，实现其功能的具体过程为：/n判断当前分析步中，骨折区域单元骨浓度是否达到最大值并保持不变，若不满足上述条件，则程序进入下一循环步；若满足上述条件，则程序终止，并记录骨折愈合时间，绘制间充质干细胞浓度、成纤维细胞浓度、软骨细胞浓度、骨细胞浓度、软骨细胞生长因子浓度、骨细胞生长因子浓度、血管生成细胞生长因子浓度、成纤维细胞胞外基质浓度、软骨细胞胞外基质浓度和骨细胞胞外基质浓度随时间的变化云图。/n