CN106557665A - 一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法 - Google Patents

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杨宁
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Abstract

本发明公开了一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，具体包括以下步骤：建立骨折部位的三维几何模型；将得到的三维几何模型进行网格划分，并建立骨和骨痂的有限元模型；设置骨痂内初始情况下的组织类型；将有限元模型进行仿真初始化设置；计算骨痂内的偏应变；采用扩散方程模拟血管生长；建立力生物学调节算法的骨折愈合仿真过程，本发明将偏应变力生物调节算法与血管动态生长情况结合可以准确的模拟出骨折愈合的动态过程。

Description

一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法
技术领域
本发明属于生物医学工程领域，具体涉及一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法。
背景技术
随着科学技术的发展及交通事业的不断进步，高能量损伤日益增多，骨折的发生率整逐年升高，伴随着骨折更加严重而复杂化，使治疗更加困难复杂。与此同时，术后骨折愈合时间长，随机性高，预见性差，进程难以把握等也是一项医学难题。随着生活水平的提高，人们对骨折治疗效果的要求也越来越高，医疗水平提高的问题急需解决。骨折这种高发性创伤，在美国这样科学技术发达的国家，每年也约有5300万骨折发生，发生概率达5％-10％，这使得骨折机理及促进愈合的研究尤为迫切。
骨折愈合过程是一个长期而复杂的生物学修复过程，随着数字医学和骨科生物力学及计算机科学的飞速发展，可以将计算机仿真科学应用到临床治疗中。骨折愈合计算机模拟可以根据患者自身条件来模拟骨折后的愈合情况，可以实现复杂骨折愈合过程的预测，进而方便医生为患者选择合适的治疗方式和康复方案，从而提高手术成功率、提高骨折愈合的质量。
目前骨折愈合仿真模型中有以下不足：
(1)目前的模型过于简化，只是研究了单一形状单一部位的骨折愈合过程，不能针对具体患者不同部位不同类型骨折愈合进行仿真。
(2)对固定器的选取有极大的限制，现有模型只是针对一种固定方式进行仿真，不能实现固定器的优选，进而阻碍了医生为患者提供更好的治疗方案。
(3)目前模型只是定性的描述了血管与骨折愈合的关系，而没能模拟出血管随着骨折愈合过程的增长情况以及新生的血管对骨折愈合的影响。
发明内容
本发明可以实现针对个体化患者具体的骨折部位、骨折类型进行仿真，从而为医生治疗提供促进患者愈合的最佳骨折固定方式以及最佳的治疗方案和康复方案；将力学情况与血管增长情况纳入模型，准确的模拟了骨折愈合这一动态过程。
一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，具体包括以下步骤：
(1)建立骨折部位的三维几何模型；
(2)将得到的几何模型进行网格划分，并建立骨和骨痂的有限元模型；
(3)设置骨痂内初始情况下的组织类型；
(4)对(3)中的有限元模型，进行仿真初始化设置；
(5)计算骨痂内的偏应变；
(6)进行血管生长情况的模拟；
(7)根据步骤(5)、步骤(6)建立力生物学调节算法的骨折愈合仿真过程。
其中，步骤(1)中骨折部位三维几何模型的建立过程如下：
1)通过医疗影像设备CT得到多张格式为DICOM的图像，
2)然后导入Mimics软件中进行三维重建，
3)将三维重建后的模型导入Geomagic软件中进行平滑处理以及实体化操作，得到骨折部位的三维几何模型。
其中，步骤(2)将得到的几何模型导入ANSYS进行网格划分，建立线弹性的骨及骨痂的有限元模型。
其中，步骤(3)组织类型设置为肉芽组织。
其中，步骤(4)中对有限元模型进行仿真初始设置包括外加载荷和边界条件的设置，根据已经选择的固定器，施加载荷。
其中，步骤(5)中骨痂内各单元偏应变的计算公式如下：
式中，εds为骨痂单元偏应变，ε1为单元内的第一主应变，ε2为单元内的第二主应变，ε3为单元内的第三主应变。
其中，步骤(6)中采用扩散方程来模拟骨折处血管的生长，计算公式如下：
式中，G为扩散常数，V代表血管密度与其最大血管密度的比值，g为描述血管生成和破坏的速率函数。
其中，步骤(7)中建立力生物学调节算法的骨折愈合仿真过程具体为：
通过公式(1)和公式(2)的迭代计算结果求解各迭代过程中组织的杨氏模量，计算公式如下：
Efinal＝(1-V)·Egranu+V·Eupdated (3)
式中，Efinal为各迭代过程组织最终的杨氏模量，Egranu为肉芽组织的杨氏模量，Eupdated为各迭代时间段更新的杨氏模量。Eupdated的计算如下：
式中，Ej为偏应变力调节算法中第j次迭代中一个单元的杨氏模量，i为当前迭代过程的序号，n为模数的平均数。
本发明的有益效果是：骨折愈合过程中组织分化不仅由力学条件刺激，血管生长的极大的影响了骨折愈合的过程，本发明提出了一种力生物学模型来调控这一复杂过程，将偏应变调节算法与血管生长情况结合，骨受到创伤后，通过扩散方程模拟出骨折断端不同区域血管的动态生长情况，与偏应变调节算法共同作用下，准确的模拟出骨痂内组织成分的更新，通过上述计算过程，独立的为每个所述单元分配和更新杨氏模量，通过迭代计算，完成整个骨折愈合的仿真过程。
附图说明
图1为基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法实施过程的流程图。
具体实施方式
一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其实施过程如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)建立骨折部位的三维几何模型；
1)通过医疗影像设备CT得到多张格式为DICOM的图像，
2)然后导入Mimics软件中进行三维重建，
3)将三维重建后的模型导入Geomagic软件中进行平滑处理以及实体化操作，得到骨折部位的三维几何模型。
(2)将得到的几何模型进行网格划分，并建立骨和骨痂的有限元模型；
将得到的几何模型导入ANSYS进行网格划分，建立线弹性的骨及骨痂的有限元模型。
ANSYS网格划分过程如下：
1)定义单元属性；
定义单元属性保留定义单元类型、定义实常数、定义材料参数；
2)网格划分控制；
3)生成网格。
(3)设置骨痂内初始情况下的组织类型；
设置骨痂内初始情况下的组织类型是将骨痂初始情况时设置为肉芽组织。骨折后的第一个时期是血肿机化演进期：骨折后，骨折断端髓腔内、骨膜下和周围软组织内出血形成血肿，并凝成血块，引起无菌性炎症，形成肉芽组织，为模拟完整的骨折愈合过程，故将骨痂初始组织成分设为肉芽组织。
(4)对(3)中的有限元模型，进行仿真初始化设置；
仿真的初始设置包括外加载荷和边界条件的设置，根据已经选择的固定器，施加载荷；
考虑骨折愈合不同时期组织成分的变化以及比如下肢骨折患者由拄双拐到拄拐再到逐渐不拄拐身体负载变化的情况，本仿真方式中，施加的载荷根据具体的骨折类型及骨折部位及其生理条件，进而选取不同时期不同的载荷值。
(5)计算骨痂内的偏应变；
骨痂内各单元偏应变的计算公式如下：
式中，εds为骨痂单元偏应变，ε1为单元内的第一主应变，ε2为单元内的第二主应变，ε3为单元内的第三主应变；
偏应变与组织类型的关系是：
杨氏模量与组织类型的关系：
将偏应变的计算结果根据以上两个表格的关系，可以调节骨痂内组织分化过程，通过迭代计算模拟出组织生长分化过程，具体是通过其材料属性不断更新进而组织成分不断更新的动态过程。
(6)进行血管生长情况的模拟；
采用扩散方程来模拟骨折处血管的增长，计算公式如下：
式中，G为扩散常数，本发明中取G＝0.1mm2/天；V代表血管密度与其最大血管密度的比值，本发明中V＝14.6mm2/mm3；g为描述血管生成和破坏的速率函数g＝0.1天-1；
血管生长的初始情况如下：假设在骨痂部分没有血管；皮质骨和骨小梁处的血管密度设为最大；由于骨折创伤影响，假定在骨折间隙区域没有血管。
(7)根据步骤(5)、步骤(6)建立力生物学调节算法的骨折愈合仿真过程；
通过公式(1)和公式(2)的迭代计算结果求解各迭代过程中组织的杨氏模量，具体过程如下：
为了求解出在一个确定骨折愈合时期最终的杨氏模量，并充分考虑愈合时期血管生长过程，采用一种混合规则的求解方式，计算公式如下：
Efinal＝(1-V)·Egranu+V·Eupdated (3)
式中，Efinal为各迭代过程组织最终的杨氏模量，Egranu为肉芽组织的杨氏模量，Eupdated为各迭代时间段更新的杨氏模量，Eupdated的计算如下：
式中，Ej为偏应变力调节算法中第j次迭代中一个单元的杨氏模量，i为当前迭代过程的序号，n为模数的平均数。
通过这个计算过程，可以独立的为每个单元分配和更新杨氏模量，将偏应变力调节算法与血管生长模型结合，通过迭代的计算，调节骨痂内组织成分的更新，完成整个骨折愈合过程的仿真过程。

Claims (8)

1.一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)建立骨折部位的三维几何模型；
(2)将得到的几何模型进行网格划分，并建立骨和骨痂的有限元模型；
(3)设置骨痂内初始情况下的组织类型；
(4)对(3)中的有限元模型，进行仿真初始化设置；
(5)计算骨痂内的偏应变；
(6)进行血管生长情况的模拟；
(7)根据步骤(5)、步骤(6)建立力生物学调节算法的骨折愈合仿真过程。
2.根据权利要求1所述的一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤(1)中骨折部位三维几何模型的建立过程如下：
1)通过医疗影像设备CT得到多张格式为DICOM的图像，
2)然后导入Mimics软件中进行三维重建，
3)将三维重建后的模型导入Geomagic软件中进行平滑处理以及实体化操作，得到骨折部位的三维几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤(2)中将得到的几何模型导入ANSYS进行网格划分，建立线弹性的骨及骨痂的有限元模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中组织类型设置为肉芽组织。
5.根据权利要求1所述的一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤(4)中仿真初始设置包括外加载荷和边界条件的设置，根据已经选择的固定器，施加载荷。
6.根据权利要求1所述的一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤(5)中骨痂内各单元偏应变的计算公式如下：
式中，εds为骨痂单元偏应变，ε1为单元内的第一主应变，ε2为单元内的第二主应变，ε3为单元内的第三主应变。
7.根据权利要求1所述的一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤(6)中采用扩散方程来模拟血管生长，计算公式如下：
式中，G为扩散常数，V代表血管密度与其最大血管密度的比值，g为描述血管生成和破坏的速率函数。
8.根据权利要求1所述的一种基于力生物学调节算法的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤(7)中建立力生物学调节算法的骨折愈合仿真过程具体为：
根据公式(1)和公式(2)的迭代计算结果求解各迭代过程中组织的杨氏模量，计算公式如下：
Efinal＝(1-V)·Egranu+V·Eupdated (3)
式中，Efinal为各迭代过程组织最终的杨氏模量，Egranu为肉芽组织的杨氏模量，Eupdated为各迭代时间段更新的杨氏模量，Eupdated的计算如下：
式中，Ej为力调节算法中第j次迭代中一个单元的杨氏模量，i为当前迭代过程的序号，n为模数的平均数。
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