[發(fā)明專(zhuān)利]一種模擬骨折愈合過(guò)程的仿真系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611086920.5
• 申請(qǐng)日: 2016-12-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106777584B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-12-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王沫楠;楊寧;王新宇
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06F17/50
• 分類(lèi)號(hào): G06F17/50;G06T17/30
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，尤其涉及一種模擬骨折愈合過(guò)程的仿真系統(tǒng)。

背景技術(shù)

肌骨系統(tǒng)在人體中起到重要的作用，其主要功能包括：運(yùn)動(dòng)功能、保護(hù)功能、支持功能、造血功能、貯存功能。骨折的高發(fā)性以及骨折后對(duì)患者造成的痛苦和對(duì)社會(huì)造成的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)使得骨折愈合的研究顯得尤為迫切與重要。盡管關(guān)于骨折愈合的研究一直備受關(guān)注，但仍有5％～10％的骨折因各種原因發(fā)生延遲愈合甚至是不愈合。

骨折愈合是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的遷移，增殖，分化和凋亡。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞向成纖維細(xì)胞、軟骨細(xì)胞、骨細(xì)胞分化，這些細(xì)胞最終形成纖維結(jié)締組織，軟骨組織和骨組織。這些細(xì)胞活動(dòng)由骨折區(qū)域所受的力學(xué)刺激決定。骨折愈合的過(guò)程中，骨痂的形狀以及尺寸也會(huì)隨著骨折區(qū)域的細(xì)胞活動(dòng)發(fā)生改變，從而影響骨折區(qū)域所受到的力學(xué)刺激。盡管關(guān)于骨折愈合的研究一直在進(jìn)行，但仍存在許多缺點(diǎn)與不足：

1.沒(méi)有建立針對(duì)患者的個(gè)體化模型；

2.關(guān)于骨折愈合的研究很多只停留在組織層面，沒(méi)有對(duì)骨折區(qū)域中的細(xì)胞活動(dòng)進(jìn)行研究；

3.力學(xué)因素與細(xì)胞分化沒(méi)有一個(gè)確定性關(guān)系；

4.沒(méi)有考慮骨折愈合過(guò)程中骨痂形狀和尺寸的改變；

5.骨折部位的模型和生物學(xué)材料設(shè)置過(guò)于簡(jiǎn)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種模擬骨折愈合過(guò)程的仿真系統(tǒng)，用來(lái)預(yù)測(cè)骨折愈合的復(fù)雜過(guò)程，從而尋找最佳的骨折愈合的手術(shù)規(guī)劃方案。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種模擬骨折愈合過(guò)程的仿真系統(tǒng)，其特征為骨折部位三維幾何建模模塊、骨折部位有限元建模模塊、骨折部位生物力學(xué)建模模塊、骨折部位細(xì)胞進(jìn)化建模模塊、骨痂生長(zhǎng)建模模塊和顯示模塊；

骨折部位三維幾何建模模塊，用于根據(jù)導(dǎo)入的二維斷層掃描圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)圖像預(yù)處理后進(jìn)行骨折部位的三維表面幾何模型的建立；

骨折部位有限元建模模塊，用于對(duì)得到的骨折部位三維表面幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的三維幾何模型的離散化，得到節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元坐標(biāo)；還用于將細(xì)胞濃度和組織體積分?jǐn)?shù)存儲(chǔ)到單元節(jié)點(diǎn)中，與節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)共同組成節(jié)點(diǎn)信息；單元編號(hào)和節(jié)點(diǎn)信息共同構(gòu)成本發(fā)明所需要的骨折部位有限元模型；

骨折部位生物力學(xué)建模模塊，用于建立骨折部位生物力學(xué)模型，求解骨痂單元力學(xué)刺激；

骨折部位細(xì)胞進(jìn)化建模模塊，用于對(duì)骨折部位細(xì)胞的遷移，增殖，分化，凋亡進(jìn)行建模，分析骨折部位的細(xì)胞進(jìn)化。

骨痂生長(zhǎng)建模模塊，用于對(duì)骨痂形狀和尺寸隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行建模，分析骨痂隨時(shí)間的變化情況。

顯示模塊，用于觀(guān)察骨折的愈合情況，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與系統(tǒng)之間的視覺(jué)交互。

本發(fā)明的有益效果是：

1.本發(fā)明所提出的模擬骨折愈合過(guò)程的仿真系統(tǒng)是基于windows開(kāi)發(fā)語(yǔ)言平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)軟件，通過(guò)自主編程實(shí)現(xiàn)骨折愈合過(guò)程的模擬，基于對(duì)話(huà)框的形式，易于操作，培訓(xùn)周期短；

2.將骨痂在骨折愈合過(guò)程中尺寸和形狀的變化加入模擬骨折愈合過(guò)程的仿真系統(tǒng)中，能夠更加真實(shí)的反映骨折愈合過(guò)程，是仿真結(jié)果更加精確；

3.將骨折區(qū)域設(shè)置為雙相多孔彈性模型，相比單相模型，更加符合骨折區(qū)域的生物特性，使仿真結(jié)果更加精確；

4.通過(guò)仿真細(xì)胞的擴(kuò)散、增殖、分化和凋亡來(lái)模擬骨折區(qū)域的細(xì)胞活動(dòng)，更加符合骨折區(qū)域組織分化的實(shí)質(zhì)，是仿真結(jié)果更加精確；

5.通過(guò)構(gòu)建骨折愈合仿真方法，可以對(duì)醫(yī)生制定最優(yōu)的手術(shù)方案提供指導(dǎo)，進(jìn)而提高手術(shù)成功率，提高骨折愈合質(zhì)量，減少骨折骨折不愈合和延遲愈合的情況。

6.通過(guò)構(gòu)建骨折愈合仿真方法，可以對(duì)建立的仿真模型進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，減少真實(shí)的生物實(shí)驗(yàn)，節(jié)省時(shí)間，提高效率，節(jié)省費(fèi)用，避免人道主義爭(zhēng)議。

綜上，本發(fā)明的仿真方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足。

附圖說(shuō)明

圖1為模擬骨折愈合仿真系統(tǒng)中各模塊之間的關(guān)系示意圖；

圖2為骨折部位三維幾何模型建立流程圖；

圖3為有限元模型建立流程圖；

圖4為骨痂單元力學(xué)刺激求解流程圖；

圖5為骨折部位細(xì)胞進(jìn)化建模模塊、骨痂生長(zhǎng)模塊與骨痂單元力學(xué)刺激之間的關(guān)系示意圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：如圖1所示，本實(shí)施方式所述的一種模擬骨折愈合過(guò)程的仿真系統(tǒng)包括：骨折部位三維幾何建模模塊、骨折部位有限元建模模塊、骨折部位生物力學(xué)建模模塊、骨折部位細(xì)胞進(jìn)化建模模塊、骨痂生長(zhǎng)建模模塊和顯示模塊；