[發明專利]一種基于力學刺激和生物聯合刺激的骨折愈合仿真系統

有效

• 申請號: 201810308466.6
• 申請日: 2018-04-09
• 公開（公告）號: CN108511076B
• 公開（公告）日: 2019-10-25
• 發明（設計）人: 王沫楠;楊寧
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50;G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于力學和生物學聯合調控的骨折愈合仿真系統，涉及生物醫學工程領域。所述系統包括骨折區域分析模型建立模塊，骨折區域力學調控建模模塊，骨折區域生物調控建模模塊，骨折區域力?生物聯合調控建模模塊和程序終止判斷模塊。骨折區域分析模型建立模塊用于建立骨折區域幾何模型和有限元模型。骨折區域力學調控建模模塊用于求解骨折區域單元所受的力學刺激。骨折區域生物調控建模模塊用于相關細胞濃度、生長因子濃度和胞外基質濃度。骨折區域力?生物聯合調控建模模塊用于實現力學刺激和生物刺激的聯合調控。程序終止判斷模塊用于判斷程序是否終止。本發明通過對骨折愈合過程進行仿真，為探尋最佳的骨折愈合方案提供有益幫助。

技術領域

本發明涉及生物醫學工程領域，特別涉及一種基于力學刺激和生物聯合刺激的骨折愈合仿真系統。

背景技術

骨折是一種常見的創傷，骨折的高發性使得骨折愈合機理及促進骨折愈合的研究尤為迫切。與其他組織損傷不同的是，骨折不是靠纖維結締組織連接，而是骨組織的完全再生。盡管如此，并不是所有的骨折都可以完全愈合，有時會發生延遲愈合甚至是不愈合。骨折延遲愈合或者不愈合會引起患肢疼痛，功能障礙，導致患者失業，由此造成很大的社會經濟負擔。因此，盡管關于骨折愈合的研究一直備受關注，但仍然有5％～10％的骨折因各種原因發生延遲愈合甚至是不愈合。

骨折愈合是一個非常復雜的生物過程，涉及到力學刺激和生物刺激。骨折愈合過程包括眾多細胞的增殖，分化，凋亡活動。這些細胞包括間充質干細胞，成纖維細胞，軟骨細胞和成骨細胞。在特定幾何因素，力學因素和生物學因素的刺激下，具有很高分化能力的間充質干細胞會向軟骨細胞和骨細胞分化，從而形成相應的骨組織，促使骨折愈合。反之，若幾何因素，力學因素或生物學因素不滿足骨折愈合發生的條件，則會導致骨折延遲愈合甚至是不愈合。目前缺少能精確表達由力學刺激和生物刺激聯合調控的骨折愈合這一復雜過程的計算機仿真系統。現存的骨折愈合仿真系統存在如下缺陷：

1.沒有建立專門針對患者的個體化模型；

2.沒有建立力學因素和生物學因素的聯合調控；

3.力學因素與細胞的增殖，分化以及凋亡沒有一個確定性關系；

4.骨折愈合區域的模型和材料屬性設置過于簡化。

發明內容

本發明的目的是為了解決骨折仿真愈合中沒有將力學刺激和生物刺激聯合起來調控骨折愈合過程，力學刺激與細胞的增殖，分化以及凋亡沒有一個確定性關系和骨折愈合區域的模型和材料屬性設置過于簡化的缺點，而提出的一種基于力學和生物聯合刺激的骨折愈合仿真系統。

本發明的目的通過下述技術方案實現一種基于力學刺激和生物聯合刺激的骨折愈合仿真系統，其特征在于，所述系統包括：

骨折區域分析模型建立模塊、骨折區域力學調控建模模塊、骨折區域生物調控建模模塊、骨折區域力-生物聯合調控建模模塊和程序終止判斷模塊。

骨折區域分析模型建立模塊用于建立骨折區域幾何模型和有限元模型；

骨折區域力學調控建模模塊用于對骨折區域的力學特性進行建模，求解骨折區域單元所受的力學刺激；

骨折區域生物調控建模模塊用于對骨折區域的生物特性進行建模，求解與骨折愈合相關的細胞濃度、生長因子濃度和胞外基質濃度；

所述的與骨折愈合相關的細胞濃度、生長因子濃度和胞外基質濃度分別為：間充質干細胞濃度，成纖維細胞濃度，軟骨細胞濃度，骨細胞濃度，血管生成細胞濃度，軟骨生長因子濃度，骨生長因子濃度，血管生成生長因子濃度，成纖維細胞胞外基質濃度，軟骨細胞胞外基質濃度，骨細胞胞外基質濃度，血管生成細胞胞外基質濃度。

骨折區域力-生物聯合調控建模模塊用于建立力學刺激與由力學刺激引起的相關生理活動的函數關系，從而實現力學刺激和生物刺激的聯合調控；