[發(fā)明專利]一種牽張成骨的仿真系統(tǒng)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010210247.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-23
• 公開（公告）號(hào): CN111400953A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊海勝;付瑞森;劉有軍;馮懿俐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06T17/00;G06T7/11;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

1.一種牽張成骨的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述牽張成骨的仿真系統(tǒng)依據(jù)牽張成骨實(shí)施過程中，施加不同的牽張條件會(huì)引起骨痂區(qū)域組織不同的成骨效應(yīng)；通過對(duì)牽張成骨的骨再生過程進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)輸出的成骨結(jié)果判定最佳的牽張加載模式；

所述牽張成骨的仿真系統(tǒng)包括A1對(duì)象截骨區(qū)域個(gè)體化三維重建模塊、A2牽張參數(shù)設(shè)置模塊、A3截骨區(qū)域計(jì)算生物力學(xué)分析模塊、A4骨再生動(dòng)態(tài)過程模擬模塊和A5顯示模塊；

所述系統(tǒng)A1對(duì)象截骨區(qū)域個(gè)體化三維重建模塊用于對(duì)對(duì)象截骨區(qū)域的CT圖像進(jìn)行自動(dòng)分割并進(jìn)行三維重建，得到對(duì)象截骨區(qū)域的個(gè)體化三維幾何模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理；

所述系統(tǒng)A2牽張參數(shù)設(shè)置模塊用于對(duì)對(duì)象個(gè)體化三維截骨區(qū)域有限元模型設(shè)置不同的力學(xué)加載模式，作為A3截骨區(qū)域計(jì)算生物力學(xué)分析模塊的輸入；

所述系統(tǒng)A3截骨區(qū)域計(jì)算生物力學(xué)分析模塊用于依據(jù)A2牽張參數(shù)設(shè)置模塊傳入的加載參數(shù)，設(shè)置骨線彈性生物力學(xué)模型和骨痂區(qū)域粘彈塑性生物力學(xué)模型，進(jìn)行模擬牽張確定骨痂區(qū)域的力學(xué)刺激狀態(tài)；

所述系統(tǒng)A4骨再生動(dòng)態(tài)過程模擬模塊用于將有限元分析得到的應(yīng)變結(jié)果作為輸入，運(yùn)用模糊邏輯控制，確定應(yīng)變狀態(tài)在組織分化圖上的位置，并輸出組織類型變化的結(jié)果，更新組織材料類型，再現(xiàn)骨痂的骨再生過程；

所述系統(tǒng)A5顯示模塊用于顯示所述牽張成骨仿真系統(tǒng)的計(jì)算結(jié)果。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種牽張成骨的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述A1對(duì)象截骨區(qū)域個(gè)體化三維重建模塊用于得到對(duì)象截骨區(qū)域個(gè)體化的幾何和有限元模型。模型由兩部分組成：皮質(zhì)骨和骨痂。對(duì)截骨區(qū)域有限元模型進(jìn)行初始狀態(tài)設(shè)置。初始狀態(tài)設(shè)置包括初始皮質(zhì)骨骨含量為100％、軟骨含量為0％和血供為100％，初始骨痂區(qū)域骨含量為0％、軟骨含量為0％和血供為0％，并將其保存在Excel文件中。

3.按照權(quán)利要求1所述的一種牽張成骨的仿真系統(tǒng)，其特征在于，通過A2設(shè)置不同的牽張加載組合參數(shù)；A2牽張參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置參數(shù)包括：牽張期牽張速率、牽張期牽張頻率、牽張期持續(xù)時(shí)間、鞏固期施加牽-壓耦合刺激時(shí)期、牽-壓耦合載荷施加速率、牽壓耦合載荷施加頻率和牽張器剛度。

4.按照權(quán)利要求1所述的一種牽張成骨的仿真系統(tǒng)，其特征在于，所述A3截骨區(qū)域計(jì)算生物力學(xué)分析模塊用于依據(jù)A2牽張參數(shù)設(shè)置模塊傳入的加載參數(shù)，設(shè)置邊界條件和材料屬性；設(shè)置材料屬性包括：在ABAQUS的用戶材料設(shè)置皮質(zhì)骨楊氏模量、泊松比和骨痂楊氏模量、泊松比、屈服應(yīng)力、粘度系數(shù)，骨痂區(qū)域初始階段被假定充滿結(jié)締組織，進(jìn)行模擬牽張獲得骨痂區(qū)域的力學(xué)刺激應(yīng)變狀態(tài)，包括：

B1、設(shè)置骨痂區(qū)域粘彈塑性模型

利用賓漢-麥克斯韋粘彈塑性模型建立骨痂區(qū)域的粘彈性生物力學(xué)模型，該粘彈塑性模型由線性彈簧、牛頓粘壺和一個(gè)摩擦件組成。通過建立皮質(zhì)骨和骨痂的生物力學(xué)模型，編寫UMAT子程序，計(jì)算骨痂區(qū)域的粘彈塑性行為；

B2、計(jì)算骨痂區(qū)域應(yīng)變狀態(tài)

在ABAQUS中進(jìn)行粘彈塑性有限元分析得到有限元模型各單元應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線。對(duì)于每個(gè)牽張時(shí)間周期，使用n_diff等距分割每個(gè)牽張時(shí)間周期的應(yīng)變樣本，按照每個(gè)樣本最大峰值刺激進(jìn)行采樣，得到n_diff個(gè)用于組織分化算法的畸變應(yīng)變?chǔ)?Sub>0和膨脹應(yīng)變?chǔ)?Sub>0；

式中，ε₁,ε₂,ε₃分別為各單元的三個(gè)主應(yīng)變。