[發(fā)明專利]一種基于生長(zhǎng)因子作用的骨折愈合仿真方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110717139.8
• 申請(qǐng)日: 2021-06-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113435088A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王沫楠;周乃法
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F111/10;G06F119/02
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

1.一種基于生長(zhǎng)因子作用的骨折愈合仿真方法，包括如下步驟：

步驟一：建立生物學(xué)框架；

步驟二：建立數(shù)學(xué)公式；

步驟三：設(shè)置骨折愈合區(qū)域的幾何形狀、初始條件、無(wú)量綱邊界條件；

步驟四：對(duì)骨折愈合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于生長(zhǎng)因子作用的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步驟一生物學(xué)框架建立過(guò)程如下：

1)因變量選擇包括間充質(zhì)細(xì)胞、軟骨細(xì)胞和成骨細(xì)胞的細(xì)胞密度，還包括結(jié)締組織/軟骨和骨的密度，兩種通用生長(zhǎng)因子骨形態(tài)發(fā)生蛋白和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β的濃度；

2)間充質(zhì)細(xì)胞向成骨細(xì)胞或軟骨細(xì)胞的分化分別受到成骨和軟骨生長(zhǎng)因子濃度的調(diào)控；

3)軟骨細(xì)胞的成熟與軟骨細(xì)胞外基質(zhì)密度有關(guān)；

4)軟骨內(nèi)成骨依賴于成骨細(xì)胞密度；

5)生長(zhǎng)因子擴(kuò)散系數(shù)和衰減速率代表不可逆結(jié)合的變性和組織清除，以及恒定的成骨細(xì)胞清除速率。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于生長(zhǎng)因子作用的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步驟二數(shù)學(xué)公式建立如下：

間充質(zhì)細(xì)胞濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如公式(1)所示：

式中，D為觸覺(jué)，C觸覺(jué)運(yùn)動(dòng)細(xì)胞遷移速度，A_m間充質(zhì)細(xì)胞增值率，B_m由極限細(xì)胞密度決定，F(xiàn)₁和F₂由生長(zhǎng)因子濃度導(dǎo)致的細(xì)胞分化有關(guān)；

軟骨細(xì)胞濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如公式(2)所示：

式中，A_c軟骨細(xì)胞增值率，B_c由極限細(xì)胞密度決定，F(xiàn)₂和F₃與生長(zhǎng)因子濃度導(dǎo)致的細(xì)胞分化有關(guān)；

骨細(xì)胞濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如公式(3)所示：

式中，A_b骨細(xì)胞增值率，B_b由極限細(xì)胞密度決定，F(xiàn)₁和F₃與生長(zhǎng)因子濃度導(dǎo)致的細(xì)胞分化有關(guān)；

結(jié)締組織/軟骨細(xì)胞外基質(zhì)密度隨時(shí)間變化關(guān)系如公式(4)所示：

式中，P_cs結(jié)締組織/軟骨細(xì)胞外基質(zhì)合成常數(shù)，Q_cd2結(jié)締組織/軟骨細(xì)胞外基質(zhì)降解常數(shù)；

成骨細(xì)胞外基質(zhì)密度隨時(shí)間變化關(guān)系如公式(5)所示：

式中，P_bs成骨細(xì)胞外基質(zhì)合成常數(shù)，Q_bd成骨細(xì)胞外基質(zhì)降解常數(shù)；

軟骨生長(zhǎng)因子濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如公式(6)所示：

式中，E_gc取決于軟骨生長(zhǎng)因子濃度和細(xì)胞外基質(zhì)；

成骨細(xì)胞生長(zhǎng)因子濃度隨時(shí)間變化關(guān)系如公式(7)所示：

式中，E_gb取決于成骨生長(zhǎng)因子濃度和細(xì)胞外基質(zhì)。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于生長(zhǎng)因子作用的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步驟三設(shè)置骨折愈合區(qū)域的幾何形狀、初始條件、無(wú)量綱邊界條件過(guò)程如下：

1)幾何形狀是通過(guò)假設(shè)骨折線對(duì)稱和骨髓腔旋轉(zhuǎn)對(duì)稱來(lái)模擬的，代表外部骨痂和骨折間隙的區(qū)域；

2)間充質(zhì)細(xì)胞密度的初始條件，間充質(zhì)細(xì)胞來(lái)自周?chē)浗M織和斷裂骨膜的遷移細(xì)胞前沿，細(xì)胞外基質(zhì)密度初始條件是最初的炎癥性血腫，軟骨和骨生長(zhǎng)因子分別在損傷部位和皮質(zhì)骨骨膜；

3)無(wú)量綱邊界條件為間充質(zhì)細(xì)胞初始濃度等于0.5和1，分別代表周?chē)浗M織和骨膜內(nèi)的間充質(zhì)細(xì)胞前體，細(xì)胞外基質(zhì)初始密度等于0.1，軟骨生長(zhǎng)因子初始濃度等于20和骨生長(zhǎng)因子初始濃度等于20。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于生長(zhǎng)因子作用的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步驟四對(duì)骨折愈合過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬的過(guò)程如下：

數(shù)值模擬采用交替方向隱式和顯式有限差分法求解無(wú)量綱偏微分方程，x、y方向的網(wǎng)格尺寸為0.02cm，時(shí)間步長(zhǎng)為0.24h；進(jìn)行廣泛的參數(shù)研究，以確定模型對(duì)一次單個(gè)或多個(gè)參數(shù)變化的敏感性。