[发明专利]一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法

权利要求书

1.一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法，其特征在于：一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、三维几何模型的建立；

步骤二、将得到的三维几何模型导入到网格划分软件中进行网格的划分；

步骤三、在网格的划分的基础上建立骨及骨痂的生物力学模型；

步骤四、在骨及骨痂的生物力学模型基础上，确定仿真初始参数及施加负载与边界条件；

步骤五、在步骤四的基础上进行骨痂形状动态变化的仿真设计，对于保留的单元，依据血供参数值区分为正常血供单元和非正常血供单元；

血供参数值100％为正常血供区域，血供参数值小于100％为非正常血供区域，如果是正常血供区域则执行步骤六，如果是非正常血供区域则执行步骤七；

步骤六、建立正常血供区域在不同初始骨内应力环境下，骨密度、软骨密度随时间变化的确定性数学模型；

步骤七、建立非正常血供区域的模糊数学模型，非正常血供区域的模糊数学模型包括隶属度和模糊控制规则；

步骤八、根据步骤六和步骤七建立骨折愈合的仿真过程。

2.根据权利要求1所述一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法，其特征在于：所述步骤一中三维几何模型的建立；具体过程为：

采用基于分割的三维医学图像表面重建算法对图像进行三维表面重构，得到三维几何模型；

所述图像由影像设备CT得到，数据存储格式为DICOM。

3.根据权利要求2所述一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法，其特征在于：所述步骤二中将得到的三维几何模型导入到网格划分软件中进行网格的划分；具体过程为：

将得到的三维几何模型导入到MATLAB中进行预处理，只提取目标数据，根据目标数据生成后续有限元计算所需要的单元编号和节点坐标两个文件；

所述单元编号和节点坐标两个文件为txt文本格式的文件；

节点坐标文件包含三列数据，三列数据分别代表每个节点的空间坐标值；

单元编号文件包含四列数据，四列数据分别为每个单元的四个节点的节点序号。

4.根据权利要求3所述一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法，其特征在于：所述步骤三中在网格的划分的基础上建立骨及骨痂的生物力学模型；具体过程为：

采用连续介质力学方法建立线弹性材料、非线性材料的本构方程，采用格林方法，通过骨及骨痂的势能函数来描述生物组织力学特性；

骨为线弹性材料，弹性势能W(X)是无限小应变张量的二次函数：

W(X)=λ2(trEL)2+μtrEL2]]>

式中，λ,μ是拉梅(Lame)常数，E_L为线性应变张量；

线弹性材料单元应力计算公式为：

{ε}＝[S]·{σ}，

式中，{σ}为线弹性材料单元应力，{ε}为线弹性材料单元应变，[S]为柔度矩阵；

[S]=1E12-v12E12-v31E3-v12E121E12-v31E30-v13E12-v13E121E31μ1201μ131μ13]]>

式中，E₁₂为骨骼的径向和切向形成平面的弹性模量，E₃为骨骼的轴向的弹性模量，ν₁₃为骨骼的径向和轴向形成平面的泊松比，ν₁₂为骨骼的径向和切向形成平面的泊松比，ν₃₁为骨骼的轴向和径向形成平面的泊松比，μ₁₃为骨骼的径向和轴向形成平面的剪切模量，μ₁₂为骨骼的径向和切向形成平面的剪切模量，E₁₂、E₃、ν₁₃、ν₁₂、ν₃₁、μ₁₃、μ₁₂为材料工程常数，1,2,3分别代表骨骼的径向、切向和轴向；

骨痂为非线性弹性材料，弹性势能W表示为：

W=C1eβ(I1-3)-C1β2(I2-3)]]>

式中：I₁、I₂分别是应变张量的第一、第二主不变量，β、C₁分别是材料常数；

非线性弹性材料单元应力计算公式为：

dσ＝D_Tdε，

式中，dσ为非线性弹性材料单元应力，dε为非线性弹性材料单元应变，D_T为切线弹性矩阵；

切线弹性矩阵D_T为：

DT=∂2W∂E2]]>

式中，E为格林应变张量。