[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

说明书

技术领域

本发明涉及基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法。

背景技术

事实上，不是所有的骨折都可以被修复，有时会有不修复或拖延修复，骨折延迟愈合或不愈合引起患肢疼痛，功能障碍，导致患者失业，由于骨折事故每年发生的总数较大，骨折延迟愈合或不愈合的人数就很可观，由此将带来很大的社会经济负担。骨折延迟愈合或不愈合是由于受到特定的几何因素、力学因素、生物学因素影响，因此关于骨折愈合过程及其影响骨折愈合速度和质量的研究一直备受关注，也取得了一些收获。但是受到研究手段和骨折过程复杂又不能直接观察的限制，尽管在该领域的研究一直在进步，但仍有约5％～10％的骨折因各种原因发生延迟愈合或不愈合。

目前缺少能够精确表达骨折愈合这一复杂过程的计算机仿真模型，首先是没有建立起力学因素与骨折过程间的确定性关系式；没有在同一个仿真模型中充分考虑到力学环境和生物学环境的双重影响；没有从建立针对专门患者的个体化模型角度解决仿真建模问题，几何模型和生物力学材料设置过于简化，影响模型的仿真结果；没有综合考虑骨折愈合过程中骨痂形状的动态变化、力学环境变化、生物学环境变化间的复杂关系在计算机中的动态仿真。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的骨折愈合动态过程模型不能综合模拟骨折愈合过程中骨痂形状的动态变化、力学环境变化、生物学环境变化间的复杂关系的缺点，而提出一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法。

一种基于生物学机理的骨折愈合动态过程仿真方法按以下步骤实现：

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。

本发明的有益效果为：

本发明研究目标是基于生物学机理实现骨折愈合动态过程建模与仿真，仿真系统具备复杂性、动态特性、个体化特性、可靠性。通过建立初始骨折内力学参数与骨折愈合过程刚度值之间的确定数学关系式，实现能反映力学环境影响因素的仿真模型；通过建立力学参数、血管血供参数、骨组织特性参数三者间关系的模糊准则，实现能反映生物学环境影响的仿真模型；通过有限元方法实现动态力学计算，通过模糊逻辑控制器实现非正常血供区域骨愈合过程的动态更新，通过应力分配的计算和临界应力的选择实现骨痂形状的动态更新。

发明的用途：

(1)通过构建骨折愈合动态过程计算机仿真系统，该系统能作为一个仿真试验平台，用于各种适应人体生物力学要求的内固定器材的评价和优化设计；用于非生物学因素对骨组织愈合速度和质量影响的测试分析；进行寻找有效避免骨折发生方法的研究；由于该仿真模型的可扩展性，该平台亦可实现对部分影响骨愈合进程的生物学因素进行分析和研究。

(2)通过构建骨折愈合动态过程计算机仿真系统，能够实现复杂骨折愈合过程的预测，对医生制订正确的手术方案提供指导，进而提高手术成功率、提高骨折愈合质量，可以有效减少骨折不愈合和延迟愈合的情况，帮助骨折愈合者通过有效的治疗手段恢复健康生活，减轻由此带来的社会经济负担。

(3)可以利用计算机中建立的仿真模型进行多次重复试验研究，不需要真实的生物学试验，节省时间，提高效率，节省费用，避免人道主义的争议。

发明的特色之处：

(1)传统关于力学环境对骨折愈合进程的影响方面的研究主要集中于通过力学试验测试不同的力学环境对骨折愈合速度和最后骨痂刚度的影响，大部分是定性研究，没有从定量的角度以取得确定数学模型为目的探寻这个问题，本发明依据生物数学思想，建立了骨折内应力与骨折刚度的确定性数学模型。