[发明专利]一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法

权利要求书

1.一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法，包括如下步骤：

步骤一：建立骨折部位的三维几何模型；

步骤二：将得到的几何模型进行网格划分，建立骨和骨痂的有限元模型；

步骤三：对骨痂内初始时刻的材料属性进行赋值；

步骤四：对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的偏应变；

步骤五：根据计算得到的力刺激，建立骨折区域的血管生长模型；

步骤六：建立骨折区域细胞增殖分化模型，包括间充质干细胞增殖分化模型、软骨细胞增殖分化模型、成纤维细胞增殖分化模型以及骨细胞增殖分化模型；

步骤七：建立骨折区域的氧气运输模型；

步骤八：计算组织内新的材料属性；

步骤九：根据以上步骤建立力生物调节算法的骨折愈合迭代仿真过程，根据步骤八计算得到的组织材料属性值判断组织内的材料属性是否达到骨的材料属性值，若达到骨的材料属性值则仿真完成，否则更新组织材料属性值并进入下一迭代仿真；

其特征在于：所述步骤五中血管生长模型如下：

式中，Cvessel为血管浓度，Dvessel为骨痂内血管扩散系数,代表新血管在骨痂内生长的速度，t为时间，x，y，z分别为三维笛卡尔坐标系的x轴，y轴，z轴，血管生长的扩散源为髓腔和皮质骨膜处。

2.根据权利要求1所述的一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤一中骨折部位三维几何模型的建立过程如下：

1)由医疗影像CT扫描得到多张格式为DICOM的图像，

2)然后导入Mimics软件中进行三维重建，

3)将三维重建后的模型导入Geomagic软件中进行平滑处理以及实体化操作，得到骨折部位的三维几何模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤二中将得到的几何模型导入Hypermesh进行网格划分，建立线弹性的骨及骨痂的有限元模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤三中骨痂内初始时刻的材料属性赋值为肉芽组织的材料属性值。

5.根据权利要求1所述的一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤四中骨折区域偏应变的求解公式如下：

式中，εd为骨痂单元偏应变，ε1为单元内的第一主应变，ε2为单元内的第二主应变，ε3为单元内的第三主应变。

6.根据权利要求1所述的一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤六中间充质干细胞增殖分化模型、软骨细胞增殖分化模型、成纤维细胞增殖分化模型以及骨细胞增殖分化模型如下：

(1)间充质干细胞增殖分化模型为：

式中，t为时间，x，y，z分别为三维笛卡尔坐标系的x轴，y轴，z轴；

式中，Cm为骨痂单元内间充质干细胞浓度，Dm为骨痂内间充质干细胞的扩散系数，Fm为骨痂单元内间充质干细胞的死亡率；

(2)软骨细胞增殖分化模型为：

式中，Cc为骨痂单元内软骨细胞浓度，Dc为骨痂内软骨细胞的扩散系数,Fc为骨痂单元内软骨细胞死亡率；

(3)成纤维细胞增殖分化模型为：

式中，Cf为骨痂单元内成纤维细胞浓度，Df为骨痂内成纤维细胞的扩散系数,Ff为骨痂单元内成纤维细胞的死亡率；

(4)骨细胞增殖分化模型为：

式中，Cb为骨痂单元内骨细胞浓度，Db为骨痂内骨细胞扩散系数，Fb为骨痂单元内骨细胞死亡率。