[发明专利]一种牵张成骨的仿真系统

权利要求书

1.一种牵张成骨的仿真系统，其特征在于，所述牵张成骨的仿真系统依据牵张成骨实施过程中，施加不同的牵张条件会引起骨痂区域组织不同的成骨效应；通过对牵张成骨的骨再生过程进行仿真计算，根据输出的成骨结果判定最佳的牵张加载模式；

所述牵张成骨的仿真系统包括A1对象截骨区域个体化三维重建模块、A2牵张参数设置模块、A3截骨区域计算生物力学分析模块、A4骨再生动态过程模拟模块和A5显示模块；

所述系统A1对象截骨区域个体化三维重建模块用于对对象截骨区域的CT图像进行自动分割并进行三维重建，得到对象截骨区域的个体化三维几何模型，然后进行网格划分处理；

所述系统A2牵张参数设置模块用于对对象个体化三维截骨区域有限元模型设置不同的力学加载模式，作为A3截骨区域计算生物力学分析模块的输入；

所述系统A3截骨区域计算生物力学分析模块用于依据A2牵张参数设置模块传入的加载参数，设置骨线弹性生物力学模型和骨痂区域粘弹塑性生物力学模型，进行模拟牵张确定骨痂区域的力学刺激状态；

所述系统A4骨再生动态过程模拟模块用于将有限元分析得到的应变结果作为输入，运用模糊逻辑控制，确定应变状态在组织分化图上的位置，并输出组织类型变化的结果，更新组织材料类型，再现骨痂的骨再生过程；

所述系统A5显示模块用于显示所述牵张成骨仿真系统的计算结果。

2.按照权利要求1所述的一种牵张成骨的仿真系统，其特征在于，所述A1对象截骨区域个体化三维重建模块用于得到对象截骨区域个体化的几何和有限元模型。模型由两部分组成：皮质骨和骨痂。对截骨区域有限元模型进行初始状态设置。初始状态设置包括初始皮质骨骨含量为100％、软骨含量为0％和血供为100％，初始骨痂区域骨含量为0％、软骨含量为0％和血供为0％，并将其保存在Excel文件中。

3.按照权利要求1所述的一种牵张成骨的仿真系统，其特征在于，通过A2设置不同的牵张加载组合参数；A2牵张参数设置模块设置参数包括：牵张期牵张速率、牵张期牵张频率、牵张期持续时间、巩固期施加牵-压耦合刺激时期、牵-压耦合载荷施加速率、牵压耦合载荷施加频率和牵张器刚度。

4.按照权利要求1所述的一种牵张成骨的仿真系统，其特征在于，所述A3截骨区域计算生物力学分析模块用于依据A2牵张参数设置模块传入的加载参数，设置边界条件和材料属性；设置材料属性包括：在ABAQUS的用户材料设置皮质骨杨氏模量、泊松比和骨痂杨氏模量、泊松比、屈服应力、粘度系数，骨痂区域初始阶段被假定充满结缔组织，进行模拟牵张获得骨痂区域的力学刺激应变状态，包括：

B1、设置骨痂区域粘弹塑性模型

利用宾汉-麦克斯韦粘弹塑性模型建立骨痂区域的粘弹性生物力学模型，该粘弹塑性模型由线性弹簧、牛顿粘壶和一个摩擦件组成。通过建立皮质骨和骨痂的生物力学模型，编写UMAT子程序，计算骨痂区域的粘弹塑性行为；

B2、计算骨痂区域应变状态

在ABAQUS中进行粘弹塑性有限元分析得到有限元模型各单元应变随时间变化曲线。对于每个牵张时间周期，使用n_diff等距分割每个牵张时间周期的应变样本，按照每个样本最大峰值刺激进行采样，得到n_diff个用于组织分化算法的畸变应变γ₀和膨胀应变ε₀；

式中，ε₁,ε₂,ε₃分别为各单元的三个主应变。