一種模擬骨折愈合過程的仿真系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學工程領(lǐng)域，尤其涉及一種模擬骨折愈合過程的仿真系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
肌骨系統(tǒng)在人體中起到重要的作用，其主要功能包括：運動功能、保護功能、支持功能、造血功能、貯存功能。骨折的高發(fā)性以及骨折后對患者造成的痛苦和對社會造成的經(jīng)濟負擔使得骨折愈合的研究顯得尤為迫切與重要。盡管關(guān)于骨折愈合的研究一直備受關(guān)注，但仍有5％～10％的骨折因各種原因發(fā)生延遲愈合甚至是不愈合。
骨折愈合是一個復雜的過程，包括骨髓間充質(zhì)干細胞的遷移，增殖，分化和凋亡。骨髓間充質(zhì)干細胞向成纖維細胞、軟骨細胞、骨細胞分化，這些細胞最終形成纖維結(jié)締組織，軟骨組織和骨組織。這些細胞活動由骨折區(qū)域所受的力學刺激決定。骨折愈合的過程中，骨痂的形狀以及尺寸也會隨著骨折區(qū)域的細胞活動發(fā)生改變，從而影響骨折區(qū)域所受到的力學刺激。盡管關(guān)于骨折愈合的研究一直在進行，但仍存在許多缺點與不足：
1.沒有建立針對患者的個體化模型；
2.關(guān)于骨折愈合的研究很多只停留在組織層面，沒有對骨折區(qū)域中的細胞活動進行研究；
3.力學因素與細胞分化沒有一個確定性關(guān)系；
4.沒有考慮骨折愈合過程中骨痂形狀和尺寸的改變；
5.骨折部位的模型和生物學材料設置過于簡化。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種模擬骨折愈合過程的仿真系統(tǒng)，用來預測骨折愈合的復雜過程，從而尋找最佳的骨折愈合的手術(shù)規(guī)劃方案。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：一種模擬骨折愈合過程的仿真系統(tǒng)，其特征為骨折部位三維幾何建模模塊、骨折部位有限元建模模塊、骨折部位生物力學建模模塊、骨折部位細胞進化建模模塊、骨痂生長建模模塊和顯示模塊；
骨折部位三維幾何建模模塊，用于根據(jù)導入的二維斷層掃描圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像預處理后進行骨折部位的三維表面幾何模型的建立；
骨折部位有限元建模模塊，用于對得到的骨折部位三維表面幾何模型進行網(wǎng)格劃分，實現(xiàn)連續(xù)的三維幾何模型的離散化，得到節(jié)點坐標和單元坐標；還用于將細胞濃度和組織體積分數(shù)存儲到單元節(jié)點中，與節(jié)點坐標共同組成節(jié)點信息；單元編號和節(jié)點信息共同構(gòu)成本發(fā)明所需要的骨折部位有限元模型；
骨折部位生物力學建模模塊，用于建立骨折部位生物力學模型，求解骨痂單元力學刺激；
骨折部位細胞進化建模模塊，用于對骨折部位細胞的遷移，增殖，分化，凋亡進行建模，分析骨折部位的細胞進化。
骨痂生長建模模塊，用于對骨痂形狀和尺寸隨時間的變化關(guān)系進行建模，分析骨痂隨時間的變化情況。
顯示模塊，用于觀察骨折的愈合情況，實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的視覺交互。
本發(fā)明的有益效果是：
1.本發(fā)明所提出的模擬骨折愈合過程的仿真系統(tǒng)是基于windows開發(fā)語言平臺來開發(fā)軟件，通過自主編程實現(xiàn)骨折愈合過程的模擬，基于對話框的形式，易于操作，培訓周期短；
2.將骨痂在骨折愈合過程中尺寸和形狀的變化加入模擬骨折愈合過程的仿真系統(tǒng)中，能夠更加真實的反映骨折愈合過程，是仿真結(jié)果更加精確；
3.將骨折區(qū)域設置為雙相多孔彈性模型，相比單相模型，更加符合骨折區(qū)域的生物特性，使仿真結(jié)果更加精確；
4.通過仿真細胞的擴散、增殖、分化和凋亡來模擬骨折區(qū)域的細胞活動，更加符合骨折區(qū)域組織分化的實質(zhì)，是仿真結(jié)果更加精確；
5.通過構(gòu)建骨折愈合仿真方法，可以對醫(yī)生制定最優(yōu)的手術(shù)方案提供指導，進而提高手術(shù)成功率，提高骨折愈合質(zhì)量，減少骨折骨折不愈合和延遲愈合的情況。
6.通過構(gòu)建骨折愈合仿真方法，可以對建立的仿真模型進行多次重復實驗，減少真實的生物實驗，節(jié)省時間，提高效率，節(jié)省費用，避免人道主義爭議。
綜上，本發(fā)明的仿真方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足。
附圖說明
圖1為模擬骨折愈合仿真系統(tǒng)中各模塊之間的關(guān)系示意圖；
圖2為骨折部位三維幾何模型建立流程圖；
圖3為有限元模型建立流程圖；
圖4為骨痂單元力學刺激求解流程圖；
圖5為骨折部位細胞進化建模模塊、骨痂生長模塊與骨痂單元力學刺激之間的關(guān)系示意圖。
具體實施方式
具體實施方式一：如圖1所示，本實施方式所述的一種模擬骨折愈合過程的仿真系統(tǒng)包括：骨折部位三維幾何建模模塊、骨折部位有限元建模模塊、骨折部位生物力學建模模塊、骨折部位細胞進化建模模塊、骨痂生長建模模塊和顯示模塊；
所述的骨折部位三維幾何建模模塊，用于根據(jù)導入的二維斷層掃描圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像預處理后進行骨折部位的三維表面幾何模型的建立；
所述的骨折部位有限元建模模塊，用于對得到的骨折部位三維表面幾何模型進行網(wǎng)格劃分，實現(xiàn)連續(xù)的三維幾何模型的離散化，得到節(jié)點坐標和單元坐標；還用于將細胞濃度和組織體積分數(shù)存儲到單元節(jié)點中，與節(jié)點坐標共同組成節(jié)點信息；單元編號和節(jié)點信息共同構(gòu)成本發(fā)明所需要的骨折部位有限元模型；
所述的骨折部位生物力學建模模塊，用于建立骨折部位生物力學模型，求解骨痂單元力學刺激；
所述的骨折部位細胞進化建模模塊，用于對骨折部位細胞的遷移，增殖，分化，凋亡進行建模，分析骨折部位的細胞進化。
所述的骨痂生長建模模塊，用于對骨痂形狀和尺寸隨時間的變化關(guān)系進行建模，分析骨痂隨時間的變化情況。
所述的顯示模塊，用于觀察骨折的愈合情況，實現(xiàn)用戶與系統(tǒng)之間的視覺交互。
具體實施方式二：如圖2所示，本實施方式中，所述的骨折部位三維幾何建模模塊，實現(xiàn)其功能的具體過程為：
采用基于分割的三維醫(yī)學影像表面重建算法對圖像進行三維表面重構(gòu)，通過閾值篩選、交互式分割和三維重建過程得到三維表面幾何模型；
所述的影像由影像設備CT得到，數(shù)據(jù)存儲格式為DICOM。
本實施方式的其他組成與連接關(guān)系與具體實施方式一相同。
具體實施方式三：如圖3所示，本實施方式中，所述的骨折部位有限元建模模塊，實現(xiàn)其功能的具體過程為：
將建立的三維表面幾何模型進行網(wǎng)格劃分，使連續(xù)的三維幾何模型離散化，得到節(jié)點坐標和單元編號；將細胞濃度和組織體積分數(shù)存儲到單元節(jié)點中，與節(jié)點坐標共同構(gòu)成節(jié)點信息；由節(jié)點信息和單元編號組成本發(fā)明所需要的骨折部位三維有限元模型；
所述的網(wǎng)格劃分包括面網(wǎng)格劃分和體網(wǎng)格劃分兩個步驟；面網(wǎng)格劃分過程用于將三維表面模型進行優(yōu)化，包括：表面模型優(yōu)化，平滑處理，修補漏洞；表面模型的優(yōu)化通過減小表面模型的三角面片來實現(xiàn)，該過程只需將相鄰的兩個頂點合并到一個新的頂點上，并延續(xù)原有的拓撲關(guān)系；平滑處理的過程中，對三維的面網(wǎng)格模型進行去噪；修補漏洞的過程中，通過將模型當中的空洞提取成空間多邊形，然后對空洞多邊形進行三角化的方法實現(xiàn)；體網(wǎng)格劃分的過程是將面網(wǎng)格模型進行拉伸、旋轉(zhuǎn)步驟來實現(xiàn)的。
本實施方式的其他組成與連接關(guān)系與具體實施方式一或二之一相同。
具體實施方式四：如圖4所示，本實施方式中，所述的骨折部位生物力學建模模塊，實現(xiàn)其功能的具體過程為：
將骨折部位看成是多孔彈性材料，則有如下關(guān)系式：
a.固體基質(zhì)、液相和總的應力應變關(guān)系如下：
σs＝-φspI+σE (1)
σf＝-φfpI (2)
σt＝σs+σf＝-pI+σE (3)
式中，σs、σf、σt分別為固相、液相和總的應力張量；p為液體壓力；φs、φf分別為固相和液相體積分數(shù)；σE為有效應力張量；I為單位張量；
線彈性材料的有效應力張量可以表示為：
σE＝Cε (4)
式中，σE為有效應力張量；C為剛度張量；ε為總的彈性應變；
剛度張量由下式表示：
式中，E為彈性模量；υ為泊松比；
b.考慮到兩相均不可壓縮性和各向同性，多孔彈性模型的連續(xù)性方程為：
式中，φf為液相的體積分數(shù)；vs、vf分別為固相和液相的速度向量；
c.固相和液相的動量方程如下：
式中，πs、πf分別為固相和液相的體力向量；φf為液相體積分數(shù)；k為滲透率；vf、vs分別為固相和液相的速度向量；σs、σf、σE分別為固相、液相和有效的應力張量；p為液體壓力；
d.偏應變張量的第二不變量可由下式表示：
式中，Ψ(x,t)為骨痂單元力學刺激；J2為偏應變張量第二不變量；ε1、ε2、ε3為主應變，εoct為八面體應變；
其中，八面體應變εoct可由下式求得：
通過有限元法求解上述方程，得到偏應變張量的第二不變量J2，并以此作為骨痂單元的力學刺激Ψ(x,t)。
本實施方式的其他組成與連接關(guān)系與具體實施方式一至三之一相同。
具體實施方式五：如圖5所示，本實施方式中，所述的骨折部位細胞進化建模模塊，實現(xiàn)其功能的具體過程為：
細胞的進化包括細胞的遷移、增殖、分化和凋亡。骨折愈合過程中所涉及到的細胞包括：骨髓間充質(zhì)干細胞、成纖維細胞、軟骨細胞和骨細胞。涉及到的組織包括肉芽組織、纖維結(jié)締組織、軟骨組織和骨組織。
細胞進化建模模塊分為骨髓間充質(zhì)干細胞進化建模子模塊、骨細胞形成建模子模塊和材料屬性求解子模塊。
1)骨髓間充質(zhì)干細胞進化建模子模塊
在骨折愈合初期，骨折部位組織被破壞，骨髓間充質(zhì)干細胞侵入骨折部位并進行增殖和分化。根據(jù)骨痂單元力學刺激的不同，骨髓間充質(zhì)干細胞可分化為成纖維細胞、軟骨細胞和骨細胞。當骨痂單元力學刺激過高時，骨髓間充質(zhì)干細胞發(fā)生凋亡。當骨髓間充質(zhì)干細胞的濃度達到飽和狀態(tài)，細胞濃度增加。
因此，骨髓間充質(zhì)干細胞的進化模型可由下式表示：
式中，c干細胞為骨髓間充質(zhì)干細胞濃度，單位為細胞數(shù)目/mm3；V破壞為被破壞組織的體積分數(shù)；Ψ為骨痂單元力學刺激；α增殖、Ψ增殖為骨髓間充質(zhì)干細胞分化常數(shù)；D(V破壞)為擴散系數(shù)，單位為mm2/天；
其中擴散系數(shù)D(V破壞)下式表示：
式中，D0為常數(shù)；V破壞為被破壞組織的體積分數(shù)；
骨髓間充質(zhì)干細胞的分化可由下式表示：
式中，o分化(Ψ,t)、c分化(Ψ,t)、l分化(Ψ,t)為骨髓間充質(zhì)干細胞向骨細胞、軟骨細胞、成纖維細胞分化；-c干細胞為骨髓間充質(zhì)干細胞發(fā)生凋亡；為每種細胞類型的成熟時間；Ψ極限、Ψ骨、Ψ軟骨、Ψ纖維、Ψ凋亡為每種細胞類型的力學刺激極限；
骨細胞成熟時間可由下式表示：
當Ψ極限<Ψ<Ψ骨 (16)
式中，t成熟為成熟時間常數(shù)；
軟骨細胞成熟時間可由下式表示：
當Ψ骨<Ψ<Ψ軟骨 (17)
成纖維細胞成熟時間可由下式表示：
當Ψ軟骨<Ψ<Ψ纖維 (18)
式中，t極限為時間極限。
2)骨細胞形成建模子模塊
骨細胞的形成過程包括膜內(nèi)骨化和軟骨骨化兩種途徑。膜內(nèi)骨化是指間充質(zhì)干細胞直接分化為骨細胞。軟骨骨化需經(jīng)過軟骨生成之后才能進行軟骨骨化過程；
所以骨細胞的形成可由下式表示：
式中，c骨為骨細胞濃度；o分化(Ψ,t)為由膜內(nèi)骨化形成的骨細胞；e分化(Ψ,t)為由軟骨骨化形成的骨細胞；
其中，由膜內(nèi)骨化形成的骨細胞o分化(Ψ,t)可由下式表示：
式中，D骨為擴散常數(shù)，單位為mm2/天；c骨為骨濃度，單位為細胞數(shù)目/mm3；Ψ極限、Ψ骨為膜內(nèi)骨化過程中骨痂單元力學刺激極限值；為膜內(nèi)骨化過程中最小骨濃度；為骨髓間充質(zhì)干細胞分化為骨細胞所用成熟時間；
由軟骨骨化形成骨細胞e分化(Ψ,t)可由下式表示：
式中，c骨為骨細胞濃度，單位為；c軟骨為軟骨細胞濃度，單位為；p為被礦化的礦化的軟骨的百分比；p最小、為常數(shù)；
軟骨細胞濃度與骨髓間充質(zhì)干細胞的分化和軟骨細胞的骨化有關(guān)，可由下式表示：
式中，g分化(Ψ,t)為由骨髓間充質(zhì)干細胞分化得到的軟骨細胞；g骨化(Ψ,t)為軟骨骨化過程；
其中，由骨髓間充質(zhì)干細胞分化得到的軟骨細胞g分化(Ψ,t)可由下式表示：
軟骨骨化過程g骨化(Ψ,t)可由下式表示：
g骨化＝-c分化 (24)
骨髓間充質(zhì)干細胞除了可以分化為骨細胞和軟骨細胞，還可以分化為成纖維細胞。如下式所示：
3)材料屬性求解子模塊
骨折愈合過程中，隨著組織分化的進行，骨折區(qū)域組織的材料屬性會發(fā)生變化。對軟骨組織而言，新生成的軟骨組織和鈣化后的軟骨組織材料屬性發(fā)生改變。對骨組織而言，不成熟的骨組織和成熟的骨組織材料屬性也有所不同。所以需對組織的材料屬性進行求解。不同的組織由以下主要成分組成：水、礦物質(zhì)、基質(zhì)、Ⅰ型膠原、Ⅱ型膠原和Ⅲ型膠原。所以，被破壞的組織，不成熟骨組織，軟骨組織，鈣化的軟骨組織，纖維結(jié)締組織和肉芽組織的材料屬性可由下式表示：
E＝2000p礦化+430pⅠ型膠原+200pⅡ型膠原+100pⅢ型膠原+0.7p基質(zhì) (26)
υ＝0.33p礦化+0.48(pⅠ型膠原+pⅡ型膠原+pⅢ型膠原)+0.49p基質(zhì) (27)
式中，p礦化為所含礦物質(zhì)比例，pⅠ型膠原為所含Ⅰ型膠原比例；pⅡ型膠原為所含Ⅱ型膠原比例；pⅢ型膠原為所含Ⅲ型膠原比例；p基質(zhì)為所含基質(zhì)比例。
成熟骨材料屬性由表觀密度表示，如下式所示：
E骨＝2014·ρ2.5，υ骨＝0.2當(ρ≤1.2g/cc) (28)
E骨＝1763·ρ3.2，υ骨＝0.32當(ρ≥1.2g/cc) (29)
本實施方式的其他組成與連接關(guān)系與具體實施方式一至四之一相同。
具體實施方式六：如圖5所示，本實施方式中，所述的骨痂生長建模模塊，實現(xiàn)其功能的具體過程為：
在骨折愈合過程中，骨痂的尺寸和形狀隨時間發(fā)生改變。影響骨痂尺寸和形狀的原因有兩個：骨髓間充質(zhì)干細胞增殖和軟骨細胞肥大化。可由下式表示：
式中，為骨髓間充質(zhì)干細胞增殖過程中骨痂生長速率；v為骨痂生長速率；為軟骨細胞肥大化過程中骨痂生長速率；
其中，骨髓間充質(zhì)干細胞增殖所引起的骨痂尺寸和形狀的改變由下式表示：
式中，為最大骨髓間充質(zhì)干細胞濃度；
軟骨細胞肥大化引起的骨痂尺寸和形狀的改變由下式表示：
式中，c軟骨為軟骨濃度，單位為軟骨數(shù)目/mm3；
其中，f生長(Ψ,t)可由下式表示：
式中，k肥大、Ψ鈣化、為與軟骨細胞肥大化相關(guān)的常數(shù)。
本實施方式其他組成與連接關(guān)系與具體實施方式一至五之一相同。
具體實施方式七：本實施方式中，所述的顯示模塊，實現(xiàn)其功能的具體過程為：
將計算機的顯示設備連接到計算機，用于進行視覺上的交互，進而判斷骨折愈合的狀態(tài)。
本實施方式中其他組成與連接關(guān)系與具體實施方式一至六之一相同。
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