一种模拟骨折愈合过程的仿真系统技术方案

一种模拟骨折愈合过程的仿真系统，涉及生物医学工程领域。本发明专利技术用来预测骨折愈合的复杂过程，探寻最佳的骨折愈合方案。所述系统包括骨折区域分析模型建立模块，血运重建子系统，骨折愈合过程建模子系统和程序终止判断模块。骨折区域分析模型建立模块用于建立骨折区域几何模型和有限元模型；血运重建子系统用于从细胞内分子水平和细胞水平对血管再生过程进行建模；骨折愈合过程建模子系统用于从组织水平对骨折愈合过程进行建模；程序终止判断模块用于判断程序是否终止。本发明专利技术分别从细胞内分子水平、细胞水平和组织水平对骨折愈合过程进行建模，使骨折愈合过程建模更加完善，能过更加准确的模拟骨折愈合过程，为探寻最佳的骨折愈合治疗方案提供有益帮助。

A simulation system for simulating fracture healing process

A simulation system for simulating fracture healing process is involved in the field of biomedical engineering. The invention is used to predict the complex process of fracture healing and explore the best plan for fracture healing. The system includes a fracture area analysis model building module, a blood vessel reconstruction subsystem, a fracture healing process modeling subsystem and a program termination judgment module. Fracture zone analysis model building module is used to build fracture zone geometry model and finite element model; blood vessel reconstruction subsystem is used to model the process of vascular regeneration from the molecular level and cellular level; fracture healing process modeling subsystem is used to model the process of fracture healing from the tissue level; program termination; The judgment module is used to determine whether the program is terminated. The invention models the fracture healing process from the intracellular molecular level, the cellular level and the tissue level, so that the fracture healing process modeling is more perfect, and the fracture healing process can be more accurately simulated, providing beneficial help for searching the best fracture healing treatment scheme.

【技术实现步骤摘要】
一种模拟骨折愈合过程的仿真系统
本专利技术涉及生物医学工程领域，特别涉及一种模拟骨折愈合过程的仿真系统。
技术介绍
骨折是一种常见的创伤，骨折的高发性使得骨折愈合机理及促进骨折愈合的研究尤为迫切。与其他组织损伤不同的是，骨折不是靠纤维结缔组织连接，而是骨组织的完全再生。尽管如此，并不是所有的骨折都可以完全愈合，有时会发生延迟愈合甚至是不愈合。骨折延迟愈合或者不愈合会引起患肢疼痛，功能障碍，导致患者失业，由此造成很大的社会经济负担。因此，尽管关于骨折愈合的研究一直备受关注，但仍然有5％～10％的骨折因各种原因发生延迟愈合甚至是不愈合。骨折愈合是一个非常复杂的生物过程，包含多种细胞，生长因子和细胞胞外基质的参与。其中，血管再生是骨折愈合的必要条件。良好的血管再生是骨折愈合过程中骨形成的重要前提条件。反之，若血管再生过程受阻，就会发生骨折延迟愈合甚至是不愈合。目前缺少能够从不同层次精确表达骨折愈合过程中的血管再生以及精确表达骨折愈合过程中相关细胞，相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系的骨折愈合过程计算机仿真系统。现存的骨折愈合过程仿真系统存在如下缺陷：1.没有针对专门患者的骨折愈合仿真系统；2.骨折愈合区域的模型建立过于简化。3.没有从不同层次表达骨折愈合中的血管再生过程；4.没有精确建立骨折愈合过程中相关细胞浓度，相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系；
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决骨折愈合过程中没有针对专门患者的骨折愈合仿真系统，骨折愈合区域模型建立过于简化，没有从不同层次描述骨折愈合中的血管再生过程及没有精确建立骨折愈合过程中相关细胞浓度，相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系的缺点，而提出的一种模拟骨折愈合过程的仿真系统。本专利技术的目的通过下述技术方案实现一种模拟骨折愈合过程的仿真系统，其特征在于，所述系统包括：骨折区域分析模型建立模块、血运重建子系统、骨折愈合过程建模子系统和程序终止判断模块。骨折区域分析模型建立模块用于建立骨折区域几何模型和有限元分析模型；血运重建子系统包括：细胞内部分子生理活动建模模块，用于从细胞内分子层次中相关分子生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模；所述的相关分子包括血管生成细胞生长因子受体，Notch1蛋白，Dll4蛋白，激活的血管生成细胞生长因子受体，几何的Notch1蛋白，有效激活的血管生成细胞生长因子受体，有效激活的Notch1蛋白和肌动蛋白。细胞生理活动建模模块，用于从细胞层次中血管生成细胞生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模。骨折愈合过程建模子系统包括：相关细胞浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞包括：间充质干细胞、成纤维细胞、软骨细胞和骨细胞；相关生长因子浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关生长因子浓度随时间的变化关系；所述的相关生长因子包括：软骨细胞生长因子、骨细胞生长因子和血管生成生长因子；相关细胞胞外基质浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞胞外基质包括：成纤维细胞胞外基质、软骨细胞胞外基质和骨细胞胞外基质；采用耦合偏微分方程组的方法对上述相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系进行建模；程序终止判断模块用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，则程序进行下一循环步；所满足终止条件，则程序结束，并记录骨折愈合时间，绘制相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化云图。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术提出的一种模拟骨折愈合方程仿真系统是基于windows开发语言平台来开发软件，通过自主编程实现骨折愈合过程的动态模拟，基于对话框的形式，易于操作，培训周期短；2.从多个层次对骨折愈合中的血管再生过程进行描述，实现了血管再生的精确表达；4.采用耦合偏微分方程组来对骨折愈合过程中先关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系进行精确表达，得到相关细胞浓度、生长因子浓度、细胞胞外基质浓度随时间的变化关系；5.通过构建骨折愈合仿真系统，可以对医生指定最优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，减少骨折不愈合和延迟愈合的情况；6.通过构建骨折愈合仿真系统，可以对建立的仿真模型进行多次重复实验研究，减少真实的生物实验，节省时间，提高效率，节省费用，避免人道主义的争议。综上，本专利技术的仿真平台克服了现有技术的缺点与不足。附图说明图1为一种模拟骨折愈合过程的仿真系统流程图；图2为骨折区域几何模型建立流程图；图3为骨折区域有限元模型建立流程图；图4为骨折愈合过程中细胞内水平中相关细胞内分子，细胞水平中血管生成细胞及组织水平中相关细胞的迁移、增殖、分化及分泌过程示意图。具体实施方式具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种模拟骨折愈合过程的仿真系统包括：骨折区域分析模型建立模块1、血运重建子系统2、骨折愈合过程建模子系统3和程序终止判断模块4；骨折区域分析模型建立模块1用于建立骨折区域几何模型和有限元分析模型；血运重建子系统2包括：细胞内部分子生理活动建模模块，用于从细胞内分子层次中相关分子生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模；所述的相关分子包括血管生成细胞生长因子受体，Notch1蛋白，Dll4蛋白，激活的血管生成细胞生长因子受体，几何的Notch1蛋白，有效激活的血管生成细胞生长因子受体，有效激活的Notch1蛋白和肌动蛋白。细胞生理活动建模模块，用于从细胞层次中血管生成细胞生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模。骨折愈合过程建模子系统3包括：相关细胞浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞包括：间充质干细胞、成纤维细胞、软骨细胞和骨细胞；相关生长因子浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关生长因子浓度随时间的变化关系；所述的相关生长因子包括：软骨细胞生长因子、骨细胞生长因子和血管生成生长因子；相关细胞胞外基质浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞胞外基质包括：成纤维细胞胞外基质、软骨细胞胞外基质和骨细胞胞外基质；采用耦合偏微分方程组的方法对上述相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系进行建模；程序终止判断模块4用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，则程序进行下一循环步；所满足终止条件，则程序结束，并记录骨折愈合时间，绘制相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化云图。具体实施方式二：如图1-4所示，本实施方式中，所述的骨折区域分析模型建立模块1实现其功能的具体过程为：1)骨折区域三维表面几何模型的建立；采用基于分割的三维医学影像表面重建算法对图像进行表面重构，通过阈值筛选、交互式分割和三维重建过程得到三维表面几何模型；所述的影像由影像设备CT得到，数据存储格式为DICOM；2)骨折区域有限元模型的建立；将骨折区域三维表面几何模型进行网格划分，使连续的几何模型离散化，得到骨折区域有限元模型；所述的网格划分包括面网格划分和体网格划分两个步骤：面网格划分过程用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟骨折愈合过程的仿真系统，其特征在于，所述系统包括：骨折区域分析模型建立模块(1)、血运重建子系统(2)、骨折愈合过程建模子系统(3)和程序终止判断模块(4)；其中，所述的骨折区域分析模型建立模块(1)用于建立骨折区域几何模型和有限元分析模型；所述的骨折区域分析模型建立模块(1)，实现其功能的具体过程为：1)骨折区域三维表面几何模型的建立采用基于分割的三维医学影像表面重建算法对图像进行表面重构，通过阈值筛选、交互式分割和三维重建过程得到三维表面几何模型；所述的影像由影像设备CT得到，数据存储格式为DICOM；2)骨折区域有限元分析模型的建立将骨折区域三维表面几何模型进行网格划分，使连续的几何模型离散化，得到骨折区域有限元分析模型；所述的网格划分包括面网格划分和体网格划分两个步骤：面网格划分过程用于将三维表面模型进行优化，包括：表面模型优化、平滑处理、修补漏洞；表面模型的优化通过减少表面模型的三角面片来实现，该过程只需将相邻的两个顶点合并到一个新的顶点上，并延续原有的拓扑关系；平滑处理的过程中，对三维的面网格模型进行去噪；修补漏洞的过程中，通过将模型当中的空洞提取成空间多边形，然后对空洞多边形进行三角化的方法实现；体网格划分的过程是将面网格模型进行拉伸、旋转步骤实现的；通过网格划分得到的骨折区域有限元分析模型包括单元编号和节点坐标两部分；单元编号包含四列数据，四列数据分别为每个单元的四个节点的节点序号；单元坐标包含三列数据，三列数据分别为每个节点的空间坐标值；其中，所述的血运重建子系统(2)包括：细胞内部分子生理活动建模模块，用于从细胞内分子层次中相关分子生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模；所述的相关分子包括血管生成细胞生长因子受体，Notch1蛋白，Dll4蛋白，激活的血管生成细胞生长因子受体，几何的Notch1蛋白，有效激活的血管生成细胞生长因子受体，有效激活的Notch1蛋白和肌动蛋白。细胞生理活动建模模块，用于从细胞层次中血管生成细胞生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模。其中，所述的骨折愈合过程建模子系统(3)包括：相关细胞浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞包括：间充质干细胞、成纤维细胞、软骨细胞和骨细胞；相关生长因子浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关生长因子浓度随时间的变化关系；所述的相关生长因子包括：软骨细胞生长因子、骨细胞生长因子和血管生成生长因子；相关细胞胞外基质浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞胞外基质包括：成纤维细胞胞外基质、软骨细胞胞外基质和骨细胞胞外基质；采用耦合偏微分方程组的方法对上述相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系进行建模；其中，所述的程序终止判断模块(4)用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，则程序进行下一循环步；若满足终止条件，则程序结束，并记录骨折愈合时间，绘制相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化云图；所述的程序终止判断模块(4)，实现其功能的具体过程为：判断当前分析步中，骨折区域单元骨浓度是否达到最大值并保持不变，若不满足上述条件，则程序进入下一循环步；若满足上述条件，则程序终止，并记录骨折愈合时间，绘制间充质干细胞浓度、成纤维细胞浓度、软骨细胞浓度、骨细胞浓度、软骨细胞生长因子浓度、骨细胞生长因子浓度、血管生成细胞生长因子浓度、成纤维细胞胞外基质浓度、软骨细胞胞外基质浓度和骨细胞胞外基质浓度随时间的变化云图。...

【技术特征摘要】
1.一种模拟骨折愈合过程的仿真系统，其特征在于，所述系统包括：骨折区域分析模型建立模块(1)、血运重建子系统(2)、骨折愈合过程建模子系统(3)和程序终止判断模块(4)；其中，所述的骨折区域分析模型建立模块(1)用于建立骨折区域几何模型和有限元分析模型；所述的骨折区域分析模型建立模块(1)，实现其功能的具体过程为：1)骨折区域三维表面几何模型的建立采用基于分割的三维医学影像表面重建算法对图像进行表面重构，通过阈值筛选、交互式分割和三维重建过程得到三维表面几何模型；所述的影像由影像设备CT得到，数据存储格式为DICOM；2)骨折区域有限元分析模型的建立将骨折区域三维表面几何模型进行网格划分，使连续的几何模型离散化，得到骨折区域有限元分析模型；所述的网格划分包括面网格划分和体网格划分两个步骤：面网格划分过程用于将三维表面模型进行优化，包括：表面模型优化、平滑处理、修补漏洞；表面模型的优化通过减少表面模型的三角面片来实现，该过程只需将相邻的两个顶点合并到一个新的顶点上，并延续原有的拓扑关系；平滑处理的过程中，对三维的面网格模型进行去噪；修补漏洞的过程中，通过将模型当中的空洞提取成空间多边形，然后对空洞多边形进行三角化的方法实现；体网格划分的过程是将面网格模型进行拉伸、旋转步骤实现的；通过网格划分得到的骨折区域有限元分析模型包括单元编号和节点坐标两部分；单元编号包含四列数据，四列数据分别为每个单元的四个节点的节点序号；单元坐标包含三列数据，三列数据分别为每个节点的空间坐标值；其中，所述的血运重建子系统(2)包括：细胞内部分子生理活动建模模块，用于从细胞内分子层次中相关分子生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模；所述的相关分子包括血管生成细胞生长因子受体，Notch1蛋白，Dll4蛋白，激活的血管生成细胞生长因子受体，几何的Notch1蛋白，有效激活的血管生成细胞生长因子受体，有效激活的Notch1蛋白和肌动蛋白。细胞生理活动建模模块，用于从细胞层次中血管生成细胞生理活动对骨折愈合过程中的血运重建过程进行建模。其中，所述的骨折愈合过程建模子系统(3)包括：相关细胞浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞包括：间充质干细胞、成纤维细胞、软骨细胞和骨细胞；相关生长因子浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关生长因子浓度随时间的变化关系；所述的相关生长因子包括：软骨细胞生长因子、骨细胞生长因子和血管生成生长因子；相关细胞胞外基质浓度建模模块，用于建立骨折愈合过程中相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系；所述的相关细胞胞外基质包括：成纤维细胞胞外基质、软骨细胞胞外基质和骨细胞胞外基质；采用耦合偏微分方程组的方法对上述相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化关系进行建模；其中，所述的程序终止判断模块(4)用于判断程序是否终止，若不满足终止条件，则程序进行下一循环步；若满足终止条件，则程序结束，并记录骨折愈合时间，绘制相关细胞浓度、相关生长因子浓度和相关细胞胞外基质浓度随时间的变化云图；所述的程序终止判断模块(4)，实现其功能的具体过程为：判断当前分析步中，骨折区域单元骨浓度是否达到最大值并保持不变，若不满足上述条件，则程序进入下一循环步；若满足上述条件，则程序终止，并记录骨折愈合时间，绘制间充质干细胞浓度、成纤维细胞浓度、软骨细胞浓度、骨细胞浓度、软骨细胞生长因子浓度、骨细胞生长因子浓度、血管生成细胞生长因子浓度、成纤维细胞胞外基质浓度、软骨细胞胞外基质浓度和骨细胞胞外基质浓度随时间的变化云图。2.根据权利要求1所述的一种模拟骨折愈合过程的仿真系统，其特征在于，所述的血运重建子系统(2)实现其功能的具体过程为：1)细胞内部分子生理活动建模模块血管生成细胞生长因子受体激活过程描述如下：式中，Vt'为血管生成细胞生长因子受体数量，Vsink为血管生成细胞生长因子诱饵受体数量，t为时间，δt为子程序循环时间，Vmax为血管生成细胞生长因子受体最大数量，gvessel为血管生成细胞生长因子浓度，Mtot为血管生成细胞细胞膜总量；Dll4蛋白数量建模过程如下：Dt＝Dt-δt+Vt”-δtδ-Nt'-δt,neighbours(2)式中，Dt为Dll4蛋白数量，Dt-δt为先前的Dll4蛋白数量，δ为由血管生成细胞生长因子受体引起的Dll蛋白变化量，Nt'-δt,neighbours为由邻近血管生成细胞去除的Dll4蛋白数量；当Notch信号通路在细胞内激活后，血管生成细胞生长因子受体下调，抑制尖端细胞表型，该过程建模如下：Vt＝Vmax-Nt”-δtσ(3)式中，σ为由于Notch信号通路激活，血管生成细胞生长因子变化量；尖端细胞运动建模过程如下：式中，为尖端细胞运动位置，vtip为尖端细胞速率，为尖端细胞运动方向；其中，尖端细胞运动速率如下式所示：式中，为尖端...

【专利技术属性】
技术研发人员：王沫楠，杨宁，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23