一种牵张成骨的仿真系统技术方案

一种牵张成骨的仿真系统，涉及数值模拟仿真技术领域。本发明专利技术可再现牵张成骨术中复杂的骨再生动态过程和成骨效果，可用于确定最佳骨再生效果的牵张方案，为临床牵张成骨手术提供术前指导。所述系统包括对象截骨区域个体化三维重建模块、牵张参数设置模块、截骨区域计算生物力学分析模块、骨再生动态过程模拟模块和显示模块。截骨区域个体化三维重建模块用于在对象医学图像基础上重建截骨区域真实的几何模型。牵张参数设置模块用于设置不同牵张加载模式和参数。截骨区域计算生物力学分析模块用于建立生物力学模型并进行有限元分析。骨再生动态过程模拟模块用于再现骨痂的骨再生过程。显示模块用于显示仿真计算的结果。

【技术实现步骤摘要】
一种牵张成骨的仿真系统
：本专利技术涉及数值模拟仿真
，具体涉及一种牵张成骨的仿真系统。
技术介绍
：牵张成骨术是通过截骨术将骨骼切开，利用牵张器对骨组织施加稳定和缓慢的牵张力以刺激组织细胞的再生和生长，促进牵张间隙中新骨形成和矿化，从而达到延长骨骼的目的。目前临床上牵张成骨术最大的缺陷在于新骨形成和矿化缓慢，导致牵张器滞留时间久、治疗周期漫长，给患者的生活和工作带来了极大的不便。据临床报道，牵张成骨术治疗下肢(股骨和胫骨)骨缺损所需的牵张支架固定时间可达10个月到3年。另外，约35％～68％的牵张成骨手术存在骨愈合延迟或不愈合等问题。因此，研究如何加速牵张成骨术中新骨形成和矿化进而缩短治疗周期具有非常重要的临床实用价值。牵张成骨新骨形成和矿化的快慢取决于所施加的牵张模式(如牵张期牵张速率、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等)，但目前牵张模式的选择大都基于医生经验，尚没有一种可供医生术前选择最佳牵张模式的工具。牵张成骨系统仿真通过建立力学生物学模本文档来自技高网...

【技术保护点】
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；/n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；/n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；/n所述系统A2牵张参数设置模块用于对对象个体化三维截...

【技术特征摘要】
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ndiff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ndiff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。


5.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A4骨再生动态过程模拟模块将B2有限元分析得到截骨区域有限元模型各单元的畸变应变γ0和膨胀应变ε0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，包括：
C1、建立组织分化模型
将截骨区域有限元模型中每个单元的七个变量作为输入，包括：单元中骨含量的百分比，单元中软骨含量的百分比，单元的膨胀应变，单元的畸变应变，单元的血管分布，邻近单元中骨含量的影响和邻近单元血供的影响；建立包含血管生成、膜内骨化、软骨生成、软...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海胜，付瑞森，刘有军，冯懿俐，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11