一种基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声作用以及力环境的骨折愈合仿真方法，具体包括以下步骤：建立骨折部位的三维模型；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；对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的膨胀应变和畸变应变；建立骨折区域的超声三维扩散模型；对超声三维扩散模型进行有限元解算，求出骨折区域的声场分布：建立力和超声声场分布联合控制的模糊数学模型；计算组织内新的材料属性；根据以上步骤建立基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真过程，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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真方法
本专利技术涉及基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真方法。
技术介绍
近年来，随着建筑、交通等行业的飞速发展以及中国目前的人口老龄化情况加剧，每年的建筑伤、交通伤和老年骨质疏松性骨折患者数量快速增加。据2015年的交通事故统计显示，2015年共发生车祸10597358起，其中98.5％的人受到创伤；据2015年中国老年人健康大数据显示，骨质疏松症已跃升常见病、多发病的第七位。其中60岁以上的人群患病率为56％，女性占60％—70％。在这些疾病中骨折发生率接近总数据的三分之一，每年医疗费用大概需要人民币150亿，为社会和家庭带来了沉重的经济负担。但并不是所有的骨折都可以被修复，一些年龄大的人或者有的人身患会对骨折修复造成负面影响的疾病，这部分人群会出现骨折不修复或者拖延修复，骨折延迟愈合或者不愈合引起患肢疼痛，功能障碍，会给患者带来极大的痛苦。另一方面科研工作者发现超声对促进骨折愈合有着积极的影响，超声作用于骨折部位时，可引起生物体系的功能或结构发生改变，不仅可以加速新鲜骨折的愈合，而且可以治疗骨折延缓愈合和不愈合。用脉冲超声对385例骨折延缓愈合和不愈合患者进行了治疗，结果愈合率为85％，对951例骨折延缓愈合患者进行了治疗，91％获得成功；对366例骨折不愈合患者进行了治疗，86％获得成功。超声波对骨折愈合的作用以费用低廉、无感染、无创伤、治疗简单、无不良反应、效果理想而逐渐受到人们的关注与重视。目前缺少能够表达超声在骨折愈合过程中发挥如此重要作用的计算机仿真模型，首先是没有考虑骨折愈合过程中超声作用对组织内细胞增殖分化的影响；其次是没有考虑到超声到底是用何种形式的能量输送到了骨折部位；还有是没有找到合适的数学模型来表达超声对骨折愈合过程中的积极作用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有超声作用的骨折愈合过程动态仿真方法，以解决上述问题。一种基于超声作用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，并施加力刺激；步骤四：对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的膨胀应变和畸变应变；步骤五：建立骨折区域的超声三维扩散模型；步骤六：对超声三维扩散模型进行有限元解算，求出骨折区域的声场分布；步骤七：建立力和超声声场分布联合控制的模糊数学模型，力和超声声场分布联合控制的模糊数学模型包括隶属度和模糊控制规则；步骤八：计算组织内新的材料属性；步骤九：根据以上步骤建立基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真过程，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。其中，步骤一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Minics软件中进行三维重建；3)将三维重建的模型导入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。其中，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。其中，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，施加的力为骨折部位正常动作时所能承受的力的最大值。其中，步骤四有限元解算过程如下：基于弹性力学基本方程建立骨痂单元应力应变关系如公式(1)所示：σ＝Dε(1)式中，σ为应力矩阵，D为弹性矩阵，ε为应变矩阵，将公式(1)展开为公式(2)所示：根据广义胡克定律和相关实验，弹性矩阵D是由力学参数弹性模量E和泊松比ν决定的，则弹性矩阵D可表示为：式中，E为弹性模量，ν为泊松比；骨折愈合过程中，纤维组织浓度、软骨组织浓度和骨组织浓度在不断变化，各组织浓度以及各组织弹性模量决定了骨痂单元的弹性模量，各组织浓度以及各组织泊松比决定了单元的泊松比。单元的弹性模量和泊松比计算如公式(4)、(5)所示：v＝vboneCbone+vcartCcart+vcontCcont(5)式中，E为骨痂单元的弹性模量，Ebone为骨的弹性模量，Ecart为软骨的弹性模量，Econt为纤维组织的弹性模量，Cbone为骨组织浓度，Ccart为软骨组织浓度，Ccont为纤维组织浓度，v为骨痂单元的泊松比，vbone为骨的泊松比，vcart为软骨的泊松比，vcont为纤维组织的泊松比；经过有限元解算后，求解出膨胀应变和畸变应变如公式(6)、公式(7)所示：式中，应变第一变量ε0为膨胀应变，表示体积的改变。第二应变变量γ0为畸变应变，表示形状的改变，ε1为第一主应变，ε2为第二主应变，ε3为第三主应变。其中，步骤五超声三维扩散模型建立过程如下：超声的作用会使骨折部位组织产生声流，也就是组织的微流动，因此将骨折部位看成微流体并且骨折部位不同组织对超声的吸收程度不同，所以超声声压在骨折部位的分布会非常不均，建立超声三维扩散需作如下假设：1)声波作为一种物质，并不会脱离时间而存在，因此，假设超声传播具有连续性；2)虽然把骨折部位看成微流体，但这个流动的速度并不是太快，与超声的传播速度根本不在一个数量级，微流体流速近似可以忽略，因此，假设背景流体静止；3)任何形式的能量存在都会有热量，超声传播也不例外，但为了模型的简化以及为了突出超声声压在骨折愈合中的作用，热量的交换暂不考虑在内；超声波的传播过程是一种宏观的物理现象，牛顿运动方程、质量守恒方程和物态方程在超声传播的过程中必然适用；理想介质中超声波传播的运动方程如公式(8)：式中，ρ0为流体介质密度，v0为流体介质流速，P为超声的声压；简化的运动方程如公式(9)：理想介质中超声波传播简化的物态方程如公式(10)：dP＝c2dρ0(10)式中，P为超声的声压，c2为超声波在理想介质中的传播速度，k0为流体介质体积模量，ρ0为流体介质密度；理想介质中超声波传播的连续性方程如公式(11)：式中，P为超声的声压，ρ0为流体介质密度，v0为流体介质流速；基于公式(9)、公式(10)和公式(11)三个基本方程，得出理想介质中小振幅声波的三维波动方程如公式(12)：式中，P为超声的声压，c2为超声波在理想介质中的传播速度，k0为流体介质体积模量，ρ0为流体介质密度，为拉普拉斯算子，其中，步骤六对超声三维扩散模型进行有限元解算过程为：设置超声声压初始值，并且设置三维模型的边界条件，由于各组织对超声的吸收程度不同，用有限体积差分法进行求解，可以获得三维模型中的声场分布，得出所有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真方法，包括如下步骤：/n步骤一：建立骨折部位的三维几何模型；/n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；/n步骤三：对骨痂内初始时刻的材料属性进行赋值，并施加力刺激；/n步骤四：对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的膨胀应变和畸变应变；/n步骤五：建立骨折区域的超声三维扩散模型；/n步骤六：对超声三维扩散模型进行有限元解算，求出骨折区域的声场分布；/n步骤七：建立力和超声声场分布联合控制的模糊数学模型，力和超声声场分布联合控制的模糊数学模型包括隶属度和模糊控制规则；/n步骤八：计算组织内新的材料属性；/n步骤九：根据以上步骤建立基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真过程，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于超声作用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，并施加力刺激；
步骤四：对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的膨胀应变和畸变应变；
步骤五：建立骨折区域的超声三维扩散模型；
步骤六：对超声三维扩散模型进行有限元解算，求出骨折区域的声场分布；
步骤七：建立力和超声声场分布联合控制的模糊数学模型，力和超声声场分布联合控制的模糊数学模型包括隶属度和模糊控制规则；
步骤八：计算组织内新的材料属性；
步骤九：根据以上步骤建立基于超声作用以及力学环境的骨折愈合仿真过程，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。


2.根据权利要求1所述的基于超声作用和力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤一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Minics软件中进行三维重建；
3)将三维重建的模型导入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所述的基于超声作用和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所述的基于超声作用和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，施加的力为骨折部位正常动作时所能承受的力的最大值。


5.根据权利要求1所述的基于超声作用和力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤四有限元解算过程如下：
基于弹性力学基本方程建立骨痂单元应力应变关系如公式(1)所示：
σ＝Dε(1)
式中，σ为应力矩阵，D为弹性矩阵，ε为应变矩阵，将公式(1)展开为公式(2)所示：



根据广义胡克定律和相关实验，弹性矩阵D是由力学参数弹性模量E和泊松比v决定的，则弹性矩阵D可表示为：



式中，E为弹性模量，v为泊松比；
骨折愈合过程中，纤维组织浓度、软骨组织浓度和骨组织浓度在不断变化，各组织浓度以及各组织弹性模量决定了骨痂单元的弹性模量，各组织浓度以及各组织泊松比决定了单元的泊松比。单元的弹性模量和泊松比计算如公式(4)、(5)所示：



v＝vboneCbone+vcartCcart+vcontCcont(5)
式中，E为骨痂单元的弹性模量，Ebone为骨的弹性模量，Ecart为软骨的弹性模量，Econt为纤维组织的弹性模量，Cbone为骨组织浓度，Ccart为软骨组织浓度，Ccont为纤维组织浓度，v为骨痂单元的泊松比，vbone为骨的泊松比，vcart为软骨的泊松比，vcont为纤维组织的泊松比；
经过有限元解算后，求解出膨胀应变和畸变应变如公式(6)、公式(7)所示：






式中，应变第一变量ε0为膨胀应变，表示体积的改变。第二应变变量γ0为畸变应变，表示形状的改变，ε1为第一主应变，ε2为第二主应变，ε3为第三主应变。


6.根据权利要求1所述的基于超声作用和力学环境的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤五超声三维扩散模型建立过程如下：
超声的作用会使骨折部位组织产生声流，也就是组织的微流动，因此将骨折部位看成微流体并且骨折部位不同组织对超声的吸收程度不同，所以超声声压在骨折部位的分布会非常不均，建立超声三维扩散需作如下假设：
1)声波作为一种物质，并不会脱离时间而存在，因此，假设超声传播具有连续性；
2)虽然把骨折部位看成微流体，但这个流动的速度并不是太快，与超声的传播速度根本不在一个数量级，微流体流速近似可以忽略，因此，假设背景流体静止；
3)任何形式的能量存在都会有热量，超声传播也不例外，但为了模型的简化以及为了突出超声声压在骨折愈合中的作用，热量的交换暂不考虑在内；
超声波的传播过程是一种宏观的物理现象，牛顿运动方程、质量守恒方程和物态方程在超声传播的过程中必然适用；
理想介质中超声波传播的运动方程如公式(8)：



式中，ρ0为流体介质密度，v0为流体介质流速，P为超声的声压；
简化的运动方程如公式(9)：



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【专利技术属性】
技术研发人员：王沫楠，史小康，
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