骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统技术方案

本发明专利技术属于骨修复技术领域，提供了一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统。其中该方法包括获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件。床手术的注射条件。床手术的注射条件。

【技术实现步骤摘要】
骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统


[0001]本专利技术属于骨修复
，尤其涉及一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]骨水泥是一种用于填充骨与植入物间隙或骨髓腔并且具有自凝特性的骨修复材料。将骨水泥作为骨修复材料用于治疗骨质疏松性骨折的技术称为骨修复技术，常见脊椎骨修复技术有两种，分别是经皮穿刺椎体成形术(PVP)和经皮穿刺椎体后凸成形术(PKP)。目前对于经皮椎体成形术的改进多基于大量临床手术的经验积累进行，如网袋成形术(Vesselplasty)。网袋成形术主要包括骨水泥的充填/注入、弥散和固化三个过程，其中弥散过程包括骨水泥从骨填充网袋壁的多孔介质里受压渗出和渗出后在骨折椎体微环境中的空间内非均匀弥散过程。
[0004]专利技术人发现，临床上骨水泥注入骨折椎体内的弥散分布大多由主治医师的经验决定，缺乏理论指导，而这些过程又直接决定骨水泥在临床上的使用效果和疗效，也影响着患者对手术的满意度。

技术实现思路

[0005]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统，其能够基于骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和在骨折椎体微环境中的空间内非均匀弥散过程的数值模拟结果和优化设计结果，对实际临床应用中的骨水泥注入过程的注射条件提供指导。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
>[0007]本专利技术的第一个方面提供一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其包括：
[0008]获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；
[0009]基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；
[0010]获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；
[0011]其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。
[0012]本专利技术的第二个方面提供一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟系统，其包括：
[0013]数值仿真模型构建模块，其用于获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；
[0014]弥散分布预测模块，其用于基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；
[0015]设计变量优化模块，其用于获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；
[0016]其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。
[0017]本专利技术的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。
[0018]本专利技术的第四个方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0020](1)本专利技术提供的数值模拟技术来数学描述骨水泥从网袋中受压渗出和渗出后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程，解决了用网袋成形术将骨水泥注入骨折椎体后的弥散过程缺乏系统的理论依据的问题。
[0021](2)本专利技术创新性地集成了多孔介质渗流力学、计算流体力学和骨水泥骨修复理论，数值模拟骨水泥从骨填充网袋里受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。
[0022](3)本专利技术提供了一种理论分析、数值模拟、实验研究和优化设计相结合的方法，综合应用灵敏度分析、多孔介质渗流力学、数值模拟技术、虚拟现实技术、医学影像学技术和骨水泥骨修复技术，创新性地开展骨填充网袋和骨折椎体的结构和渗透性能的相关性建模和数值计算。
[0023]本专利技术附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0024]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0025]图1是本专利技术的实施方式所涉及到的骨水泥注入装置示意图；
[0026]图2是本专利技术的实施方式所涉及到的骨折椎体模型示意图；
[0027]图3是本专利技术的实施方式所涉及到的用网袋成形术注入骨水泥后的椎体模型示意图；
[0028]图4是本专利技术的实施方式所涉及到的骨填充网袋和骨折椎体渗透性能的结构相关性建模与骨水泥弥散分布优化设计的技术路线；
[0029]图5是本专利技术示例1中的骨水泥注入压力与弥散系数的关系图；
[0030]图6是本专利技术示例2中的骨水泥静置时间与弥散系数的关系图；
[0031]图7是本专利技术示例3中的骨填充网袋的网孔直径与弥散系数的关系图。
[0032]其中，1：棘突；2：乳突；3：骨水泥推杆；4：骨水泥注入管；5：工作通道6：横突；7：骨填充网袋；8：皮质骨；9：松质骨；10：网袋微孔；11：椎孔；12：骨折椎体；13：骨折裂缝。
具体实施方式
[0033]下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。
[0034]应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0035]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0036]实施例一
[0037]参照图4.本实施例提供了一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其具体包括如下步骤：
[0038]步骤1：获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型。
[0039]所述骨填本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，包括：获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。2.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，采用多孔介质渗流力学描述骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出过程，模拟计算骨填充网袋的等效渗透率及其分布。3.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，采用计算流体力学描述骨水泥渗出骨填充网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程，模拟计算骨折椎体的等效渗透率及其分布。4.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，所述弥散分布由弥散系数决定的，其中，弥散系数＝弥散体积/注射体积。5.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，所述数值模拟方法还包括：可视化仿真骨水泥受压渗出骨填充网袋和渗出网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。6.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖星，张通，贾玉玺，黄斌，程梦萱，马清伟，赵志彦，万国顺，盛男，郑瑞乾，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：