一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法技术

一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法，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，探寻最优的骨折愈合方案。本发明专利技术步骤为：步骤一：建立骨折位置的三维几何模型；步骤二：将步骤一中得到的模型进行网格划分，建立组织域有限元模型；步骤三：对步骤二中的有限元模型进行仿真初始化设置，确定载荷以及边界条件；步骤四：计算组织域中各组织的生长速度；步骤五：求对组织域进行有限元分析，计算组织域上的组织在时间上的传输方程；步骤六：计算血管的生长；步骤七：计算时间步长的误差；步骤八：判断程序是否满足中止条件，若不满足，程序从步骤四开始进入下一个迭代循环，若满足，则程序中止，并记录愈合时间。通过本发明专利技术可以更加精确的模拟骨折愈合过程，并为医生选择骨折治疗方案提供有益帮助。医生选择骨折治疗方案提供有益帮助。医生选择骨折治疗方案提供有益帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法

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[0001]本专利技术涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法。

技术介绍
：
[0002]骨折是临床上的常见病、多发病，骨折愈合是一个由多个复杂的、连续的细胞和分子事件协调的增殖的生理过程，然而，不同的外源性和内源性因素可能会导致延迟愈合、骨不连或假关节等状况的出现。
[0003]骨折愈合过程主要受力学因素、生物学因素的影响。尤其是力学因素是骨折愈合的重要影响因素，适当的力学刺激会加速间充质干细胞的分化，从而加快软骨组织和骨组织的形成。不当的力学刺激可能会导致延迟愈合甚至二次骨折。目前缺少能够精确表达骨折愈合这一复杂过程的计算机仿真方法。现存的骨折愈合仿真方法存在如下缺陷：
[0004]1.仿真方法中没有考虑到血运重建的重要作用；
[0005]2.对固定器的选取有极大地限制，阻碍医生为患者提供更良好的治疗方案；
[0006]3.仿真方法中包括组织生长速度在内的因素与实验可观察的参数相关性差；
[0007]4.缺少骨折愈合过程中各组织浓度相对于时间的演变过程。

技术实现思路
：
[0008]本专利技术的目的是为了解决骨折愈合仿真中没有考虑到愈合过程中的各组织浓度相对于时间的演变过程，能够精准地预测碎片间运动的历史。
[0009]本专利技术的目的通过下述技术方案实现一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：
[0010]步骤一：建立骨折位置的三维几何模型；
[0011]步骤二：将步骤一中得到的模型进行网格划分，建立组织域有限元模型；
[0012]步骤三：对步骤二中的有限元模型进行仿真初始化设置，确定载荷以及边界条件；
[0013]步骤四：计算组织域中各组织的生长速度；
[0014]步骤五：对组织域进行有限元分析，计算组织域上的组织在时间上的传输方程；
[0015]步骤六：计算血管的生长；
[0016]步骤七：计算时间步长的误差；
[0017]步骤八：判断程序是否满足中止条件，若不满足，程序从步骤四开始进入下一个迭代循环，若满足，则程序中止，并记录愈合时间。
[0018]本专利技术的有益效果为：
[0019]1.基于界面捕捉的骨折愈合仿真方法，使仿真更加贴近真实的骨折愈合过程，符合骨折愈合特性。
[0020]2.通过构建骨折愈合仿真方法，可以预测碎片间运动的历史，可以精准地知道各组织随时间的演变过程。
[0021]3.通过构建骨折愈合仿真方法，不对固定器进行特殊限制，可以对医生制定最优的治疗方案提供指导，进而得到更好的治疗效果。
[0022]4.通过构建骨折愈合仿真方法，可以对建立的仿真模型进行多次重复实验，减少真实的生物实验，节省时间，提高效率，节省费用，避免人道主义争议。
[0023]综上，本专利技术的仿真方法克服了现有技术的缺点和不足。
附图说明：
[0024]图1为基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法实施过程的流程图；
具体实施方式：
[0025]一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法包括以下步骤：
[0026]步骤一：建立骨折位置的三维几何模型；
[0027]1)通过医疗影像设备CT得到图像，图像格式为DICOM；
[0028]2)将图像导入Mimics软件中进行三维重建；
[0029]3)将三维重建后的模型导入Geomagic软件中进行平滑处理以及实体化操作，得到骨折位置的三维几何模型。
[0030]步骤二：将步骤一中得到的模型进行网格划分，建立组织域有限元模型；
[0031]1)将步骤一得到的模型导入ANSYS中进行网格划分；
[0032]2)将骨折区域划分为与时间不相关的非重叠的子域Ω
i
(t)，每一个子域都填充一种组织类型，Ω
i
(t)由移动界面Γ
i
(t)来界定，其中t∈[0,T]，T为仿真过程的终止时间。
[0033]步骤三：对步骤二中的有限元模型进行仿真初始化设置，确定载荷以及边界条件；
[0034]1)骨折区域单元材料属性可分为依赖时间的非重叠的组织域Ω
i
(t)和血管生长的附加域Ω
v
(t)，其中i∈{st,ca,wb,lb}(st表示软组织，ca表示软骨，wb表示编织骨，lb表示板层骨)；
[0035]2)组织域涉及四种参与骨折愈合的组织类型，分别是软组织，软骨，编织骨和板层骨，每种组织类型对于界面的函数关系，用一个水平集函数表示，如下所示：
[0036][0037]其中，dist表示组织域内一点x到界面Γ
i
上最近一点之间的欧几里得距离；
[0038]界面的法向量n
i
和曲率k
i
可以表示为：
[0039][0040]Ω
i
(t)通常由指示器函数给出，如下：
[0041][0042]此外，还包括两种影响力学，但不影响组织分化的两种组织，分别是骨髓和肌肉组织，这两种组织在时间和空间上保持不变；
[0043]3)随后的组织域和血管生长的附加域在步骤四、步骤五获得；
[0044]4)外加载荷和边界条件的设置根据已经选择的固定器施加载荷。
[0045]步骤四：计算组织域中各组织的生长速度；
[0046]计算成骨，软骨生成和血管生长的偏应变，计算公式如下：
[0047][0048][0049]其中，ε0表示静水应变即体积变化，ε1表示单元内第一主应变，ε2表示单元内第二主应变，ε3表示单元内第三主应变，γ0表示形状应变；
[0050]根据ε0，γ0确定骨折愈合阶段，它们的对应关系是：
[0051][0052][0053]各组织的增长速度计算公式如下：
[0054]v
i
＝(υ
i
‑
ζ
·
k
i
)
·
n
i
,i∈{st,ca,wb,lb} (6)
[0055]式中，v
i
表示组织i实际生长速度，ζ表示数值稳定项系数，本专利技术中k
i
，n
i
由方程(2)给出，υ
i
表示垂直组织生长速度，各阶段υ
i
如下：
[0056][0057]步骤五：对组织域进行有限元分析，计算组织域上的组织在时间上的传输方程；
[0058]1)组织域上编织骨和板层骨在时间上的传输方程如下：
[0059][0060]2)软骨在时间上的传输方程如下：
[0061][0062]3)软组织的传输方程可通过检查归一化来确定
[0063]步骤六：计算血管的生长；
[0064]1)采用扩散方程进行血管生长的模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：步骤一：建立骨折位置的三维几何模型；步骤二：将步骤一中得到的模型进行网格划分，建立组织域有限元模型；步骤三：对步骤二中的有限元模型进行仿真初始化设置，确定载荷以及边界条件；步骤四：计算组织域中各组织的生长速度；步骤五：对组织域进行有限元分析，计算组织域上的组织在时间上的传输方程；步骤六：计算血管的生长；步骤七：计算时间步长的误差；步骤八：判断程序是否满足中止条件，若不满足，程序从步骤四开始进入下一个迭代循环，若满足，则程序中止，并记录愈合时间。2.根据权利要求书1所述的一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤一中骨折位置三维几何模型的建立过程如下：1)通过医疗影像设备CT得到图像，图像格式为DICOM；2)将图像导入三维重建软件中进行三维重建；3)将三维重建后的模型导入软件中进行平滑处理以及实体化操作，得到骨折位置的三维几何模型。3.根据权利要求书1所述的一种基于界面捕捉技术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有限元软件中进行网格划分，建立有限元模型。4.根据权利要求书1所述的一种基于界面捕捉技术的骨折愈合仿真方法，其特征在于：所述步骤三中仿真初始化设置：骨折区域单元材料属性可分为依赖时间的非重叠的组织域Ω
i
(t)和血管生长的附加域Ω
v
(t)，其中i∈{st,ca,wb,lb}(st表示软组织，ca表示软骨，wb表示编织骨，lb表示板层骨)；组织域涉及四种参与骨折愈合的组织类型，分别是软组织，软骨，编织骨和板层骨，每种组织类型对于界面的函数关系，用一个水平集函数φ
i
(x,t)表示，如下所示：其中，dist表示组织域内一点x到界面Γ
i
上最近一点之间的欧几里得距离，t表示时间；界面的法向量n
i
和曲率k
i
可以表示为：其中
▽
表示哈密顿算子Ω
i
(t)通常由指示器函数给出，如下：此外，还包括两种影响力学，但不影响组织分化的两种组织，分别是骨髓和肌肉组织，这两种组织在时间和空间上保持不变；随后的组织域和血管生长的附加域在步骤四、步骤五获得；
外加载荷和边界条件的设置根据...

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