【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及生物力学，尤其涉及一种考虑应力遮挡的骨重建评估方法、装置、设备和存储介质。
技术介绍
1、临床上，脊柱融合术是治疗脊柱疾病的主要方法，椎间融合器在颈椎及腰椎的脊柱融合手术中得到广泛应用。如何评价使用椎间融合器后的骨重建情况成为必要的术前评估内容。骨重建(bone remodeling)是指骨组织的形态和密度随着生物力学环境的改变而改变的生理行为，术后骨重建需要骨组织承担一定水平的应力。wolff定律指出骨骼生长与应力环境之间的关系：较大的应力促进骨的生长，较低的应力无法促进生长将导致骨的吸收。
2、计算骨重建方法是骨重建的术前评估的重要方法之一，是指采用有限元方法或其他计算方法，对给定的手术方案(椎间融合器的选取和位置等)，进行手术后骨骼应力状态评估，以确认骨能否按照预计的情况进行重建。
3、在目前的计算方法中，没有考虑到应力遮挡现象。所谓应力遮挡，是指在骨重建过程中，刚度较大的植入物(椎间融合器)与刚度较小的骨组织之间共同承担外载，在应变边界一致的情况下，骨组织所承担的应力要远小于植入物所承担的应力。在计算过程中如果不考虑应力遮挡，会导致计算结果中骨组织承担的应力大于实际有应力遮挡情况下骨组织所承担的应力，使计算结果偏离实际，术前评估无效。
技术实现思路
1、基于此，有必要针对上述问题，提出了一种考虑应力遮挡的骨重建方法、装置、计算设备和存储介质，更真实的模拟骨组织的生长预测，可以有效的进行骨重建效果的术前评估。
2、为实现上述目
3、一种考虑应力遮挡的骨重建评估方法，所述方法包括：
4、建立计算模型，所述计算模型包括结构和边界条件，所述结构包括重建域、不可设计的骨骼、植入物和设置于所述重建域内的初始重建骨，所述初始重建骨在所述重建域内生长；所述边界条件包括作用在所述不可设计的骨骼上的外部载荷和所述植入物与所述不可设计的骨骼之间的位置关系；对所述计算模型进行网格划分，得到单元及节点，其中，所述重建域涉及的单元为重建域单元，所述重建域单元的个数为n个；
5、形成优化问题列式，所述优化问题列式的设计变量是ρ＝(ρ1,…,ρe…,ρn)t,其中ρe为第e个所述重建域单元的相对密度，其物理意义为骨重建区域内的骨密度，ρmin＜ρe≤1，ρmin为给定的最小密度；所述优化问题列式的目标函数为各所述重建域单元的应力σe的函数i＝i(σe)，所述约束条件包括外部载荷约束、能量约束和体积分数约束；
6、求解所述优化问题列式，在求解所述优化问题列式的其中至少一个求解步后，还对更新后的所述设计变量ρ进行过滤处理，所述过滤处理为：当某一个或多个所述重建域单元的应力σe小于给定的应力限制时，则将所述重建域单元的相对密度乘以一个小于1的过滤函数；
7、完成求解所述优化问题列式后，根据更新后的所述设计变量ρ得到生长后的重建骨，将所述生长后的重建骨设置于所述重建域，得到更新后的所述计算模型，对更新后的所述计算模型进行计算，得到所述生长后的重建骨的应力分布场，统计所述应力分布场，得到骨重建评估结果。
8、另一技术方案的考虑应力遮挡的骨重建评估方法的优化装置，所述装置包括：
9、计算模型建立模块，所述计算模型建立模块用于建立计算模型，所述计算模型包括结构和边界条件，所述结构包括重建域、不可设计的骨骼、植入物和设置于所述重建域内的初始重建骨，所述初始重建骨在所述重建域内生长；所述边界条件包括作用在所述不可设计的骨骼上的外部载荷和所述植入物与所述不可设计的骨骼之间的位置关系；对所述计算模型进行网格划分，得到单元及节点，其中，所述重建域涉及的单元为重建域单元，所述重建域单元的个数为n个；
10、优化问题列式模块，所述优化问题列式模型用于形成优化问题列式，所述优化问题列式的设计变量是ρ＝(ρ1,…,ρe…,ρn)t,其中ρe为第e个所述重建域单元的相对密度，其物理意义为骨重建区域内的骨密度，ρmin＜ρe≤1，ρmin为给定的最小密度；所述优化问题列式的目标函数为各所述重建域单元的应力σe的函数i＝i(σe)，所述约束条件包括外部载荷约束、能量约束和体积分数约束；
11、过滤处理模块，所述过滤处理模块用于在求解所述优化问题列式的其中至少一个求解步后，还对更新后的所述设计变量ρ进行过滤处理，所述过滤处理为：当某一个或多个所述重建域单元的应力σe小于给定的应力限制时，则将所述重建域单元的相对密度乘以一个小于1的过滤函数；
12、骨重建结果评估模块，所述骨重建结果评估模块用于评估骨重建结果，所述评估骨重建结果的过程为：在完成求解所述优化问题列式后，根据更新后的所述设计变量ρ得到生长后的重建骨，将所述生长后的重建骨设置于所述重建域，得到更新后的所述计算模型，对更新后的所述计算模型进行计算，得到所述生长后的重建骨的应力分布场，统计所述应力分布场，得到骨重建评估结果。
13、另一技术方案的一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上所述方法的步骤。
14、另一技术方案的一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上所述方法的步骤。
15、实施本专利技术实施例，将具有如下有益效果：
16、本专利技术实施例采用基于密度的拓扑优化方法来模拟骨重建过程，以各重建域单元的密度为设计变量，重建域单元的应力的函数为目标函数，约束函数包括外部载荷约束、能量约束、体积分数约束，并在该方法中引入应力准则，即将应力遮挡效应处理为优化过程中的过滤函数，以考虑应力遮挡对骨重建过程的影响，上述方法能够较好的模拟骨重建过程中，刚度较小的骨组织所承担的应力要远小于刚度较大的植入物所承担的应力的情形，能够更好地进行术前评估。
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1.一种考虑应力遮挡的骨重建评估方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数为
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述过滤函数为Heaviside过滤函数：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不可设计的骨骼的物理模型由影像学图像获取。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述不可设计的骨骼的物理模型由影像学图像获取的步骤如下：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用比例边界元方法对所述不可设计的骨骼的物理模型进行网格划分，将每一所述像素块生成一个比例边界元的子域，所述子域的比例中心设置在所对应的所述像素块的几何中心。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用固体各项同性材料惩罚法对所述优化问题列式进行求解，求解过程中采用的灵敏度为：
8.一种考虑应力遮挡的骨重建评估方法的优化装置，其特征在于，所述装置包括：
9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
...【技术特征摘要】
1.一种考虑应力遮挡的骨重建评估方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标函数为
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述过滤函数为heaviside过滤函数：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不可设计的骨骼的物理模型由影像学图像获取。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述不可设计的骨骼的物理模型由影像学图像获取的步骤如下：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用比例边界元方法对所述不可设计的骨骼的物理模型进行网格划分，将每一所述像素块生成一个比例边界元的子域...
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