一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿 真系统。
【背景技术】
[0002] 肌骨系统在人体中起到重要的作用，其主要功能包括:运动功能、保护功能、支持 功能、造血功能、贮存功能。在我国危害人民健康的常见疾患统计资料中，创伤由建国初期 的第9位，近年随着工业和交通事业的发展，已上升为第4位。骨折是一种常见的创伤，骨折 的高发性使得对骨折机理及促进愈合的研究尤为迫切，一旦骨折发生，与其它组织损伤修 复不同的是，骨折不是靠纤维结缔组织连接，而是骨组织的完全再生。骨组织再生是一个极 其复杂的生物学修复过程，受到多种因素的影响，这些影响因素大致可分为生物学因素和 生物力学因素。骨折治愈的先决条件是其具有良好的生物学反应能力，因此需要在骨折部 位形成一个良好的生物学和力学环境。
[0003] 骨折愈合期间，力学影响骨折修复的重要性已经受到重视。骨折愈合的生物力学 因素基于WOlff定律，即通过骨组织的增加或减少以适应施加在骨组织上的应力，也就是 说，在一定范围内，需增加承载时可有骨形成，不需要或减少承载时有骨吸收。同时，在应力 的作用下骨折端会微动，Goodship等、Kenwright等分别通过动物实验和临床研究证实，在 外固定架固定下，可控制的微动与坚强固定相比，促进了骨折愈合。除了生物力学因素影响 骨折愈合外，生物学因素对于骨折愈合也起着至关重要的作用。Carano、FilvarofT等人发 现了在骨折愈合局部和周围组织中的生长因子对软骨生成，骨的生成，以及血管的生成具 有重要作用。另外，血管的生成及血运重建也是骨折愈合过程中的重要因素。
[0004] 尽管关于骨折愈合的研究一直在进行，但仍有许多缺点与不足：
[0005] 1.骨折愈合过程极其复杂且不能直接观察；
[0006] 2.能够促进骨折愈合的最佳的微动状态如微动的大小尚未清楚；
[0007] 3.血液对骨折愈合的影响机理尚未清楚；
[0008] 4.临床试验多为活体实验，所以实验次数和实验物种会受到限制。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是提供一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真系统，用来预测骨 折愈合的复杂过程，探寻骨折愈合中尚无法确定的机理。
[0010] 本发明的目的通过下述技术方案实现:一种基于断端微动和血供的骨折愈合仿真 系统，其特征为骨折愈合仿真子系统软件、输入设备和显示设备；
[0011]其中所述的骨折愈合仿真子系统软件包括：
[0012] 几何建模模块：用于根据导入的二维断层扫描图像数据，经过图像预处理后进行 骨折处骨痂的三维表面模型的建立；
[0013] 网格划分模块：用于三维表面模型的面网格划分;并用于将面网格模型生成体网 格模型，实现连续的三维几何模型的离散化，保证能够进行后续的有限元计算；
[0014] 环境初始化模块：用于对建立好的骨痂三维有限元模型进行参数设置，包括生物 力学环境初始化设置和生物学环境初始化设置。
[0015] 生物力学计算模块：用于计算在骨折愈合过程中断端微动的距离，并通过有限元 分析，计算骨痂处内单元的应变刺激。另外还包括不同愈合阶段，骨痂单元材料属性的计 算。
[0016] 生物学环境模块:用于在骨折愈合过程中，构建骨痂处的生化环境，完成骨痂内的 组织分化过程。
[0017] 其中所述的输入设备包括：
[0018] 图像数据输入单元，用于读取患者的二维断层扫描图像数据；
[0019] 用户操作单元，用于用户与骨折愈合仿真系统软件之间的信息传递与处理，信息 包括患者的个人基本信息和骨痂模型视图；
[0020] 其中，所述的显示设备，用于观察骨折愈合情况，实现用户与系统之间的视觉交 互。
[0021] 本发明的有益效果是：
[0022] 1.本发明提出的骨折愈合仿真系统是基于windows开发语言平台来开发软件，通 过自主编程实现骨折愈合过程的动态模拟，基于对话框的形式，易于操作，培训周期短。 [0023] 2.将血液供给作为动态变量引入到骨折愈合仿真系统中，能够更加准确的模拟骨 折愈合过程。
[0024] 3.可以无限多次重复进行实验模拟，从而对找到最佳的断端微动值和血液对骨折 愈合的影响提供有益帮助。
[0025] 4.通过构建骨折愈合仿真系统，可以对医生制定最优的手术方案提供指导，进而 提高手术成功率、提高骨折愈质量，减少骨折不愈合和延迟愈合的情况。
[0026] 5.通过构建骨折愈合仿真系统，可以对建立的仿真模型进行多次重复实验研究， 减少真实的生物实验，节省时间，提高效率，节省费用，避免人道主义的争议。
[0027] 综上，本发明的仿真平台克服了现有技术的缺点与不足。
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的流程框图（其中虚线框1代表输入设备，虚线框2代表骨折愈合仿真 软件，虚线框3代表显示设备），图2为骨折愈合仿真软件流程图（虚线框1代表几何建模模 块，虚线框2代表网格划分模块，虚线框3代表环境初始化模块，虚线框4代表生物力学计算 模块，虚线框5代表生物学环境模块），图3为骨折愈合仿真软件几何建模模块，图4为骨折愈 合仿真软件的网格划分模块，图5为骨折愈合仿真软件的生物力学计算模块，图6为骨折愈 合仿真软件的生物学环境模块。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0029] 一:如图1所示，本实施方式所述的一种基于断端微动和血供的骨折 愈合仿真系统包括:骨折愈合仿真系统软件1、输入设备2、显示设备3。
[0030] 其中所述的骨折愈合仿真系统软件1包括:几何建模模块、网格划分模块、环境初 始化模块、生物力学计算模块、生物学环境模块。
[0031] 所述几何建模模块用于根据导入的二维断层扫描图像数据(如CT图像），经过图像 预处理后进行骨折处骨痂的三维表面模型的建立；
[0032] 所述网格划分模块用于三维表面模型的面网格划分;并用于将面网格模型生成体 网格模型，实现连续的三维几何模型的离散化，保证能够进行后续的有限元计算；
[0033] 所述环境初始化模块用于对建立好的骨痂三维有限元模型进行处置设置，包括生 物力学环境初始化设置和生物学环境初始化设置；
[0034]所述生物力学计算模块用于计算在骨折愈合过程中断端微动的距离，并通过有限 元分析，计算骨痂处内单元的应变刺激。还有不同时间步长内的单元材料属性；
[0035] 所述生物学环境模块用于在骨折愈合过程中，构建骨痂处的生化环境，完成骨痂 内的组织分化过程。
[0036] 其中，所述的输入设备2包括:图像数据输入单元和用户操作单元。
[0037]所述图像数据输入单元用于读取患者CT等图像数据的DI⑶M、JPG、BMP等格式文 件，是骨折愈合仿真系统软件当中几何建模模块和环境初始化模块的基础。
[0038]所述用户操作单元用于用户与骨折愈合仿真系统软件之间的信息传递，如软件界 面中患者基本信息、病例等内容输入以及愈合手术方案的输入，初始断端微动及血供状态 的输入等。
[0039]所述显示设备用来观察骨折愈合情况，实现用户与系统之间的视觉交互。
【具体实施方式】 [0040] 二，如图2所示，本实施方式中，所述的骨折愈合仿真系统软件1实现 其功能的具体过程为：
[0041] 1)几何建模模块
[0042]如图3所示，几何建模模块包括阈值筛选、交互式分割、三维重建等步骤:通过阈值 筛选、交互式分割以及三维重建等步骤实现骨痂的三维几何建模;通过阈值筛选的过程将 患者的骨、肌肉、软骨、脂肪、皮肤等组织分别进行初步的分割;通过交互式分割过程手动擦 除和修补单张图片来提高图像分割的质量和速度;通过三维重建的过程可将在二维断层图 像中分割出来的区域生成三维表面模型;从图中3可看出，几何建模的过程需要计算机的显 示设备、输入设备（鼠标、键