一种基于营养扩散以及力学环境的骨折愈合仿真方法

1.本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及一种基于营养扩散以及力学环境的骨折愈合仿真方法。


背景技术：

2.随着经济、交通、建筑等行业的发展以及人口老龄化的加剧，由于外伤导致的骨折和老年骨质疏松性骨折患者急剧增加。据2015年中国老年人健康大数据显示，骨质疏松症已跃居常见病、多发病的第七位。60岁以上的人群患病率为56％，女性发病率为60％—70％。其中骨折发生率就约占三分之一，一旦骨折发生，就会给社会和家庭带来沉重的经济负担。
3.骨折是一种高发性的创伤，这使得对骨折愈合机理的研究尤为迫切。骨折愈合过程是长期而复杂的生物学修复过程，其中力学因素和生物学因素尤为重要。骨折发生时，骨折部位由于创伤使血管受损导致未能及时且充分的提供足够的营养物质，损伤部位缺乏营养物质，周围组织开始降解。紧接着就是炎症反应。骨细胞在形成骨组织的过程中消耗营养。在骨折愈合的过程中，重塑阶段是相当重要的阶段。破骨细胞和成骨细胞消耗营养，改造硬骨痂，逐步取代不成熟的板层骨、编织骨及骨并恢复到原来的形状，大小和强度。若骨折部位缺乏营养物质，则会导致细胞死亡，延迟软骨细胞和成骨细胞的分化，骨折愈合受损甚至不愈合。由于营养物质参与骨折愈合的整个过程，对骨折的正常愈合是极其重要的。
4.目前的骨折愈合的仿真模型存在以下不足：首先是，没有涉及到考虑营养对骨折愈合的影响的相关的仿真模型；其次是没有考虑骨折愈合过程营养扩散对组织内细胞增殖分化的重要影响；还有是目前的模型不能针对具体患者不同部位不同类型的骨折愈合进行仿真。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于营养扩散以及力学环境的骨折愈合仿真方法来解决上述问题。
6.步骤一：建立骨折部位的三维几何模型；
7.步骤二：对获得的三维几何模型进行网格划分，建立骨和骨痂有限元模型；
8.步骤三：对初始时刻的骨痂内的材料属性进行赋值；
9.步骤四：对骨和骨痂的有限元模型进行分析解算，求解骨折区域偏应变；
10.步骤五：根据计算得到的力刺激，建立骨折区域的血管生长模型；
11.步骤六：建立骨折区域的成骨细胞破骨细胞和骨细胞的细胞密度模型；
12.步骤七：建立骨折区域的营养扩散模型；
13.步骤八：计算组织内新的材料属性；
14.步骤九：根据以上步骤建立一种基于营养扩散以及力学环境的骨折愈合仿真方法，根据步骤八计算得到的组织内的材料属性值，判断组织内的材料属性是否达到骨的材
料属性值，如果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。
15.其中，步骤一中骨折部位三维几何模型的建立过程如下：
16.1)由医疗影像ct扫描得到多张格式为dicom的图像，
17.2)然后导入mimics软件中进行三维重建，
18.3)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，得到骨折部位的三维几何模型。
19.其中，步骤二中将得到的三维几何模型导入anasys进行网格划分，建立骨和骨痂的线弹性的有限元模型。
20.其中，步骤三中初始时刻的骨痂内的材料属性赋值为肉芽组织的材料属性值。
21.其中，步骤四中骨折区域偏应变的求解公式如下：
[0022][0023]
式中，ε
d
为骨痂单元偏应变，ε1为单元内的第一主应变，ε2为单元内的第二主应变，ε3为单元内的第三主应变。
[0024]
其中，步骤五中血管生长模型如下：
[0025][0026]
式中，v为血管浓度，dv为骨痂内血管扩散系数，血管生长的扩散源为髓腔和皮质骨膜处。
[0027]
其中，步骤六中成骨细胞破骨细胞和骨细胞的细胞密度模型如下：
[0028]
(1)成骨细胞破骨细胞的细胞密度模型为：
[0029]
为了吸收或合成细胞外基质，成骨细胞和破骨细胞它们可能附在组织的气孔壁上。气孔壁受到组织的孔隙率和气孔的拓扑结构的影响。杨氏模量也与孔隙率有关，因此提出了一个分布曲线描述成骨细胞破骨细胞的细胞密度与杨氏模量的关系：
[0030][0031]
式中，dac为成骨细胞破骨细胞的细胞密度模型，e为骨折区域处的杨氏模量，em为骨折区域处功能致密骨的杨氏模量，ζ和δ为关于函数形状的参数，参数ζ＝5，δ＝0.75；
[0032]
(2)骨细胞的细胞密度模型为：
[0033]
通过观察可以看到，骨细胞只存活于活骨组织中，假设骨细胞的细胞密度与杨氏模量成正比:
[0034][0035]
式中，dsc为骨细胞的细胞密度，e为骨折区域处的杨氏模量，em为骨折区域处功能致密骨的杨氏模量。
[0036]
其中，步骤七中营养消耗分为营养不足和营养充足；营养不足时，细胞细胞要么死亡，要么失去活性；营养充足时，主要由成骨细胞破骨细胞消耗和骨细胞消耗；生长前沿，活跃的成骨细胞破骨细胞对营养消耗其主要作用，其余则是由新形成的骨细胞消耗的。步骤
七的营养扩散模型如下：
[0037][0038]
式中，c为骨痂单元内的营养浓度，vm为最大消耗比，km为达到最大消耗比的一半时的营养浓度，此式为营养不足时的营养扩散模型；
[0039][0040]
式中，c为骨痂单元内的营养浓度，dc为骨痂单元内的扩散系数，cac为单个成骨细胞和破骨细胞消耗的营养，csc为单个骨细胞消耗的营养，nac为组织中的成骨细胞和破骨细胞的数量，nsc为组织中的骨细胞的数量，dac(e)为成骨细胞破骨细胞的细胞密度，dsc(e)为骨细胞的细胞数量，营养的扩散源为髓腔和皮质骨膜处，此式为营养充足时的营养扩散模型。
[0041]
其中，步骤八中组织内材料属性值的计算如下：
[0042]
e＝cmax
‑
cp/cmaxeg+cp/cmaxet
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0043]
v＝cmax
‑
cp/cmaxvg+cg/cmaxvt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0044]
式中，e为单元的杨氏模量，cmax为单元内最大的细胞浓度，cp为单元内平均细胞浓度，eg为肉芽组织的弹性模量，et为上一次迭代计算中组织的杨氏模量值，v为单元的泊松比，vg为肉芽组织的泊松比，vt为上一次迭代计算中组织的泊松比。
[0045]
其中，步骤九中判断步骤八计算所得单元杨氏模量e是否等于骨的杨氏模量ebone，若骨折损伤区域组织内的材料属性值达到骨的材料属性值，则骨折愈合完成，仿真结束，如若不是，则更新组织的材料属性值并进行下一次迭代仿真。
[0046]
本发明的有益效果是：充分考虑了营养扩散以及力学环境对骨折愈合的影响，模拟了骨折愈合过程中血管的生长情况、组织内营养的扩散情况和组织内成骨细胞破骨细胞和骨细胞的增殖分化过程，模拟了骨折愈合这一动态过程，为医生对存在营养问题的骨折患者采取何种的治疗方式提供了参考依据。
附图说明
[0047]
图1为基于营养扩散以及力学环境的骨折愈合仿真方法的流程图。
具体实施方式
[0048]
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法进行详细说明。
[0049]
如图1所示，一种基于组织氧气环境以及力学环境的骨折愈合仿真方法，包括如下具体实施方式：
[0050]
具体实施方式一：建立骨折部位的三维几何模型；
[0051]
骨折部位三维几何模型的建立过程如下：
[0052]
1)由医疗影像ct扫描得到多张格式为dicom的图像，
[0053]
2)然后导入mimics软件中进行三维重建，
[0054]
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，得到骨折部位的三维几何模型；
[0055]
具体实施方式二：将得到的三维几何模型导入anasys进行网格划分，建立骨和骨痂的线弹性的有限元模型；
[0056]
具体实施方式三：对骨痂内初始时刻的材料属性进行赋值，骨初始时刻的骨痂内的材料属性赋值为肉芽组织的材料属性值；
[0057]
具体实施方式四：对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的偏应变；
[0058]
骨折区域偏应变的求解公式如下：
[0059][0060]
式中，ε
d
为骨痂单元偏应变，ε1为单元内的第一主应变，ε2为单元内的第二主应变，ε3为单元内的第三主应变。
[0061]
具体实施方式五：根据计算得到的力刺激，建立骨折区域的血管生长模型；血管生长模型如下：
[0062][0063]
式中，v为血管浓度，dv为骨痂内血管扩散系数，代表新血管在骨痂内生长的速度，血管生长的扩散源为髓腔和皮质骨膜处。
[0064]
具体实施方式六：建立骨折区域成骨细胞破骨细胞和骨细胞的细胞密度模型；
[0065]
(1)成骨细胞破骨细胞的细胞密度模型为：
[0066][0067]
式中，dac为成骨细胞破骨细胞的细胞密度，e为骨折区域处的杨氏模量，em为骨折区域处功能致密骨的杨氏模量，ζ和δ为关于函数形状的参数，参数ζ＝5，δ＝0.75；
[0068]
(2)骨细胞的细胞密度模型为：
[0069][0070]
式中，dsc为骨细胞的细胞密度，e为骨折区域处的杨氏模量，em为骨折区域处功能致密骨的杨氏模量。
[0071]
具体实施方式七：建立骨折区域的营养扩散模型；
[0072]
营养消耗分为营养不足和营养充足；营养不足时，细胞要么死亡，要么失去活性；营养充足时，主要由成骨细胞破骨细胞消耗和骨细胞消耗；生长前沿，活跃的成骨细胞破骨细胞对营养消耗其主要作用，其余则是由新形成的骨细胞消耗的。步骤七的营养扩散模型如下：
[0073][0074]
式中，c为骨痂单元内的营养浓度，vm为最大消耗比，km为达到最大消耗比的一半时的营养浓度，此式为营养不足时的营养扩散模型；
[0075][0076]
式中，c为骨痂单元内的营养浓度，dc为骨痂单元内的扩散系数，cac为单个成骨细胞和破骨细胞消耗的营养，csc为单个骨细胞消耗的营养，nac为组织中的成骨细胞和破骨细胞的数量，nsc为组织中的骨细胞的数量，dac(e)为成骨细胞破骨细胞的细胞密度，dsc(e)为骨细胞的细胞数量，营养的扩散源为髓腔和皮质骨膜处，此式为营养充足时的营养扩散模型。
[0077]
具体实施方式八：计算组织内新的材料属性；
[0078]
组织内材料属性值的计算如下：
[0079]
e＝cmax
‑
cp/cmaxeg+cp/cmaxet
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0080]
v＝cmax
‑
cp/cmaxvg+cg/cmaxvt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0081]
式中，e为单元的杨氏模量，cmax为单元内最大的细胞浓度，cp为单元内平均细胞浓度，eg为肉芽组织的弹性模量，et为上一次迭代计算中组织的杨氏模量值，v为单元的泊松比，vg为肉芽组织的泊松比，vt为上一次迭代计算中组织的泊松比。
[0082]
具体实施方式九：根据以上步骤建立力生物调节算法的骨折愈合迭代仿真过程，根据判断步骤八计算所得单元杨氏模量e是否等于骨的杨氏模量ebone，若组织内的材料属性值达到骨的材料属性值，则骨折愈合完成，仿真结束，否则，更新组织的材料属性值并进行下一次迭代仿真。