[发明专利]一种基于细胞活动的骨折愈合仿真方法

摘要

一种基于细胞活动的骨折愈合仿真方法，涉及生物医学工程领域。本发明用来预测骨折愈合复杂过程，探寻最优的骨折愈合方案。本发明步骤为步骤一建立骨折区域的三维几何模型；步骤二建立骨折愈合区域有限元模型；步骤三获取骨折区域单元材料属性和细胞浓度；步骤四骨折区域有限元分析；步骤五求解骨折区域单元所受的力学刺激，并根据力调节算法得到新的组织表型；步骤六分析细胞活动；步骤七计算新的骨折愈合区域单元材料属性；步骤八判断程序是否终止。通过本发明可以更加精确的模拟骨折愈合过程，并为医生制定最佳的骨折愈合手术方案提供有益帮助。

主权项

一种基于细胞活动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：建立骨折区域的三维几何模型；所述步骤一中建立骨折区域的三维几何模型的具体过程为：采用基于分割的三维医学图像表面重建算法对图像进行三维表面重构，得到三维几何模型；所述的图像由图像设备CT得到，数据存储格式为DICOM；步骤二：对步骤一建立的三维几何模型进行网格划分，得到骨折区域的有限元模型；所述步骤二中网格划分的具体过程为：将步骤一中建立的三维几何模型导入到网格划分软件中，进行网格划分，得到骨折区域的有限元模型；经网格划分软件划分网格后会得到很多数据，由于只需要节点坐标和单元编号来表示骨折愈合区域有限元模型，所以需要将得到的数据导入到MATLAB中进行预处理，只提取目标数据，根据目标数据生成后续有限元计算所需要的单元编号和节点坐标两个文件；所述的节点坐标和单元编号两个文件为txt文本格式的文件；节点坐标文件包含三列数据，三列数据分别代表每个节点的空间坐标值；单元编号文件包含四列数据，四列数据分别为每个单元的四个节点的节点序号；步骤三：获取骨折区域单元材料属性和细胞浓度；所述步骤三中获取骨折区域单元材料属性和细胞浓度的具体过程为：骨折区域单元材料属性分为初始骨折区域单元材料属性赋值和随后的骨折区域单元材料属性赋值；初始情况下，骨折区域由肉芽组织填充，所以初始骨折区域单元材料属性为肉芽组织的材料属性；随后的骨折区域单元材料属性由步骤七获得；骨折区域细胞浓度由下式表示：dnidt=Di▿2ni+Pi(S)ni-Ki(S)ni---(1)]]>式中，i为细胞类型；ni为细胞i在骨折区域中的浓度；Di为细胞i的扩散系数；Pi(S)为细胞i的增殖率；Ki(S)为细胞i的凋亡率；S为骨折区域单元的力学刺激；Pi(S)和Ki(S)为力学刺激S的函数；所述的细胞类型分别为间充质干细胞，成纤维细胞，软骨细胞和成骨细胞；扩散系数Di由下式求得：Di=Σj=1ntDijφj---(2)]]>式中，j为组织表型；nt为组织表型总数量；Dij为细胞i在组织j中的扩散系数；φj为组织j的体积分数；所述的组织表型分别为肉芽组织，纤维结缔组织，软骨组织和骨组织；各组织体积分数有如下关系：Σj=1ntφj=1---(3)]]>式中，j为组织表型；nt为组织表型总数量；φj为组织j的体积分数；步骤四：骨折区域有限元分析，求解骨折区域单元所受的八面体剪应变和流速；所述的步骤四中骨折区域有限元分析，求解骨折区域单元所受的八面体剪应变和流速的具体过程为：步骤四一：施加外载荷；在骨折愈合过程中，轴向载荷对骨折愈合起到促进的作用；所以在骨折区域有限元模型的顶端施加轴向外载荷；步骤四二：设置边界条件；在骨折区域末端设置完全约束，即骨折区域末端的平移和转动都为0；边界条件的设置还包括间充质细胞的来源的设置；间充质细胞的来源有三个部分：1.骨折区域周围组织；