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

摘要

本发明公开了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，具体包括以下步骤：建立骨折部位的三维几何模型；将得到的几何模型进行网格划分，建立骨和骨痂的有限元模型；对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的偏应变；根据力刺激，建立骨折区域的血管生长模型；建立骨折区域各细胞增殖分化模型；建立骨折区域的氧气运输模型；计算组织内新的材料属性；建立力生物调节算法的骨折愈合迭代仿真过程；根据计算得到的组织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，若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。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，特别涉及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。

背景技术

随着交通、建筑等行业的发展以及人口老龄化的加剧，导致交通伤、建筑伤和老年骨质疏松性骨折患者快速增加。据2015年的交通事故统计显示，2015年共发生车祸10597358起，其中98.5％的人受到创伤；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％。其中骨折发生率接近三分之一，每年医疗费用按最保守的估计需要人民币150亿。一旦骨折发生，给社会和家庭都带来了沉重的经济负担。

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氧气和营养物质，损伤部位逐渐变得缺氧，周围组织开始降解。这触发炎症细胞，巨噬细胞和白细胞的侵袭，标志着炎症期的开始。同时，血肿周围和周围组织中的细胞生长因子和细胞因子吸引成纤维细胞，间充质干细胞(骨髓间充质干细胞)和内皮细胞到创伤部位。骨髓间充质干细胞开始分化，骨折骨痂填充肉芽组织，形成软骨痂。在骨膜区域，靠近皮质骨处是有氧的，骨髓间充质干细胞向成骨细胞直接分化。这些新形成的成骨细胞产生编织骨基质(即膜内骨化)。在缺氧中央骨折区，骨髓间充质干细胞首先分化为软骨细胞产生软骨，骨折区机械稳定。血管侵入这个软骨区域标志着硬骨痂形成阶段的开始，新出现的血管带来成骨细胞产生的矿化编织骨基质硬组织骨痂(即软骨内骨化)，当骨痂桥骨折间隙，达到临床愈合。在最后的重塑阶段，硬痂是由破骨细胞和成骨细胞改造，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。若骨折部位严重缺血则导致严重缺氧，则会导致细胞死亡，延迟软骨细胞和成骨细胞的分化，以及骨折愈合受损。由于氧参与多个基本的细胞过程，对于正常的骨折愈合是很重要的。目前的骨折愈合的仿真模型存在以下不足：

(1)没有考虑骨折愈合过程氧气环境对组织内细胞增殖分化的重要影响。

(2)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。

(3)对固定器的选取有极大的限制，现有模型只是针对一种固定方式进行仿真，不能实现固定器的优选，进而阻碍了医生为患者提供更好的治疗方案。

发明内容

本发明的目的是提供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，本发明模拟了组织内氧气环境以及力学环境下骨折区域的血管生长情况以及间充质干细胞、软骨细胞、成骨细胞以及成纤维细胞的增殖分化过程，模拟了骨折愈合复杂的动态过程。

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，包括如下步骤：

步骤一：建立骨折部位的三维几何模型；

步骤二：将得到的几何模型进行网格划分，建立骨和骨痂的有限元模型；

步骤三：对骨痂内初始时刻的材料属性进行赋值；

步骤四：对有限元模型进行分析解算，求解出骨折区域的偏应变；

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；

步骤六：建立骨折区域细胞增殖分化模型，包括间充质干细胞增殖分化模型、软骨细胞增殖分化模型、成纤维细胞增殖分化模型以及骨细胞增殖分化模型；

步骤七：建立骨折区域的氧气运输模型；

步骤八：计算组织内新的材料属性；

步骤九：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，根据步骤八计算得到的组织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，若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。

其中，步骤一中骨折部位三维几何模型的建立过程如下：

1)由医疗影像CT扫描得到多张格式为DICOM的图像，

2)然后导入Mimics软件中进行三维重建，

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。

其中，步骤二中将得到的几何模型导入Hypermesh进行网格划分，建立线弹性的骨及骨痂的有限元模型。

其中，步骤三中骨痂内初始时刻的材料属性赋值为肉芽组织的材料属性值。

其中，步骤四中骨折区域偏应变的求解公式如下：

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。

其中，步骤五中血管生长模型如下：

式中，C_vessel为血管浓度，D_vessel为骨痂内血管扩散系数，代表新血管在骨痂内生长的速度，t为时间，x，y，z分别为三维笛卡尔坐标系的x轴，y轴，z轴，血管生长的扩散源为髓腔和皮质骨膜处。

其中，步骤六中间充质干细胞增殖分化模型、软骨细胞增殖分化模型、成纤维细胞增殖分化模型以及骨细胞增殖分化模型如下：

(1)间充质干细胞增殖分化模型为：

式中，C_m为骨痂单元内间充质干细胞浓度，D_m为骨痂内间充质干细胞的扩散系数，F_m为骨痂单元内间充质干细胞的死亡率；

(2)软骨细胞增殖分化模型为：

式中，C_c为骨痂单元内软骨细胞浓度，D_c为骨痂内软骨细胞的扩散系数，F_c为骨痂单元内软骨细胞死亡率；

(3)成纤维细胞增殖分化模型为：

式中，C_f为骨痂单元内成纤维细胞浓度，D_f为骨痂内成纤维细胞的扩散系数，F_f为骨痂单元内成纤维细胞的死亡率；

(4)骨细胞增殖分化模型为：

式中，C_b为骨痂单元内骨细胞浓度，D_b为骨痂内骨细胞扩散系数，F_b为骨痂单元内骨细胞死亡率。

其中，步骤七的氧气运输模型如下：

Q_m＝q_mC_mO/K_mO>

Q_c＝q_cC_cO/K_cO>

Q_f＝q_fC_fO/K_fO>

Q_b＝q_bC_bO/K_bO>

式中，O为骨痂内氧气的浓度，D_oxygen为骨痂内氧气的扩散系数，Q_m为间充质干细胞耗氧，Q_c为骨痂内软骨细胞耗氧，Q_f为骨痂内成纤维细胞耗氧，Q_b为骨痂内骨细胞耗氧，q_m为间充质干细胞的耗氧率，K_m为当间充质干细胞耗氧率达到间充质干细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度，q_c为软骨细胞的耗氧率，K_c为当软骨细胞耗氧率达到软骨细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度，q_f为成纤维细胞的耗氧率，K_f为当成纤维细胞耗氧率达到成纤维细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度，q_b为骨细胞的耗氧率，K_b为当骨细胞耗氧率达到骨细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度。

其中，步骤九中组织内材料属性值的计算如下：

E＝C_max-C_p/C_maxE_g+C_p/C_maxE_t>

ν＝C_max-C_p/C_maxν_g+C_g/C_maxν_t>

式中，E为单元的杨氏模量，C_max为单元内最大的细胞浓度，C_p为单元内平均细胞浓度，E_g为肉芽组织的弹性模量，E_t为上一次迭代计算中组织的杨氏模量值，ν为单元的泊松比，ν_g为肉芽组织的泊松比，ν_t为上一次迭代计算中组织的泊松比。

其中，步骤十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E_bone，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。

本发明的有益效果是：充分考虑了力学环境以及氧气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、组织内氧气的供应和组织内间充质干细胞、软骨细胞、成骨细胞、成纤维细胞代谢耗氧以及组织内间充质干细胞、软骨细胞、成骨细胞、成纤维细胞的增殖分化过程，更精确的模拟了骨折愈合这一动态过程，为医生采取注射干细胞治疗方式以及提供适当氧环境治疗方式提供了参考依据。

附图说明

图1为基于组织氧气环境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

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。

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：

具体实施方式一：建立骨折部位的三维几何模型；

骨折部位三维几何模型的建立过程如下：

(1)由医疗影像CT扫描得到多张格式为DICOM的图像，

(2)然后导入Mimics软件中进行三维重建，

(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；

具体实施方式二：将得到将得到的几何模型导入Hypermesh进行网格划分，建立线弹性的骨及骨痂的有限元模型；

具体实施方式三：对骨痂内初始时刻的材料属性进行赋值，骨痂内初始时刻的材料属性赋值为肉芽组织的材料属性值；

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；

骨折区域偏应变的求解公式如下：

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。

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：

式中，C_vessel为血管浓度，D_vessel为骨痂内血管扩散系数,代表新血管在骨痂内生长的速度，t为时间，x，y，z分别为三维笛卡尔坐标系的x轴，y轴，z轴，血管生长的扩散源为髓腔和皮质骨膜处。

具体实施方式六：建立骨折区域细胞增殖分化模型，包括间充质干细胞增殖分化模型、软骨细胞增殖分化模型、成纤维细胞增殖分化模型以及骨细胞增殖分化模型；

间充质干细胞增殖分化模型、软骨细胞增殖分化模型、成纤维细胞增殖分化模型以及骨细胞增殖分化模型如下：

(1)间充质干细胞增殖分化模型为：

式中，C_m为骨痂单元内间充质干细胞浓度，D_m为骨痂内间充质干细胞的扩散系数，F_m为骨痂单元内间充质干细胞的死亡率；

(2)软骨细胞增殖分化模型为：

式中，C_c为骨痂单元内软骨细胞浓度，D_c为骨痂内软骨细胞的扩散系数,F_c为骨痂单元内软骨细胞死亡率；

(3)成纤维细胞增殖分化模型为：

式中，C_f为骨痂单元内成纤维细胞浓度，D_f为骨痂内成纤维细胞的扩散系数,F_f为骨痂单元内成纤维细胞的死亡率；

(4)骨细胞增殖分化模型为：

式中，C_b为骨痂单元内骨细胞浓度，D_b为骨痂内骨细胞扩散系数，F_b为骨痂单元内骨细胞死亡率。

具体实施方式七：建立骨折区域的氧气运输模型；

氧气运输模型如下：

Q_m＝q_mC_mO/K_mO>

Q_c＝q_cC_cO/K_cO>

Q_f＝q_fC_fO/K_fO>

Q_b＝q_bC_bO/K_bO>

式中，O为骨痂内氧气的浓度，D_oxygen为骨痂内氧气的扩散系数，Q_m为间充质干细胞耗氧，Q_c为骨痂内软骨细胞耗氧，Q_f为骨痂内成纤维细胞耗氧，Q_b为骨痂内骨细胞耗氧，q_m为间充质干细胞的耗氧率，K_m为当间充质干细胞耗氧率达到间充质干细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度，q_c为软骨细胞的耗氧率，K_c为当软骨细胞耗氧率达到软骨细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度，q_f为成纤维细胞的耗氧率，K_f为当成纤维细胞耗氧率达到成纤维细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度，q_b为骨细胞的耗氧率，K_b为当骨细胞耗氧率达到骨细胞最大耗氧率一半时氧气的浓度。

具体实施方式八：计算组织内新的材料属性；

组织内材料属性值的计算如下：

E＝C_max-C_p/C_maxE_g+C_p/C_maxE_t>

ν＝C_max-C_p/C_maxν_g+C_g/C_maxν_t>

式中，E为单元的杨氏模量，C_max为单元内最大的细胞浓度，C_p为单元内平均细胞浓度，E_g为肉芽组织的弹性模量，E_t为上一次迭代计算中组织的杨氏模量值，ν为单元的泊松比，ν_g为肉芽组织的泊松比，ν_t为上一次迭代计算中组织的泊松比。

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E_bone，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。