本發(fā)明涉及基于生物學(xué)機(jī)理的骨折愈合動(dòng)態(tài)過程仿真方法。
背景技術(shù)：
：事實(shí)上，不是所有的骨折都可以被修復(fù)，有時(shí)會(huì)有不修復(fù)或拖延修復(fù)，骨折延遲愈合或不愈合引起患肢疼痛，功能障礙，導(dǎo)致患者失業(yè)，由于骨折事故每年發(fā)生的總數(shù)較大，骨折延遲愈合或不愈合的人數(shù)就很可觀，由此將帶來很大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。骨折延遲愈合或不愈合是由于受到特定的幾何因素、力學(xué)因素、生物學(xué)因素影響，因此關(guān)于骨折愈合過程及其影響骨折愈合速度和質(zhì)量的研究一直備受關(guān)注，也取得了一些收獲。但是受到研究手段和骨折過程復(fù)雜又不能直接觀察的限制，盡管在該領(lǐng)域的研究一直在進(jìn)步，但仍有約5％～10％的骨折因各種原因發(fā)生延遲愈合或不愈合。目前缺少能夠精確表達(dá)骨折愈合這一復(fù)雜過程的計(jì)算機(jī)仿真模型，首先是沒有建立起力學(xué)因素與骨折過程間的確定性關(guān)系式；沒有在同一個(gè)仿真模型中充分考慮到力學(xué)環(huán)境和生物學(xué)環(huán)境的雙重影響；沒有從建立針對專門患者的個(gè)體化模型角度解決仿真建模問題，幾何模型和生物力學(xué)材料設(shè)置過于簡化，影響模型的仿真結(jié)果；沒有綜合考慮骨折愈合過程中骨痂形狀的動(dòng)態(tài)變化、力學(xué)環(huán)境變化、生物學(xué)環(huán)境變化間的復(fù)雜關(guān)系在計(jì)算機(jī)中的動(dòng)態(tài)仿真。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的骨折愈合動(dòng)態(tài)過程模型不能綜合模擬骨折愈合過程中骨痂形狀的動(dòng)態(tài)變化、力學(xué)環(huán)境變化、生物學(xué)環(huán)境變化間的復(fù)雜關(guān)系的缺點(diǎn)，而提出一種基于生物學(xué)機(jī)理的骨折愈合動(dòng)態(tài)過程仿真方法。一種基于生物學(xué)機(jī)理的骨折愈合動(dòng)態(tài)過程仿真方法按以下步驟實(shí)現(xiàn)：步驟一、三維幾何模型的建立；步驟二、將得到的三維幾何模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；步驟三、在網(wǎng)格的劃分的基礎(chǔ)上建立骨及骨痂的生物力學(xué)模型；步驟四、在骨及骨痂的生物力學(xué)模型基礎(chǔ)上，確定仿真初始參數(shù)及施加負(fù)載與邊界條件；步驟五、在步驟四的基礎(chǔ)上進(jìn)行骨痂形狀動(dòng)態(tài)變化的仿真設(shè)計(jì)，對于保留的單元，依據(jù)血供參數(shù)值區(qū)分為正常血供單元和非正常血供單元；血供參數(shù)值100％為正常血供區(qū)域，血供參數(shù)值小于100％為非正常血供區(qū)域，如果是正常血供區(qū)域則執(zhí)行步驟六，如果是非正常血供區(qū)域則執(zhí)行步驟七；步驟六、建立正常血供區(qū)域在不同初始骨內(nèi)應(yīng)力環(huán)境下，骨密度、軟骨密度隨時(shí)間變化的確定性數(shù)學(xué)模型；步驟七、建立非正常血供區(qū)域的模糊數(shù)學(xué)模型，非正常血供區(qū)域的模糊數(shù)學(xué)模型包括隸屬度和模糊控制規(guī)則；步驟八、根據(jù)步驟六和步驟七建立骨折愈合的仿真過程。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明研究目標(biāo)是基于生物學(xué)機(jī)理實(shí)現(xiàn)骨折愈合動(dòng)態(tài)過程建模與仿真，仿真系統(tǒng)具備復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)特性、個(gè)體化特性、可靠性。通過建立初始骨折內(nèi)力學(xué)參數(shù)與骨折愈合過程剛度值之間的確定數(shù)學(xué)關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)能反映力學(xué)環(huán)境影響因素的仿真模型；通過建立力學(xué)參數(shù)、血管血供參數(shù)、骨組織特性參數(shù)三者間關(guān)系的模糊準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)能反映生物學(xué)環(huán)境影響的仿真模型；通過有限元方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力學(xué)計(jì)算，通過模糊邏輯控制器實(shí)現(xiàn)非正常血供區(qū)域骨愈合過程的動(dòng)態(tài)更新，通過應(yīng)力分配的計(jì)算和臨界應(yīng)力的選擇實(shí)現(xiàn)骨痂形狀的動(dòng)態(tài)更新。發(fā)明的用途：(1)通過構(gòu)建骨折愈合動(dòng)態(tài)過程計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)能作為一個(gè)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，用于各種適應(yīng)人體生物力學(xué)要求的內(nèi)固定器材的評價(jià)和優(yōu)化設(shè)計(jì)；用于非生物學(xué)因素對骨組織愈合速度和質(zhì)量影響的測試分析；進(jìn)行尋找有效避免骨折發(fā)生方法的研究；由于該仿真模型的可擴(kuò)展性，該平臺(tái)亦可實(shí)現(xiàn)對部分影響骨愈合進(jìn)程的生物學(xué)因素進(jìn)行分析和研究。(2)通過構(gòu)建骨折愈合動(dòng)態(tài)過程計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜骨折愈合過程的預(yù)測，對醫(yī)生制訂正確的手術(shù)方案提供指導(dǎo)，進(jìn)而提高手術(shù)成功率、提高骨折愈合質(zhì)量，可以有效減少骨折不愈合和延遲愈合的情況，幫助骨折愈合者通過有效的治療手段恢復(fù)健康生活，減輕由此帶來的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。(3)可以利用計(jì)算機(jī)中建立的仿真模型進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)研究，不需要真實(shí)的生物學(xué)試驗(yàn)，節(jié)省時(shí)間，提高效率，節(jié)省費(fèi)用，避免人道主義的爭議。發(fā)明的特色之處：(1)傳統(tǒng)關(guān)于力學(xué)環(huán)境對骨折愈合進(jìn)程的影響方面的研究主要集中于通過力學(xué)試驗(yàn)測試不同的力學(xué)環(huán)境對骨折愈合速度和最后骨痂剛度的影響，大部分是定性研究，沒有從定量的角度以取得確定數(shù)學(xué)模型為目的探尋這個(gè)問題，本發(fā)明依據(jù)生物數(shù)學(xué)思想，建立了骨折內(nèi)應(yīng)力與骨折剛度的確定性數(shù)學(xué)模型。(2)傳統(tǒng)骨愈合過程仿真模型中很少考慮血供狀態(tài)的影響，更沒有把血供重建參數(shù)作為動(dòng)態(tài)變量加入到仿真模型中的研究，在血供環(huán)境不好的區(qū)域，骨痂形成將會(huì)受到影響，力學(xué)環(huán)境不穩(wěn)定會(huì)限制血管的重新生成，骨愈合過程是受到力學(xué)環(huán)境和生物學(xué)環(huán)境等多種因素影響的復(fù)雜過程，本發(fā)明通過模糊控制規(guī)則描述了骨折愈合的復(fù)雜過程，將血供重建作為動(dòng)態(tài)變量融入仿真模型中。(3)傳統(tǒng)骨折愈合仿真的研究工作保持在一個(gè)靜態(tài)或者只體現(xiàn)較少動(dòng)態(tài)變量的研究水平，本發(fā)明通過引入臨界應(yīng)力的概念，將應(yīng)力特性與骨痂生成的生物學(xué)特性聯(lián)系起來，通過骨折內(nèi)應(yīng)力與骨折剛度的確定性數(shù)學(xué)模型和血供重建的模糊控制規(guī)則，最終實(shí)現(xiàn)能夠同時(shí)表現(xiàn)骨痂形態(tài)變化、骨痂材料特性變化與血供重建過程的動(dòng)態(tài)骨愈合過程計(jì)算機(jī)仿真。通過對比仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：基于生物學(xué)機(jī)理的骨折愈合動(dòng)態(tài)過程仿真系統(tǒng)能通過有效計(jì)算不斷更新骨折愈合過程中各參數(shù)的變化，準(zhǔn)確模擬骨折愈合。附圖說明圖1a為膨脹應(yīng)變隸屬度函數(shù)示意圖；圖1b為畸變應(yīng)變隸屬度函數(shù)示意圖；圖1c為血液、軟骨、骨密度隸屬度函數(shù)示意圖；圖1d為相鄰單元隸屬度函數(shù)示意圖；圖1e為血液改變量隸屬度函數(shù)示意圖；圖1f為軟骨密度隸屬度函數(shù)示意圖；圖1g為骨密度隸屬度函數(shù)示意圖；圖2為本發(fā)明骨折愈合動(dòng)態(tài)過程仿真路線圖；圖3a為本發(fā)明組織轉(zhuǎn)變過程圖；圖3b為本發(fā)明血管組織轉(zhuǎn)變過程圖；圖4為本發(fā)明外加載荷和邊界條件示意圖；圖5a隨時(shí)間變化的折斷間位移(即骨間動(dòng)度))2mm穩(wěn)定組仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對此示意圖；圖5b隨時(shí)間變化的折斷間位移(即骨間動(dòng)度))3mm不穩(wěn)定組仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對此示意圖。具體實(shí)施方式具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的一種基于生物學(xué)機(jī)理的骨折愈合動(dòng)態(tài)過程仿真方法具體是按照以下步驟進(jìn)行的：步驟一、三維幾何模型的建立；步驟二、將得到的三維幾何模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；步驟三、在網(wǎng)格的劃分的基礎(chǔ)上建立骨及骨痂的生物力學(xué)模型；步驟四、在骨及骨痂的生物力學(xué)模型基礎(chǔ)上，確定仿真初始參數(shù)及施加負(fù)載與邊界條件；步驟五、在步驟四的基礎(chǔ)上進(jìn)行骨痂形狀動(dòng)態(tài)變化的仿真設(shè)計(jì)；步驟六、建立正常血供區(qū)域在不同初始骨內(nèi)應(yīng)力環(huán)境下，骨密度、軟骨密度隨時(shí)間變化的確定性數(shù)學(xué)模型；步驟七、建立非正常血供區(qū)域的模糊數(shù)學(xué)模型，非正常血供區(qū)域的模糊數(shù)學(xué)模型包括隸屬度和模糊控制規(guī)則；步驟八、根據(jù)步驟六和步驟七建立骨折愈合的仿真過程。具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：所述步驟一中三維幾何模型的建立；具體過程為：采用基于分割的三維醫(yī)學(xué)圖像表面重建算法對圖像進(jìn)行三維表面重構(gòu)，得到三維幾何模型；所述圖像由影像設(shè)備CT得到，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為DICOM。由表面模型構(gòu)建實(shí)體模型的過程，就是由表面模型的三角片序列及上下底面構(gòu)建實(shí)體模型的面鏈表，由表面模型的頂點(diǎn)序列構(gòu)建實(shí)體模型的頂點(diǎn)鏈表，同時(shí)建立起體、環(huán)、邊、半邊鏈表及各鏈表中結(jié)點(diǎn)的指向關(guān)系。以邊界模型表達(dá)的實(shí)體構(gòu)建過程由一系列歐拉操作實(shí)現(xiàn)?；镜臍W拉操作包括如下互逆的5對：MVFS，MEV，MEF，MEKR，KFMRH；KVFS，KEV，KEF，KEMR，MFKRH。其中M表示構(gòu)造，K表示刪除，S、E、V、F、R、H分別表示體、邊、頂點(diǎn)、面、環(huán)、孔。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：所述步驟二中將得到的三維幾何模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分；具體過程為：由于網(wǎng)格劃分軟件會(huì)生成許多數(shù)據(jù)，而本發(fā)明只需要節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和單元編號(hào)，將得到的三維幾何模型導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行預(yù)處理，只提取目標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)生成后續(xù)有限元計(jì)算所需要的單元編號(hào)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)兩個(gè)文件；所述單元編號(hào)和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)兩個(gè)文件為txt文本格式的文件；節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)文件包含三列數(shù)據(jù)，三列數(shù)據(jù)分別代表每個(gè)節(jié)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值；單元編號(hào)文件包含四列數(shù)據(jù)，四列數(shù)據(jù)分別為每個(gè)單元的四個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)序號(hào)。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：所述步驟三中在網(wǎng)格的劃分的基礎(chǔ)上建立骨及骨痂的生物力學(xué)模型；具體過程為：針對骨和骨痂的力學(xué)特性，采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法建立線彈性材料、非線性材料的本構(gòu)方程，采用格林方法，通過骨及骨痂的勢能函數(shù)來描述生物組織力學(xué)特性；骨為線彈性材料，彈性勢能W(X)是無限小應(yīng)變張量的二次函數(shù)：W(X)=λ2(trEL)2+μtrEL2]]>式中，λ,μ是拉梅(Lame)常數(shù)，EL為線性應(yīng)變張量；線彈性材料單元應(yīng)力計(jì)算公式為：{ε}＝[S]·{σ}，式中，{σ}為線彈性材料單元應(yīng)力，{ε}為線彈性材料單元應(yīng)變，[S]為柔度矩陣；[S]=1E12-v12E12-v31E3-v12E121E12-v31E30-v13E13-v13E121E31μ1201μ131μ13]]>式中，E12、E3為彈性模量，ν13、ν12為泊松比，μ13為剪切模量，為材料工程常數(shù)，1,2,3分別代表骨骼的徑向、切向和軸向；骨痂為非線性彈性材料，彈性勢能W表示為：W=C1eβ(I1-3)-C1β2(I2-3)]]>式中：I1、I2分別是應(yīng)變張量的第一、第二主不變量，β、C1分別是材料常數(shù)；非線性彈性材料單元應(yīng)力計(jì)算公式為：dσ＝DTdε，式中，dσ為非線性彈性材料單元應(yīng)力，dε為非線性彈性材料單元應(yīng)變，DT為切線彈性矩陣；切線彈性矩陣DT為：DT=∂2W∂E2]]>式中，E為格林應(yīng)變張量。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：所述步驟四中在骨及骨痂的生物力學(xué)模型基礎(chǔ)上，確定仿真初始參數(shù)及施加負(fù)載與邊界條件；具體過程為：根據(jù)患者實(shí)際骨折狀況設(shè)置各單元初始血供參數(shù)、初始組織特性參數(shù)，根據(jù)確定的骨折固定方式，添加負(fù)載和邊界條件；添加負(fù)載和邊界條件有兩種施加的方法，一是施加位移，二是施加力。材料是剛性的或者邊界材料比我們研究的材料更硬，可以通過在一系列頂點(diǎn)施加給定的位移來模擬這樣的接觸碰撞；如果邊界材料的剛度小于或等于被研究材料剛度，可以通過施加線性彈簧力來建模。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：所述步驟五中在步驟四的基礎(chǔ)上進(jìn)行骨痂形狀動(dòng)態(tài)變化的仿真設(shè)計(jì)，對于保留的單元，依據(jù)血供參數(shù)值區(qū)分為正常血供單元和非正常血供單元；血供參數(shù)值100％為正常血供區(qū)域，血供參數(shù)值小于100％為非正常血供區(qū)域，如果是正常血供區(qū)域則執(zhí)行步驟六，如果是非正常血供區(qū)域則執(zhí)行步驟七；；具體過程為：通過設(shè)置臨界應(yīng)力值，按照力學(xué)分布的狀態(tài)，當(dāng)單元應(yīng)力大于等于臨界應(yīng)力值時(shí)，單元為需要保留的單元，當(dāng)單元應(yīng)力大于等于臨界應(yīng)力值時(shí)，單元為被組織吸收的單元；對于保留的單元，依據(jù)血供參數(shù)值區(qū)分為正常血供單元和非正常血供單元；血供參數(shù)值100％為正常血供區(qū)域，血供參數(shù)值小于100％為非正常血供區(qū)域，如果是正常血供區(qū)域則執(zhí)行步驟六，如果是非正常血供區(qū)域則執(zhí)行步驟七；臨界應(yīng)力用最大第三主應(yīng)變?chǔ)?,max與一個(gè)系數(shù)e相乘來計(jì)算，臨界應(yīng)力＝eε3,max。整個(gè)仿真過程的力學(xué)解算也是通過有限元思想來進(jìn)行解算模型的設(shè)計(jì)；利用肉芽組織的低應(yīng)力矢量定義骨痂的空間分配，由于軟組織的存在，可以產(chǎn)生較大范圍的骨折內(nèi)運(yùn)動(dòng)，由此可能產(chǎn)生更大的骨痂，壓縮應(yīng)變強(qiáng)度最大允許量的比例被用來確定骨痂形狀和尺寸。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至六之一不同的是：所述系數(shù)e的取值在0-1之間。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至六之一相同。具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至七之一不同的是：所述步驟六中建立正常血供區(qū)域在不同初始骨內(nèi)應(yīng)力環(huán)境下，骨密度、軟骨密度隨時(shí)間變化的確定性數(shù)學(xué)模型；具體過程為：初步分析骨折內(nèi)應(yīng)力與骨愈合速度之間的內(nèi)在聯(lián)系；統(tǒng)計(jì)分析中，選取符合要求的材料數(shù)據(jù)，建立愈合時(shí)間與骨密度、軟骨密度變化的關(guān)系曲線；則正常血供區(qū)域在不同初始骨內(nèi)應(yīng)力環(huán)境下，骨密度、軟骨密度隨時(shí)間變化的確定性數(shù)學(xué)模型為：f(t)＝a(tm-1)+1f′(t)＝a′(tm′-1)+1式中，a、a′為血供區(qū)域在不同初始骨內(nèi)應(yīng)力下的系數(shù)；m、m′為血供區(qū)域在不同初始骨內(nèi)應(yīng)力下的指數(shù)；f(t)為骨密度，f′(t)為軟骨密度，t為時(shí)間。材料數(shù)據(jù)的整理、統(tǒng)計(jì)及對照研究；選擇滿足下列條件的研究資料進(jìn)行分析：血管損傷小(充血為100％)的骨折或相應(yīng)區(qū)域；試驗(yàn)過程中進(jìn)行了骨密度、軟骨密度和骨折內(nèi)運(yùn)動(dòng)情況的記錄；初始骨折內(nèi)應(yīng)力已知或通過步驟三計(jì)算獲取；實(shí)驗(yàn)研究具有連續(xù)性，至少有7周的結(jié)果被統(tǒng)計(jì)；骨折方式和部位相近。對試驗(yàn)進(jìn)行分類分析，對已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過應(yīng)力大小、固定方式、測量方法、被測量、縫隙進(jìn)行分類；實(shí)驗(yàn)材料一般是記錄下來8周內(nèi)位移即骨折內(nèi)運(yùn)動(dòng)變化情況，通過建立骨折內(nèi)運(yùn)動(dòng)與骨密度、軟骨密度之間的變化關(guān)系，將試驗(yàn)材料統(tǒng)一起來，同時(shí)確定好統(tǒng)一的單位和衡量標(biāo)準(zhǔn)，這些是進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析的基礎(chǔ)，對各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別分析找出規(guī)律和特點(diǎn)。建立經(jīng)驗(yàn)公式的主要步驟為：a.根據(jù)整理的數(shù)據(jù)表，選取合適的坐標(biāo)，繪出數(shù)據(jù)折線或散點(diǎn)圖；b.根據(jù)折線或散點(diǎn)圖的形狀判斷函數(shù)關(guān)系，建立回歸方程；c.根據(jù)回歸方程，求出待定常數(shù)，并進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)。其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至七之一相同。具體實(shí)施方式九：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至八之一不同的是：所述步驟七中建立非正常血供區(qū)域的模糊數(shù)學(xué)模型，非正常血供區(qū)域的模糊數(shù)學(xué)模型包括隸屬度和模糊控制規(guī)則；具體過程為：步驟七一、建立隸屬度函數(shù)；用充血、軟骨密度、骨密度三個(gè)組織濃度變量，相鄰單元的充血、相鄰單元的骨密度，膨脹應(yīng)變、畸變應(yīng)變兩個(gè)力學(xué)刺激作為模糊輸入，經(jīng)過21條模糊控制規(guī)則描述組織分化過程；用充血、骨密度、軟骨密度的改變量作為輸出；首先建立7個(gè)輸入3個(gè)輸出語言變量的語言值，然后以組織學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和細(xì)胞培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)建立如圖1a、圖1b、圖1c、圖1d、圖1e、圖1f、圖1g所示的隸屬度函數(shù)；設(shè)置7個(gè)輸入3個(gè)輸出語言變量的語言值，建立隸屬度函數(shù)；7個(gè)輸入為充血、軟骨密度、骨密度、相鄰單元的充血、相鄰單元的骨密度、膨脹應(yīng)變、畸變應(yīng)變；3個(gè)輸出為充血的改變量、骨密度的改變量、軟骨密度的改變量；步驟七二、建立模糊控制規(guī)則；模糊控制規(guī)則主要描述愈合進(jìn)程中組織轉(zhuǎn)變過程，這些規(guī)則是模糊模型的基礎(chǔ)，本研究采用ifAandBthenC的語句描述，其主要形式如表1所示。規(guī)則1-4為血管重建，具體過稱為：血腫的刺激使得骨折處的毛細(xì)血管再生，毛細(xì)血管再生是從已存在的血管中產(chǎn)生新血管的過程，并在力學(xué)的調(diào)控下產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)而誘導(dǎo)血管重建；規(guī)則5和規(guī)則6為膜內(nèi)骨化，具體過稱為：膜內(nèi)骨化是一種骨生長的成骨方式，尤其是在成骨過程中沒有軟骨生成時(shí)，膜內(nèi)骨化是結(jié)締組織轉(zhuǎn)變成骨組織的直接轉(zhuǎn)化形式；初期，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞開始增殖聚集，血管生成活性增加，毛細(xì)血管開始增長；骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞進(jìn)而發(fā)展成為成骨細(xì)胞，開始產(chǎn)生類骨質(zhì)；同時(shí)，類骨質(zhì)開始以相同的速率礦化；在骨表面，由成骨細(xì)胞促使生成新的類骨質(zhì)；而成骨細(xì)胞逐漸變成骨細(xì)胞。這種成骨方式僅僅在穩(wěn)定的力學(xué)環(huán)境和充足的血液供應(yīng)條件下，并且相鄰單元具有較高骨密度時(shí)才會(huì)發(fā)生。規(guī)則7-9為軟骨的形成，具體過稱為：在固定不良，骨折斷端活動(dòng)較大，同時(shí)伴隨血液供給不足的情況下，斷端周圍組織內(nèi)的間充質(zhì)細(xì)胞才會(huì)分化成軟骨細(xì)胞，繼而產(chǎn)生軟骨。規(guī)則10-13為軟骨鈣化過程，具體過稱為：軟骨骨痂形成后，成骨細(xì)胞在高應(yīng)力刺激下合成并分泌出溶膠原、蛋白多糖和糖蛋白，構(gòu)成骨的有機(jī)質(zhì)；溶膠原逐漸聚合成膠原纖維，并和成骨細(xì)胞一起被基質(zhì)包圍，逐漸發(fā)生鈣化；這個(gè)過程的發(fā)生與血液供給無關(guān)。規(guī)則14、15為軟骨骨化過程，具體過稱為：在軟骨鈣化區(qū)內(nèi)，營養(yǎng)物質(zhì)逐漸彌散發(fā)生障礙，軟骨細(xì)胞逐漸凋亡，鈣化基質(zhì)逐漸降解，釋放血管生長因子，此時(shí)，大量的毛細(xì)血管和成骨細(xì)胞侵入，礦化的軟骨基質(zhì)逐漸產(chǎn)生類骨質(zhì)，發(fā)生骨化現(xiàn)象；因此，在血液供給良好的條件下，完全鈣化的軟骨才能發(fā)生骨化；在本模型中，完全鈣化的軟骨是以高的骨密度和低的軟骨密度表達(dá)的。規(guī)則不僅預(yù)測了骨密度的增加而且也預(yù)測了相同數(shù)量軟骨密度的減少。除了正常狀態(tài)下的骨痂分化過程，規(guī)則16-21為在膨脹應(yīng)變?yōu)?％～8％，-4％～-8％，畸變應(yīng)變14％～20％的加載條件下引起的骨組織萎縮或者沒產(chǎn)生誘發(fā)骨組織分化條件時(shí)保持的血供、骨密度、軟骨密度不變；模糊規(guī)則主要描述的組織轉(zhuǎn)變過程如圖2所示；其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至八之一相同。具體實(shí)施方式十：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至九之一不同的是：所述步驟八中根據(jù)步驟六和步驟七建立骨折愈合的仿真過程；具體過稱為：有限元模型被建立以后，對有限元模型進(jìn)行模型的解算，得出單元應(yīng)力，當(dāng)單元應(yīng)力大于等于臨界應(yīng)力值時(shí)，單元為需要保留的單元，當(dāng)單元應(yīng)力大于等于臨界應(yīng)力值時(shí)，單元為被組織吸收的單元；對于保留的單元，依據(jù)血供參數(shù)值區(qū)分為正常血供單元和非正常血供單元；血供參數(shù)值100％為正常血供區(qū)域，血供參數(shù)值小于100％為非正常血供區(qū)域；如果是正常血供單元，通過正常血供區(qū)域骨密度和軟骨密度隨時(shí)間變化的確定性數(shù)學(xué)模型更新其狀態(tài)；如果是非正常血供單元，通過模糊數(shù)學(xué)模型確定血供信息的變化和骨組織特性的更新；完成后再重復(fù)步驟一至步驟八；直到最后的骨痂生成結(jié)束不再有可吸收的單元；(通過刪除相應(yīng)網(wǎng)格單元的邊及多余的節(jié)點(diǎn))；具體實(shí)施步驟如圖3a、圖3b所示：所述有限元模型包括三維幾何模型、網(wǎng)格劃分、生物力學(xué)模型、負(fù)載和邊界條件、仿真初始參數(shù)。采用以下實(shí)施例驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果：實(shí)施例一：本實(shí)施例一種基于生物學(xué)機(jī)理的骨折愈合動(dòng)態(tài)過程仿真方法具體是按照以下步驟制備的：模擬綿羊跖骨骨折的愈合，在模型頂端施加載荷大小為F＝500N，假設(shè)這是在綿羊正常行走中足夠滿足跖骨可能承受的最大的力。底部為固定約束部分，其自由度均為0，包括三個(gè)方向的位移和三個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。外部固定架的安放使得模型只能發(fā)生軸向位移，其它方向自由度均為0。圖4為三維外固定橫向截骨模型的外加載荷和固定約束的示意圖。骨的彈性模量為4000，泊松比為0.36，軟骨的彈性模量為200，泊松比為0.45，表2為初始血供參數(shù)和材料性能參數(shù)選??；圖5a和圖5b分別為2mm間隙穩(wěn)定情況和3mm間隙不穩(wěn)定情況的模擬結(jié)果。表2初始血供參數(shù)及材料性能參數(shù)選取本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3