申请/专利权人：北京工业大学

申请日：2020-03-23

公开（公告）日：2023-11-03

公开（公告）号：CN111400953B

主分类号：G06F30/23

分类号：G06F30/23;G06T17/00;G06T7/11;G06F111/10;G06F119/14

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.11.03#授权;2020.08.04#实质审查的生效;2020.07.10#公开

摘要：一种牵张成骨的仿真系统，涉及数值模拟仿真技术领域。本发明可再现牵张成骨术中复杂的骨再生动态过程和成骨效果，可用于确定最佳骨再生效果的牵张方案，为临床牵张成骨手术提供术前指导。所述系统包括对象截骨区域个体化三维重建模块、牵张参数设置模块、截骨区域计算生物力学分析模块、骨再生动态过程模拟模块和显示模块。截骨区域个体化三维重建模块用于在对象医学图像基础上重建截骨区域真实的几何模型。牵张参数设置模块用于设置不同牵张加载模式和参数。截骨区域计算生物力学分析模块用于建立生物力学模型并进行有限元分析。骨再生动态过程模拟模块用于再现骨痂的骨再生过程。显示模块用于显示仿真计算的结果。

主权项：1.一种牵张成骨的仿真系统，其特征在于，所述牵张成骨的仿真系统依据牵张成骨实施过程中，施加不同的牵张条件会引起骨痂区域组织不同的成骨效应，通过对牵张成骨的骨再生过程进行仿真计算，根据输出的成骨结果判定最佳的牵张加载模式；所述牵张成骨的仿真系统包括A1对象截骨区域个体化三维重建模块、A2牵张参数设置模块、A3截骨区域计算生物力学分析模块、A4骨再生动态过程模拟模块和A5显示模块；所述系统A1对象截骨区域个体化三维重建模块用于对对象截骨区域的CT图像进行自动分割并进行三维重建，得到对象截骨区域的个体化三维几何模型，然后进行网格划分处理；所述系统A2牵张参数设置模块用于对对象个体化三维截骨区域有限元模型设置不同的力学加载模式，作为A3截骨区域计算生物力学分析模块的输入；所述系统A3截骨区域计算生物力学分析模块用于依据A2牵张参数设置模块传入的加载参数，设置骨线弹性生物力学模型和骨痂区域粘弹塑性生物力学模型，进行模拟牵张确定骨痂区域的力学刺激状态；所述系统A4骨再生动态过程模拟模块用于将有限元分析得到的应变结果作为输入，运用模糊逻辑控制，确定应变状态在组织分化图上的位置，并输出组织类型变化的结果，更新组织材料类型，再现骨痂的骨再生过程；所述系统A5显示模块用于显示所述牵张成骨仿真系统的计算结果；所述A3截骨区域计算生物力学分析模块用于依据A2牵张参数设置模块传入的加载参数，设置边界条件和材料属性；设置材料属性包括：在ABAQUS的用户材料设置皮质骨杨氏模量、泊松比和骨痂杨氏模量、泊松比、屈服应力、粘度系数，骨痂区域初始阶段被假定充满结缔组织，进行模拟牵张获得骨痂区域的力学刺激应变状态，包括：B1、设置骨痂区域粘弹塑性模型利用宾汉-麦克斯韦粘弹塑性模型建立骨痂区域的粘弹性生物力学模型，该粘弹塑性模型由线性弹簧、牛顿粘壶和一个摩擦件组成，通过建立皮质骨和骨痂的生物力学模型，编写UMAT子程序，计算骨痂区域的粘弹塑性行为；B2、计算骨痂区域应变状态在ABAQUS中进行粘弹塑性有限元分析得到有限元模型各单元应变随时间变化曲线；对于每个牵张时间周期，使用ndiff等距分割每个牵张时间周期的应变样本，按照每个样本最大峰值刺激进行采样，得到ndiff个用于组织分化算法的畸变应变γ0和膨胀应变ε0； 式中，ε1,ε2,ε3分别为各单元的三个主应变。

全文数据：

权利要求：

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