基于生物学机理的骨折愈合动态过程建模与仿真关键技术研究

Research on bone fracture healing process simulation is important because it is usually used to study the method which can improve bone fracture healing rate and quality. It is also important for increasing surgery success rate. This project is to develop a complex, dynamic, individual and reliable simulation system of bone fracture healing process and to solve some problems which include renewing tissue character of sufficient blood perfusion element, renewing blood perfusion and tissue character of abnormal blood flow element, renewing callus formation, simulating the dynamical process of bone fracture healing, verifying the reliability of bone fracture healing model. The blood perfusion is included as a spatio-temporal state variable in this model because of demand of complexity. The model can meet demand of dynamical simulation because it can realize callus formation dynamic simulation, revascularization simulation, tissue character dynamic simulation under one environment. Interaction of mechanical factors and blood perfusion factors is connected with special fracture geometry model in individual model. To verify the numerical model of complex fracture healing process, experiment results and simulation results are compared. The aim of this study is to modeling and simulation dynamical process of bone fracture healing. This model can simulate and predict complex restore process of special patient bone fracture healing. The key problems of modeling complex fracture healing process in computer are may solved in the present study.

由于骨折愈合过程模拟在探寻改善骨折愈合速度和质量的方法、提高手术成功率等方面的重要作用而被关注，本项目从建立具备复杂性、动态特性、个体化特性、可靠性骨折愈合动态过程仿真系统的角度探讨了正常血供区域骨组织特性更新、非正常血供区域血供状态更新和组织特性更新、骨痂形状更新、骨折愈合动态过程仿真、模型可靠性验证等几方面的问题。基于复杂性的研究目标提出把血供状态作为动态变量加入仿真模型中的研究方法，基于动态特性的研究目标提出在同一仿真平台中实现骨痂形状动态变化、血供重建和组织特性动态变化的研究方法，基于个体化的研究目标提出了将力学环境和血供环境的综合影响与个体化骨折几何模型联系起来的研究方法，通过实验验证骨折愈合动态过程仿真模型可靠性。研究目的是实现基于生物学机理骨折愈合动态过程建模及仿真，该模型可以模拟和预测专门患者骨折愈合的复杂修复过程，有希望攻克在计算机中动态反映这个生物学过程的关键性障碍。

骨组织再生是一个极其复杂的生物学修复过程，事实上，不是所有的骨折都可以被修复，有时会有不修复或拖延修复，因此关于骨折愈合过程及其影响骨折愈合速度和质量的研究一直备受关注，如何利用有效方法搭建一个平台，该平台能够预测骨折愈合这个复杂的过程，可以探寻骨折愈合的机理、可以无限次的通过试验去找到提高手术成功率、降低不愈合风险、提高愈合质量的影响因素和有效办法。通过应用计算机仿真技术结合生物学原理建立骨愈合过程的数字化仿真模拟系统，为以上问题的解决提供了最佳途径。本项目正是基于以上研究背景提出的，研究定位于：基于生物学机理的骨折愈合动态过程建模与仿真关键技术研究。主要研究内容包括：(1) 骨痂力学模型和生物学调控模型的建立。以应变不变量作为骨痂组织分化的力学刺激，建立断骨处骨痂的生物力学模型。基于骨痂组织分化假设，结合骨折愈合的生理学变化，将血液供给参数作为动态变量引入到骨折愈合仿真模型中，建立组织分化过程的模糊模型。(2) 骨痂力学模型的解算及迭代愈合组织成分更新的数值实现。将骨痂组织简化成各向同性，确定其相关参数，进行力刺激的有限元解算。基于骨痂组织自身的材料，以各纯组织浓度和纯组织特性的变化来更新当前骨痂材料特性，继而得到骨间动度随时间和迭代次数的变化。(3) 仿真模型的验证。通过VS环境下编译的骨痂有限元分析程序以及愈合组织成分更新的迭代程序，计算绵羊骨横向截骨的骨折愈合模型。将所得到的骨折愈合迭代模拟的骨间动度数据与实验数据进行对比，验证模型的准确性。重要结果包括：(1) 从生物学角度出发，以二期愈合为研究对象，首次利用有限元与模糊逻辑相结合的方法，建立以三维模型为基础的骨愈合仿真模型。(2)从组织学角度，将膨胀应变和畸变应变作为调控组织分化的力学刺激。(3)建立了7输入3输出的模糊逻辑控制，描述了血管生成、膜内骨化等组织转变过程。 (4) 通过仿真程序得出的位移-时间曲线与实验曲线和现有的仿真曲线进行对比，本研究结果更贴合实验数据，验证了仿真模型的准确性。利用仿真模型分析了骨间稳定性对愈合的影响。科学意义主要体现在：所构建骨折愈合动态过程计算机仿真系统，能够实现复杂骨折愈合过程的预测，为医生制订正确的手术方案提供指导，进而提高手术成功率、提高骨折愈合质量，可以有效减少骨折不愈合和延迟愈合的情况，帮助骨折愈合者通过有效的治疗手段恢复健康生活，减轻社会经济负担。