骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统

1.本发明属于骨修复技术领域，尤其涉及一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.骨水泥是一种用于填充骨与植入物间隙或骨髓腔并且具有自凝特性的骨修复材料。将骨水泥作为骨修复材料用于治疗骨质疏松性骨折的技术称为骨修复技术，常见脊椎骨修复技术有两种，分别是经皮穿刺椎体成形术(pvp)和经皮穿刺椎体后凸成形术(pkp)。目前对于经皮椎体成形术的改进多基于大量临床手术的经验积累进行，如网袋成形术(vesselplasty)。网袋成形术主要包括骨水泥的充填/注入、弥散和固化三个过程，其中弥散过程包括骨水泥从骨填充网袋壁的多孔介质里受压渗出和渗出后在骨折椎体微环境中的空间内非均匀弥散过程。
4.发明人发现，临床上骨水泥注入骨折椎体内的弥散分布大多由主治医师的经验决定，缺乏理论指导，而这些过程又直接决定骨水泥在临床上的使用效果和疗效，也影响着患者对手术的满意度。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统，其能够基于骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和在骨折椎体微环境中的空间内非均匀弥散过程的数值模拟结果和优化设计结果，对实际临床应用中的骨水泥注入过程的注射条件提供指导。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其包括：
8.获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；
9.基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；
10.获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；
11.其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。
12.本发明的第二个方面提供一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟系统，其包括：
13.数值仿真模型构建模块，其用于获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；
14.弥散分布预测模块，其用于基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；
15.设计变量优化模块，其用于获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；
16.其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。
17.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。
18.本发明的第四个方面提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.(1)本发明提供的数值模拟技术来数学描述骨水泥从网袋中受压渗出和渗出后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程，解决了用网袋成形术将骨水泥注入骨折椎体后的弥散过程缺乏系统的理论依据的问题。
21.(2)本发明创新性地集成了多孔介质渗流力学、计算流体力学和骨水泥骨修复理论，数值模拟骨水泥从骨填充网袋里受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。
22.(3)本发明提供了一种理论分析、数值模拟、实验研究和优化设计相结合的方法，综合应用灵敏度分析、多孔介质渗流力学、数值模拟技术、虚拟现实技术、医学影像学技术和骨水泥骨修复技术，创新性地开展骨填充网袋和骨折椎体的结构和渗透性能的相关性建模和数值计算。
23.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1是本发明的实施方式所涉及到的骨水泥注入装置示意图；
26.图2是本发明的实施方式所涉及到的骨折椎体模型示意图；
27.图3是本发明的实施方式所涉及到的用网袋成形术注入骨水泥后的椎体模型示意图；
28.图4是本发明的实施方式所涉及到的骨填充网袋和骨折椎体渗透性能的结构相关性建模与骨水泥弥散分布优化设计的技术路线；
29.图5是本发明示例1中的骨水泥注入压力与弥散系数的关系图；
30.图6是本发明示例2中的骨水泥静置时间与弥散系数的关系图；
31.图7是本发明示例3中的骨填充网袋的网孔直径与弥散系数的关系图。
32.其中，1：棘突；2：乳突；3：骨水泥推杆；4：骨水泥注入管；5：工作通道6：横突；7：骨填充网袋；8：皮质骨；9：松质骨；10：网袋微孔；11：椎孔；12：骨折椎体；13：骨折裂缝。
具体实施方式
33.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
34.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
35.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
36.实施例一
37.参照图4.本实施例提供了一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其具体包括如下步骤：
38.步骤1：获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型。
39.所述骨填充网袋和骨折椎体的模拟仿真是通过数值模拟软件进行的。所述骨水泥每剂量的配方以spineplex不透射线骨水泥为例，包括20g粉末和10ml液体。20g无菌粉末包含：58.3％甲基丙烯酸甲酯-苯乙烯共聚物、11.7％甲基丙烯酸甲酯、30％硫酸钡。10ml无菌液体包括：97.4％甲基丙烯酸甲酯、2.6％n,n二甲基苯胺、75
±
15ppm对苯二酚。
40.所述骨填充网袋由聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)材料制成，具有良好的生物相容性，可直接留置在体内；其表面布满直径约100μm的网孔，允许注入网袋内的小部分骨水泥渗透出去对松质骨进行锚定；分单层和双层两种规格，可视骨折情况选用合适的层数、网孔直径及网袋大小来控制骨水泥注入压力和注入量。
41.本实施例根据计算流体力学和生物医用材料学，建立骨填充网袋和骨折椎体的仿真模型，数值分析骨水泥在骨填充网袋内和骨折椎体微环境中的流动特点，根据darcy定律处理流场数据，获得骨填充网袋和骨折椎体的等效渗透率及其分布。重点分析骨填充网袋结构和骨折椎体结构对骨填充网袋和骨折椎体渗透率的影响。引入灵敏度分析方法和标度理论，揭示渗透率及其分布的结构影响因素及其贡献率，统筹考虑不同结构参数的影响规律，建立统一的骨填充网袋和骨折椎体渗透率及其分布与关键结构参数之间的关系模型。
42.步骤2：基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布。其中，所述弥散分布由弥散系数决定的，其中，弥散系数＝弥散体积/注射体积。
43.在步骤2中，采用多孔介质渗流力学描述骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出过程，
模拟计算骨填充网袋的等效渗透率及其分布。其过程具体包括：使用多孔介质模型模拟骨填充网袋壁对骨水泥流变的阻碍作用，根据多孔介质渗流力学，将骨填充网袋壁附近的流体域设置成多孔介质，给出该流体域的连续性方程、标准流动方程、动量守恒方程等，进而采用数值求解方法在三维空间内求解连续性方程、标准流动方程、动量守恒方程等，获得骨水泥的流动速度、渗出量等物理量的数值结果，最终计算出骨填充网袋的等效渗透率。
44.在步骤2中，采用计算流体力学描述骨水泥渗出骨填充网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程，模拟计算骨折椎体的等效渗透率及其分布。其过程具体包括：
45.根据计算流体力学，给出骨水泥在骨折椎体的微环境中的空间内的连续性方程、运动方程和边界条件，进而在三维空间内数值求解连续性方程、运动方程等，获得骨水泥的流动速度、压力等物理量的数值结果，最终计算出骨折椎体的等效渗透率。
46.根据darcy定律数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程。
47.本实施例采用上述的渗透率及其分布的结构相关性模型，根据具体的骨填充网袋的结构和骨折椎体结构，数值计算骨填充网袋的渗透率及其分布、骨折椎体结构的弥散率及其分布，将这些渗透性能数据代入darcy公式，数值模拟骨水泥从骨填充网袋里的渗出过程，重点分析骨水泥渗出骨填充网袋和渗出后在骨折椎体的微环境中的空间内流动特点及流体前沿的演变过程。
48.步骤3：获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；
49.其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。
50.其中，与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态是基于开展的骨水泥用网袋成形术注入骨折椎体的离体实验获取的。具体地，用医学ct对骨折椎体进行扫描，扫描范围包括骨填充网袋及骨折椎体微环境中的骨水泥，然后将原始数据导入工作站测量、计算骨水泥的弥散体积，根据实验中实际的骨水泥注入量，获得骨水泥的弥散系数，从实验研究的角度得出骨填充网袋的渗透率及其结构相关性、骨折椎体结构的弥散率及其结构相关性。采用ct影像学技术，得到真实的骨水泥在骨折椎体微环境中的弥散分布形态。将实验研究结果与理论分析、数值模拟结果相结合，发展骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散的科学规律。
51.离体实验具体指的是用网袋成形术向骨折椎体模型中注入骨水泥，该骨折椎体与数值模拟中的骨折椎体模型一致。操作过程全程在c型臂x线机等医学影像学设备监视下完成，采用双侧椎弓根穿刺入路，透视定位穿刺点，用穿刺针(带针芯)经过椎弓根穿入目标骨折椎体内。穿刺针超过椎体后缘约5mm时拔出针芯，置入椎体钻沿外层套管钻入至椎体前缘3～5mm处取出，将连接骨填充网袋的导入器插入套管，使网袋前端到达离椎体前缘3mm左右处，拔出内芯。连接骨水泥推进器，逐渐注入骨水泥，观察网袋在椎体内的膨胀情况与骨水泥从网袋中的渗出情况，满意后停止推注。卸下延长管，待骨水泥由粘稠状变为面团状时，逆时针旋转导入器使之与网袋分离后抽出。然后插入针芯，将其与套管一起拔出，网袋留置
骨折椎体内。
52.比较方法指的是在相同材料参数、工艺参数等条件下，比较理论分析、数值模拟结果与实验测试结果，通过实验测试结果修改数值模拟方法和理论，完善数学模型和算法。
53.骨水泥粘度是随着处理过程的时间延长而增加的，骨水泥调配好之后，0～1min之内属于稀薄阶段；1～5min内属于粘稠阶段，此阶段可以注入骨水泥；5～7min处于硬化阶段；7～12min处于聚合产热阶段。可以用骨水泥调配好之后的静置时间来间接体现骨水泥粘度。
54.其中，骨填充网袋的网孔直径可以影响多孔介质渗流理论中的阻力系数；网孔越小，阻力系数越大。
55.骨水泥的实际临床应用指的是根据患者椎体骨折状态视情采用不同的骨水泥注入指标。椎体骨折状态根据磁共振成像(mri)结果主要分为无明显压缩、轻微压缩(压缩程度小于1/3)、椎体压缩(压缩程度大于1/3但是小于2/3)、椎体严重压缩(压缩程度大于2/3)。椎体无明显压缩和轻微压缩时，骨水泥可以在粘度较低时注入。椎体压缩和严重压缩时，骨水泥必须在粘度大时注入，否则易发生渗漏。
56.本实施例基于骨水泥渗出骨填充网袋和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散的数值模拟技术，对骨填充网袋的网孔直径、骨水泥粘度、注射压力、弥散系数等物理量进行灵敏度分析和多目标优化设计，以提高骨水泥在骨折椎体的微环境中的空间内弥散的均匀性。
57.在一个或多个实施例中，所述数值模拟方法还包括：
58.可视化仿真骨水泥受压渗出骨填充网袋和渗出网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。
59.例如：采用虚拟现实技术，可视化仿真骨水泥受压渗出骨填充网袋和渗出网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程，预测骨水泥的弥散分布。
60.本实施例还对骨水泥弥散分布的形成过程与影响因素进行数值分析：基于骨水泥渗出骨填充网袋和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散的数值模拟结果，利用虚拟现实技术的交互性、沉浸性和想象性的优势，可视化仿真骨水泥动态渗出和弥散过程，以三维动画、切面图、等值线图等图形方式展示骨水泥渗出骨填充网袋和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散的演变特点，形象地展现骨水泥渗出骨填充网袋和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散的形成过程，探究骨水泥渗流和弥散的机理和影响因素，实现骨水泥受压渗出-非均匀弥散的集成数值分析。
61.本实施例基于骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和在骨折椎体微环境中的空间内非均匀弥散过程的数值模拟结果和优化设计结果，对实际临床应用中的骨水泥注入过程的注射条件提供指导，如骨水泥的注入时间、骨水泥的注入压力、骨水泥的粘度和骨填充网袋的网孔直径等。达到在减少渗漏的前提下，改善骨水泥的弥散分布，强化骨折椎体的生物力学性能，最终提高骨水泥医疗效果的目的。
62.在其他实施例中，利用本实施例的该数值仿真方法还可以进行灵敏度分析，其中，灵敏度分析指的是首先算出一个数值仿真结果，记为a；随后改变某一个物理量如骨水泥注入压力、骨水泥粘度、骨填充网袋的网孔直径等，重新进行数值模拟，得出另一个仿真结果，将此结果记为b。再改变上述同一物理量的初始值定义或计算公式，重复上述数值模拟过
程，可以得出一系列仿真结果。以这些结果为纵坐标，该物理量的改变值为横坐标作图(例如柱状图、折线图、散点图等)或列表，根据图表的变化趋势判断该物理量对数值模拟结果的影响程度，即为该物理量的灵敏度分析。
63.本实施例采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，研究骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和渗出网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。重点分析骨填充网袋的结构对渗透率及其空间分布的影响，建立渗透率及其分布与结构相关性的数学模型，数值模拟骨水泥的细观和宏观流动行为，揭示骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和渗出网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散的机理和规律，提供骨填充网袋的渗透率、骨水泥的配方、骨水泥的注射压力和时间、骨水泥的弥散分布的协同优化设计方法，并且根据数值模拟结果和优化设计结果指导临床实际应用。
64.下面提供了具体示例来予以说明骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法。
65.示例1：
66.图1给出了骨水泥注入装置示意图；其中，骨水泥的注入装置包括骨水泥推杆3、骨水泥注入管4、工作通道5、骨填充网袋7；骨填充网袋7上设置有网袋微孔10。图2给出了骨折椎体模型示意图，图3给出了用网袋成形术注入骨水泥后的椎体模型。其中，骨折椎体模型包括棘突1、乳突2、横突6、皮质骨8、松质骨9、椎孔11；在本示例中骨水泥默认采用spineplex不透射线骨水泥。
67.具体数值模拟和实验过程：
68.(1)用ct扫描骨折椎体，获得ct数据，输出断层图像保存。然后用医学影像控制软件自带的图像编辑功能对骨折椎体进行三维几何模型的构建，计算3d模型并且进行简单的光滑处理。
69.(2)将骨折椎体的3d模型导入数值模拟软件，赋予各部件材料属性，同一部件的材质为均匀、同质。将骨填充网袋区域设置为多孔介质区域，输入骨水泥材料参数。
70.(3)设置五组算例，注射压力分别设为8、9、10、11、12atm(标准大气压)，骨水泥粘度设为静置时间3min时的骨水泥粘度，骨填充网袋的网孔直径为100μm，其余条件一定，计算骨填充网袋和骨折椎体的等效渗透率，然后数值模拟骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。
71.(4)通过数值模拟软件的后处理功能，可视化骨水泥从骨填充网袋里受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内动态流动过程，得出骨水泥注入压力与骨水泥渗出量和弥散分布的关系。
72.(5)将上述用于建模的骨折椎体用于开展离体实验，将骨水泥用网袋成形术注入骨折椎体内，设置五组对照实验，注入压力分别为8、9、10、11、12atm，骨水泥调配好后静置3min，骨填充网袋的网孔直径为100μm，其余条件一定，然后用ct扫描得到实验中骨水泥在骨折椎体的弥散分布，比较实验和模拟结果，获得骨水泥注入压力与弥散分布的关系。
73.示例2：
74.(1)用ct扫描骨折椎体，获得ct数据，输出断层图像保存。然后用医学影像控制软件自带的图像编辑功能对骨折椎体进行三维几何模型的构建，计算3d模型并且进行简单的光滑处理。
75.(2)将骨折椎体的3d模型导入数值模拟软件，赋予各部件的材料属性，同一部件的
材质为均匀、同质。将骨填充网袋区域设置为多孔介质区域，输入骨水泥材料参数。
76.(3)将骨水泥调配好之后，分别测出骨水泥在1、2、3、4、5min时的粘度。设置五组算例，骨水泥注入压力为10atm，骨填充网袋的网孔直径为100μm，其余条件一定，将粘度值输入数值模拟软件，计算骨填充网袋和骨折椎体的等效渗透率，然后数值模拟骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。
77.(4)通过数值模拟软件的后处理功能，可视化骨水泥从骨填充网袋里受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内动态流动过程，得出骨水泥粘度与骨水泥渗出量和弥散分布的关系。
78.(5)将上述用于建模的骨折椎体用于开展离体实验，将骨水泥用网袋成形术注入骨折椎体内。设置五组对照实验，骨水泥调配好之后分别静置1、2、3、4、5min，骨水泥注入压力为10atm，骨填充网袋的网孔直径为100μm，其余条件一定。然后用ct扫描得到实验中骨水泥在骨折椎体的弥散分布，比较实验和模拟结果，获得骨水泥粘度与弥散分布的关系。
79.示例3：
80.(1)用ct扫描骨折椎体，获得ct数据，输出断层图像保存。然后用医学影像控制软件自带的图像编辑功能对骨折椎体进行三维几何模型的构建，计算3d模型并且进行简单的光滑处理。
81.(2)将骨折椎体的3d模型导入数值模拟软件，赋予各部件材料属性，同一部件的材质为均匀、同质。将骨填充网袋区域设置为多孔介质区域，输入骨水泥材料参数。
82.(3)准备5个型号不同的骨填充网袋，网孔直径分别为80、90、100、110、120μm，然后通过织物渗透实验测得阻力系数。设置5组对照算例，骨水泥注入压力为10atm，粘度设为静置时间3min时的粘度值，其余条件一定，将阻力系数输入数值模拟软件，计算骨填充网袋和骨折椎体的等效渗透率，然后数值模拟骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。
83.(4)通过数值模拟软件的后处理功能，可视化骨水泥从骨填充网袋里受压渗出和在骨折椎体的微环境中的空间内动态流动过程，得出骨填充网袋直径与骨水泥渗出量和弥散分布的关系。
84.(5)将上述用于建模的骨折椎体用于开展离体实验，将骨水泥用网袋成形术注入骨折椎体内。设置五组对照实验，分别用网孔直径为80、90、100、110、120μm的骨填充网袋进行实验，骨水泥注入压力为10atm，骨水泥静置时间为3min，其余条件一定。然后用ct扫描得到实验中骨水泥在骨折椎体的弥散分布，比较实验和模拟结果，获得骨填充网袋直径与弥散分布的关系。
85.图5、图6、图7分别为骨水泥注入压力、骨水泥静置时间、骨填充网袋的网孔直径与骨水泥弥散系数的仿真结果和实验结果的关系图。从图5、图6和图7中可以看出，仿真结果与实验结果差别小，说明数学模型和数值模拟的合理性。骨水泥注入压力越大，骨水泥弥散分布越好；骨水泥调配好后静置时间越长，骨水泥粘度越大，弥散分布越差；骨填充网袋的网孔直径越大，骨水泥弥散分布越好。对比三张图，可以发现骨水泥的静置时间对骨水泥的弥散分布影响最为重要，说明在实际手术操作过程中，骨水泥的粘度对骨水泥从骨填充网袋内受压渗出和渗出后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程的影响至关重要。
86.实施例二
87.本实施例提供了一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟系统，其具体包括如下模块：
88.数值仿真模型构建模块，其用于获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；
89.弥散分布预测模块，其用于基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；
90.设计变量优化模块，其用于获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；
91.其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。
92.所述弥散分布由弥散系数决定的，其中，弥散系数＝弥散体积/注射体积。
93.此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
94.实施例三
95.本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。
96.实施例四
97.本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。
98.本发明是参照本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
99.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，包括：获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。2.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，采用多孔介质渗流力学描述骨水泥从骨填充网袋微孔受压渗出过程，模拟计算骨填充网袋的等效渗透率及其分布。3.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，采用计算流体力学描述骨水泥渗出骨填充网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程，模拟计算骨折椎体的等效渗透率及其分布。4.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，所述弥散分布由弥散系数决定的，其中，弥散系数＝弥散体积/注射体积。5.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，所述数值模拟方法还包括：可视化仿真骨水泥受压渗出骨填充网袋和渗出网袋后在骨折椎体的微环境中的空间内非均匀弥散过程。6.如权利要求1所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法，其特征在于，根据darcy定律数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程。7.一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟系统，其特征在于，包括：数值仿真模型构建模块，其用于获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；弥散分布预测模块，其用于基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；设计变量优化模块，其用于获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件；其中，所述设计变量包括骨水泥的注入压力、粘度和骨填充网袋的网孔直径，优化设计的目标函数为骨水泥的弥散分布。8.如权利要求7所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟系统，其特征在于，所述弥散分布由弥散系数决定的，其中，弥散系数＝弥散体积/注射体积。9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执
行时实现如权利要求1-6中任一项所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法中的步骤。

技术总结
本发明属于骨修复技术领域，提供了一种骨水泥受压渗出和弥散的数值模拟方法及系统。其中该方法包括获取骨填充网袋和骨折椎体相关参数，构建骨填充网袋和骨折椎体的数值仿真模型；基于所述数值仿真模型及骨水泥参数，分别采用多孔介质渗流力学和计算流体力学，计算骨填充网袋与骨折椎体的等效渗透率及其分布，数值模拟出骨水泥在骨填充网袋和骨折椎体的微环境中的空间内流动过程，预测出骨水泥的弥散分布；获取与所述数值模拟条件相同的骨水泥在真实骨折椎体微环境中的空间内弥散分布形态，并将其与预测的骨水泥弥散分布进行比较来优化设计变量，以将优化后的设计变量作为实际临床手术的注射条件。床手术的注射条件。床手术的注射条件。


技术研发人员：肖星 张通 贾玉玺 黄斌 程梦萱 马清伟 赵志彦 万国顺 盛男 郑瑞乾
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8