(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210731888.0 (22)申请日 2022.06.26 (71)申请人 哈尔滨理工大 学 地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号 (72)发明人 王沫楠　夏领兵　 (51)Int.Cl. G16H 50/50(2018.01) G16H 50/20(2018.01) G06T 17/00(2006.01) G06F 30/10(2020.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种超声传感器监测的骨折愈合仿真方法 (57)摘要 本发明涉及一种超声传感器监测的骨折愈 合仿真方法。 本发明目的是为了解决现有的骨折 愈合仿真模型不能解决骨折愈合过程中的早期 愈合情况监测， 以及声学场、 固体力学场和静电 场之间复杂耦合关系的缺点。 一、 三维几何模型 的建立； 二、 将得到的三维几何模型导入到仿真 分析软件中并添加相关物理场； 三、 对导入的三 维几何模型进行特征处理； 四、 对三维几何模型 添加材料属性； 五、 对导入的三维几何模型进行 网格划分； 六、 建立骨折区域的超声三维扩散模 型； 七、 在步骤六的基础上建立超声传感器的生 物学模型； 八、 在步骤七的基础上， 进行有限元仿 真； 九、 在步骤一至步骤八的基础上， 评估骨折愈 合情况， 对仿真结果进行后处理。 本发明用于生 物医学工程领域。 权利要求书5页 说明书7页 附图1页 CN 115064277 A 2022.09.16 CN 115064277 A 1.一种超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 一种超声传感器监测的骨 折愈合仿真方法具体是按照以下步骤进行的： 步骤一、 三维几何模型的建立； 步骤二、 将得到的三维几何模型导入到 仿真分析软件中并添加相关物理场； 步骤三、 对导入的三维几何模型进行 特征处理； 步骤四、 对三维几何模型 添加材料属性； 步骤五、 对导入的三维几何模型进行网格划分； 步骤六、 建立骨折区域的超声三维扩散模型； 步骤七、 在步骤六的基础上建立超声传感器的生物学模型； 步骤八、 在步骤 七的基础上， 进行有限元仿真； 步骤九、 在步骤一至步骤八的基础上， 评估骨折愈合状况， 对仿真结果进行后处 理。 2.根据权利要求1所述的一种 超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 所述 步骤一中三维几何模型的建立， 所述的三维几何模型主要包括长骨， 肌肉， 皮肤， 发射传感 器， 接收传感器； 所述的发射传感器连接到骨头， 通过机电阻抗光谱法连续 感知长骨的情况 并进行声数据传输； 所述 步骤一种三维几何模型建立的具体过程 为： 1)采用基于分割的三维医学图像表面重建算法对图像进行三维表面重构； 2)将经过三维医学图像表面重建算法得到的三维模型导入到Geomagic软件中进行三 维模型表面特 征的光滑处 理得到具有光滑 表面特征的三维几何模型； 3)所述图像由影 像设备CT得到， 数据存 储格式为DICOM 。 3.根据权利要求1所述的一种 超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 所述 步骤二中将得到的三维几何模型导入到 仿真软件中并添加相关物理场； 具体过程中： 1)将经过步骤一处 理过的三维几何模型导入仿真软件； 2)添加压力声学场、 固体力学场和静电场。 4.根据权利要求1所述的一种 超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 所述 步骤三对导入的三维几何模型进行 特征处理； 具体过程 为： 1)对导入仿真软件中的三维模型中的骨头做不同程度的切深， 切割深度分别为： 2mm、 4mm、 6mm、 8mmm、 10mm； 2)在几何模型的最外层添加完 美匹配层以吸 收传输的声 波。 5.根据权利要求1所述的一种 超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 所述 步骤四对三维几何模型 添加材料属性； 具体过程 为： 1)对于两个传感器， 添加压电材 料的材料属性； 2)对于其 余部分的皮肤、 肌肉和骨头 选择仿真软件中生物热中对应的材 料属性。 6.根据权利要求1所述的一种 超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 所述 步骤五对导入的三维几何模型进行网格划分； 具体过程 为： 在设置网格大小时， 取五分之一的声 波的波长作为网格的最大尺寸。 7.根据权利要求1所述的一种 超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 所述 步骤六建立骨折区域的超声三维扩散模型， 具体过程如下： 超声的作用会使骨折部位组织产生声流， 也就是组织的微流动， 因此将骨折部位看成 微流体并且骨折部位不同组织对超声的吸收程度不同， 所以超声声压在骨折部位的分布会权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115064277 A 2非常不均， 建立超声三维扩散需做如下假设： 1)声波作为一种物质， 并不会脱离时间而存在， 因此， 假设超声传播具有连续 性； 2)虽然把骨折部位看成微流体， 但这个流动的速度并不是太快， 与超声的传播速度根 本不在一个数量级， 微 流体流速 近似可以忽略， 因此， 假设背景流体静止； 3)任何形式的能量存在都会有热量， 超声传播也不例外， 但为了模型的简化以及为了 突出超声 声压在骨折愈合中的作用， 热量的交换暂不 考虑在内； 超声波的传播过程是一种宏观的物理现象， 牛顿运动方程、 质量守恒方程和物态方程 在超声传播的过程中必然适用； 理想介质中超声 波传播的运动方程如公式(1)： 式中， ρ0为流体介质密度， v0为流体介质流速， P为超声的声压； 简化的运动方程如公式(2)： 理想介质中超声 波传播简化的物 态方程如公式(3)： dP＝c2dρ0                                                   (3) 式中， P为超声的声压， c为超声波在理想介质中的传播速度， k0为流体介质体 积模量， ρ0为流体介质密度； 理想介质中超声 波传播的连续 性方程如公式(4)： 式中， P为超声的声压， ρ0为流体介质密度， v0为流体介质流速； 基于公式(2)、 公式(3)和公式(4)三个基本方程， 得出理想介质中小振幅声波的三维波 动方程如公式(5)： 式中， P为超声的声压， c为超声波在理想介质中的传播速度， k0为流体介质体 积模量， ρ0为流体介质密度， 为拉普拉斯 算子， 8.根据权利要求1所述的一种 超声传感器监测的骨折愈合仿真方法， 其特征在于： 所述 步骤七在步骤六的基础上建立超声传感器的生物学模型； 具体过程 为： 1)在对超声传感器的生物力学模型进行静电场处理时， 先对发射传感器和接收传感器 的一端做接地处 理， 有如下关系(6)： V＝0                                                      (6)权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115064277 A 3