一种生物组织器官模拟材料等效方法

1.本发明涉及人体靶标制备技术领域。具体地说是一种生物组织器官模拟材料等效方法。


背景技术：

2.在研究人体受伤机理及物体侵彻人体时的毁伤效果时，通常需要人体靶标。在进行前述研究的过程中，研究人员选择了动物靶标、金属靶标、木质靶标或者人尸，其中，人尸来源较少，金属靶标和木质靶标与人体组织器官性质差异较大，而动物靶标，虽然在力学性能等方面与人体组织器官的性能差异不大，但是仍存在差异，且来源也受一定的限制。于是人们开始选用高分子材料制作靶标，然而高分子材料直接用来制作靶标，也存在力学性能以及毁伤效果上的较大差异。为了更好地利用高分子材料来制作人体靶标，需要对用于制作靶标的高分子材料进行遴选和设计。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种生物组织器官模拟材料等效方法，通过仿真、模拟制作以及验证分析，确认可用于制作人体等效靶标的生物组织器官模拟材料，建立一套科学标准且严谨的方法。
4.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
5.一种生物组织器官模拟材料等效方法，包括如下步骤：
6.s1)确定生物组织器官仿真边界条件；
7.s2)依据步骤s1)确定的生物组织器官仿真边界条件进行仿真分析；
8.s3)依据步骤s2)的仿真分析结果确定生物组织器官的毁伤效果x；
9.s4)选择生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体并对生物组织器官进行试验，获得生物组织器官模拟体的毁伤效果y；
10.s5)将步骤s3)得到的毁伤效果x与步骤s4)中得到的毁伤效果y进行符合性验证；当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差小于或等于12％时，即认为步骤s4)中选用的生物组织器官模拟材料符合生物组织器官等效材料的要求，反之，则重新选择生物组织器官模拟材料并进行步骤s4)的操作。
11.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在步骤s1)中，生物组织器官仿真边界条件通过如下步骤确定：
12.s1-1)通过对生物组织器官进行ct扫描对生物组织器官进行3d重构，得到生物组织器官模型；
13.s1-2)依据步骤s1-1)中3d重构得到的生物组织器官模型构造生物组织器官生物力学仿真模型；
14.s1-3)对生物组织器官进行试验获取与毁伤评估相关的性能参数；
15.s1-4)依据步骤s1-3)获得的与毁伤评估相关的性能参数确定生物组织器官的本
构模型和生物组织器官参数；
16.s1-5)依据步骤s1-2)中构造的生物组织器官生物力学仿真模型和步骤s1-4)中确定的生物组织器官本构模型与生物组织器官参数确定仿真边界条件。
17.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在步骤s4)中，选择生物组织器官模拟材料时，先确定生物组织器官模拟材料的本构模型和材料参数，然后依据生物组织器官模拟材料的本构模型和材料参数与步骤s1-3)中获得的与毁伤评估相关的性能参数确定生物组织器官模拟材料种类。
18.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在步骤s4)中，在将生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体之前，将生物组织器官模拟材料进行制样并进行力学性能测试，当生物组织器官模拟材料样品的力学性能与生物组织器官的力学性能相差不超过15％时，利用该生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体。
19.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在利用生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体时，依据生物组织器官构造对生物组织器官模拟材料制件的厚度以及设置位置进行调整。
20.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在步骤s3)中，依据步骤s2)的仿真分析结果确定生物组织器官的毁伤效果x的具体步骤为：
21.s3-1)构建弹药本构模型及材料参数和弹药速度；
22.s3-2)对弹药进行3d重构以及网格划分得到弹药3d模型；
23.s3-3)依据弹药本构模型及材料模型和弹药速度以及弹药的3d模型对弹药进行仿真分析与验证；
24.s3-4)对生物组织器官进行打靶试验，并依据步骤s3-3)的仿真分析与验证结果确定生物组织器官的毁伤效果x。
25.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在步骤s4)中，选择生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体时，依照生物组织器官部位构成选择不同的模拟材料，在生物组织器官模拟体同一部位内设置一种或多种模拟构件时，制备生物组织器官模拟体某一部位时选用的模拟材料与制备该部位内置模拟构件所用的模拟材料相同或相似。
26.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在制备生物软组织器官模拟体时，在同一个生物软组织器官模拟体内，相邻的两个部位之间通过粘接材料粘接。
27.上述生物组织器官模拟材料等效方法，在步骤s5)中，当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差大于12％且小于或等于20％时，则调整生物组织器官模拟体的制备方法以及生物组织器官模拟体的内部结构。
28.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
29.本发明通过仿真分析确定生物组织器官的毁伤效果，并将之与利用生物组织器官模拟材料制备而成的生物组织器官模拟体的毁伤效果进行符合性验证，确认二者之间的等效关系以及等效策略，并根据等效关系和等效策略遴选出合适的生物组织器官模拟材料。
附图说明
30.图1为生物组织器官模拟材料等效方法流程示意图。
具体实施方式
31.如图1所示，本发明生物组织器官模拟材料等效方法，包括如下步骤：
32.s1)确定生物组织器官仿真边界条件；
33.s2)依据步骤s1)确定的生物组织器官仿真边界条件进行仿真分析；
34.s3)依据步骤s2)的仿真分析结果确定生物组织器官的毁伤效果x；
35.s4)选择生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体并对生物组织器官进行试验，获得生物组织器官模拟体的毁伤效果y；
36.s5)将步骤s3)得到的毁伤效果x与步骤s4)中得到的毁伤效果y进行符合性验证；当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差小于或等于12％时，即认为步骤s4)中选用的生物组织器官模拟材料符合生物组织器官等效材料的要求，而当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差大于12％且小于或等于20％时，则调整生物组织器官模拟体的制备方法以及生物组织器官模拟体的内部结构当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差大于20％时，则重新选择生物组织器官模拟材料并进行步骤s4)的操作。
37.其中，在步骤s1)中，生物组织器官仿真边界条件通过如下步骤确定：
38.s1-1)通过对生物组织器官进行ct磁扫描对生物组织器官进行3d重构，得到生物组织器官模型；
39.s1-2)依据步骤s1-1)中3d重构得到的生物组织器官模型构造生物组织器官生物力学仿真模型；
40.s1-3)对生物组织器官进行试验获取与毁伤评估相关的性能参数；
41.s1-4)依据步骤s1-3)获得的与毁伤评估相关的性能参数确定生物组织器官的本构模型和生物组织器官参数；
42.s1-5)依据步骤s1-2)中构造的生物组织器官生物力学仿真模型和步骤s1-4)中确定的生物组织器官本构模型与生物组织器官参数确定仿真边界条件。
43.在步骤s4)中，选择生物组织器官模拟材料时，先确定生物组织器官模拟材料的本构模型和材料参数，然后依据生物组织器官模拟材料的本构模型和材料参数与步骤s1-3)中获得的与毁伤评估相关的性能参数确定生物组织器官模拟材料种类。且在将生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体之前，将生物组织器官模拟材料进行制样并进行力学性能测试，当生物组织器官模拟材料样品的力学性能与生物组织器官的力学性能相差不超过15％时，利用该生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体，这样可以减少确定用于制备生物组织器官模拟体的生物组织器官模拟材料的种类所需要的时间。
44.由于利用同一组材料制备生物组织器官模拟体时生物组织器官模拟材料制件的厚度与设置位置会对生物组织器官模拟体的毁伤效果y产生一定程度的影响，因此当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差大于12％时，在更换生物组织器官模拟材料之前，在利用同一类生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体时，可以依据生物组织器官构造对生物组织器官模拟材料制件的厚度以及设置位置进行调整，以期获得较好的生物组织器官模拟材料遴选。
45.在步骤s3)中，依据步骤s2)的仿真分析结果确定生物组织器官的毁伤效果x的具体步骤为：
46.s3-1)构建弹药本构模型及材料参数和弹药速度；
47.s3-2)对弹药进行3d重构以及网格划分得到弹药3d模型；
48.s3-3)依据弹药本构模型及材料模型和弹药速度以及弹药的3d模型对弹药进行仿真分析与验证；
49.s3-4)对生物组织器官进行打靶试验，并依据步骤s3-3)的仿真分析与验证结果确定生物组织器官的毁伤效果x。
50.在步骤s4)中，选择生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体时，依照生物组织器官部位构成选择不同的模拟材料，在生物组织器官模拟体同一部位内设置一种或多种模拟构件时，制备生物组织器官模拟体某一部位时选用的模拟材料与制备该部位内置模拟构件所用的模拟材料相同或相似。且在制备生物软组织器官模拟体时，在同一个生物软组织器官模拟体内，相邻的两个部位之间通过粘接材料粘接。
51.本发明中，利用等效方法对生物组织器官模拟材料进行遴选时，主要从一下几个方面进行等效：
52.(1)结构等效。利用生物组织器官模拟材料通过浇注或3d打印等制备方法依照生物组织器官的形状结构制造生物组织器官模拟体，从生物组织器官结构上进行等效，即在从生物组织器官的形态结构上利用生物组织器官模拟材料对生物组织器官进行仿真与等效。
53.(2)力学性能等效。通过弹药本构模型及材料参数、生物组织器官本构模型和生物组织器官参数以及生物组织器官模拟材料本构模型和材料参数进行仿真分析，能够建立生物组织器官模拟材料与生物组织器官的等效关系，缩小了材料遴选范围，便于选择出较为适用的生物组织模拟材料。利用生物组织器官模拟材料制成的生物组织器官模拟体的力学性能应当与生物组织器官的力学性能相同或相近，以期制作出来的生物组织器官模拟体在受到同样程度的损伤时会有同样或相似的毁损效果。
54.(3)毁伤效果等效。在制备好生物组织器官模拟体后，通过打靶试验等试验方法来测定生物组织器官模拟体的毁伤效果y，然后对毁伤效果y进行评估分析，并将毁伤效果y与毁伤效果x进行符合性验证分析，以使毁伤效果上也相同或近似，从而形成毁伤效果上的等效。
55.而利用仿真技术则可以减少样本使用量，可以尽快确定生物组织器官模拟材料的种类和构造生物组织器官的形式(如整体浇注，分体浇注，多层压合等)，也便于选出经济适用的生物组织器官模拟材料。
56.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。

技术特征：
1.一种生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，包括如下步骤：s1)确定生物组织器官仿真边界条件；s2)依据步骤s1)确定的生物组织器官仿真边界条件进行仿真分析；s3)依据步骤s2)的仿真分析结果确定生物组织器官的毁伤效果x；s4)选择生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体并对生物组织器官进行试验，获得生物组织器官模拟体的毁伤效果y；s5)将步骤s3)得到的毁伤效果x与步骤s4)中得到的毁伤效果y进行符合性验证；当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差小于或等于12％时，即认为步骤s4)中选用的生物组织器官模拟材料符合生物组织器官等效材料的要求，反之，则重新选择生物组织器官模拟材料并进行步骤s4)的操作。2.根据权利要求1所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在步骤s1)中，生物组织器官仿真边界条件通过如下步骤确定：s1-1)通过对生物组织器官进行ct扫描对生物组织器官进行3d重构，得到生物组织器官模型；s1-2)依据步骤s1-1)中3d重构得到的生物组织器官模型构造生物组织器官生物力学仿真模型；s1-3)对生物组织器官进行试验获取与毁伤评估相关的性能参数；s1-4)依据步骤s1-3)获得的与毁伤评估相关的性能参数确定生物组织器官的本构模型和生物组织器官参数；s1-5)依据步骤s1-2)中构造的生物组织器官生物力学仿真模型和步骤s1-4)中确定的生物组织器官本构模型与生物组织器官参数确定仿真边界条件。3.根据权利要求2所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在步骤s4)中，选择生物组织器官模拟材料时，先确定生物组织器官模拟材料的本构模型和材料参数，然后依据生物组织器官模拟材料的本构模型和材料参数与步骤s1-3)中获得的与毁伤评估相关的性能参数确定生物组织器官模拟材料种类。4.根据权利要求1所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在步骤s4)中，在将生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体之前，将生物组织器官模拟材料进行制样并进行力学性能测试，当生物组织器官模拟材料样品的力学性能与生物组织器官的力学性能相差不超过15％时，利用该生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体。5.根据权利要求4所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在利用生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体时，依据生物组织器官构造对生物组织器官模拟材料制件的厚度以及设置位置进行调整。6.根据权利要求1～5任一所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在步骤s3)中，依据步骤s2)的仿真分析结果确定生物组织器官的毁伤效果x的具体步骤为：s3-1)构建弹药本构模型及材料参数和弹药速度；s3-2)对弹药进行3d重构以及网格划分得到弹药3d模型；s3-3)依据弹药本构模型及材料模型和弹药速度以及弹药的3d模型对弹药进行仿真分析与验证；s3-4)对生物组织器官进行打靶试验，并依据步骤s3-3)的仿真分析与验证结果确定生
物组织器官的毁伤效果x。7.根据权利要求1～5任一所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在步骤s4)中，选择生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体时，依照生物组织器官部位构成选择不同的模拟材料，在生物组织器官模拟体同一部位内设置一种或多种模拟构件时，制备生物组织器官模拟体某一部位时选用的模拟材料与制备该部位内置模拟构件所用的模拟材料相同或相似。8.根据权利要求7所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在制备生物软组织器官模拟体时，在同一个生物软组织器官模拟体内，相邻的两个部位之间通过粘接材料粘接。9.根据权利要求8所述的生物组织器官模拟材料等效方法，其特征在于，在步骤s5)中，当毁伤效果x与毁伤效果y一致性偏差大于12％且小于或等于20％时，则调整生物组织器官模拟体的制备方法以及生物组织器官模拟体的内部结构。

技术总结
本发明公开一种生物组织器官模拟材料等效方法，包括如下步骤：S1)确定生物组织器官仿真边界条件；S2)依据生物组织器官仿真边界条件进行仿真分析；S3)依据仿真分析结果确定生物组织器官的毁伤效果X；S4)选择生物组织器官模拟材料制备生物组织器官模拟体并对生物组织器官进行试验，获得生物组织器官模拟体的毁伤效果Y；S5)将毁伤效果X与毁伤效果Y进行符合性验证；当毁伤效果X与毁伤效果Y一致性偏差小于或等于12％时，即认为步骤S4)中选用的生物组织器官模拟材料符合生物组织器官等效材料的要求。本发明通过仿真、模拟制作以及验证分析，确认可用于制作人体等效靶标的生物组织器官模拟材料，建立一套科学标准且严谨的方法。建立一套科学标准且严谨的方法。建立一套科学标准且严谨的方法。


技术研发人员：柴春鹏 韩旭辉 酒永斌 代培 矫阳 孙超 李彤华 曹凌宇 杨琦 王涵
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2022.02.21
技术公布日：2022/5/25