專利名稱：離散間距可控的三維多孔骨支架離散模型構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于格子Boltzmarm流場分析的三維多孔實(shí)體骨支架的離散方法，特別涉及一種離散間距可控的三維多孔骨支架離散模型構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
隨著醫(yī)療技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，人們對骨缺損修復(fù)和置換的要求日益迫切。修復(fù)有創(chuàng)傷和疾病導(dǎo)致的各類骨缺損，尤其是大段骨缺損一直是骨組織骨科醫(yī)學(xué)難題。自體骨骨源的限制，異種骨的排異反應(yīng)嚴(yán)重阻礙了骨缺損修復(fù)的發(fā)展。骨組織工程的興起為骨缺損的修復(fù)治療開辟了新的研究領(lǐng)域，通過體外灌注法培養(yǎng)種植有人骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的多孔骨支架，是組織工程骨研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)。在體外培養(yǎng)的過程中，培養(yǎng)液流過多孔骨支架，不僅為支架孔隙內(nèi)的人骨髓基質(zhì)干細(xì)胞提供了充足的營養(yǎng)物質(zhì)，還通過流體剪切力對細(xì)胞進(jìn)行機(jī)械刺激，促進(jìn)人骨髓基質(zhì)干細(xì)胞向增殖和向骨細(xì)胞的分化。探求流體的機(jī)械刺激對人骨髓基質(zhì)干細(xì)胞的分化影響成為骨組織工程研究的熱點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展和格子Boltzmarm理論的發(fā)展，用格子Boltzmarm方法模擬三維多孔骨支架在體外培養(yǎng)的流場剪切力成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。針對這一狀況，提出了一種離散間距可控的三維多孔骨支架離散模型的構(gòu)建方法。多孔骨支架流場的三維離散模型是應(yīng)用格子Boltzmarm方法的基礎(chǔ)。離散模型不僅反應(yīng)實(shí)體模型的大小，還區(qū)分了模型的復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)中的實(shí)體和孔隙，模型的離散精度是流場分析精度的重要影響因素之一。為了滿足這些要求，離散模型的構(gòu)建就顯得尤為重要。目前，隨著生物CAD建模技術(shù)、快速成型技術(shù)以及精密CT掃描技術(shù)的成熟，骨支架離散模型的構(gòu)建成為可能。但在構(gòu)建的過程中，一般需要先制造出實(shí)體骨支架，再通過CT 掃描，并用二值化圖像處理，才能得到骨支架離散模型。在這個(gè)構(gòu)建過程中，由于制造誤差和掃描后的圖像處理誤差，導(dǎo)致最終的離散模型與最初的設(shè)計(jì)模型存在較大差別，以致后續(xù)的數(shù)值模擬結(jié)果存在較大的精度誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提供一種基于八叉樹劃分的離散間距可控的三維多孔骨支架離散模型構(gòu)建方法。構(gòu)建方法更為便捷，所得的離散模型的微觀結(jié)構(gòu)精度更高，而且離散精度可調(diào)，更有利于后續(xù)的數(shù)值模擬。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是首先對選定真實(shí)松質(zhì)骨進(jìn)行電鏡掃描，以獲得真實(shí)骨微觀孔隙尺寸參數(shù)，然后利用UGNX6. 0軟件按此參數(shù)構(gòu)建三維骨支架實(shí)體模型， 并把實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為由三角面片表示的STL格式模型。利用Magics軟件對STL模型進(jìn)行三角網(wǎng)格細(xì)分，獲得更精細(xì)的三角網(wǎng)格模型。對所得模型計(jì)算包圍盒，并用八叉樹法對包圍盒按指定參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到離散體素模型。判斷離散體素的位置，并對不同位置的離散體素標(biāo)記不同的值。最后按三軸坐標(biāo)系依次輸出三維骨支架的離散模型。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種離散間距可控的三維多孔骨支架離散模型構(gòu)建方法，其特征在于操作步驟如下
(1)對自然松質(zhì)骨進(jìn)行掃描，獲得自然真實(shí)松質(zhì)骨微觀孔隙尺寸信息；
(2)根據(jù)步驟(1)所得微孔尺寸構(gòu)建三維實(shí)體多孔骨支架模型，獲得微觀三維微孔尺寸信息和三維空間位置信息；
(3)將步驟(2)所得三維實(shí)體多孔骨支架模型轉(zhuǎn)換為由三角面片組成的STL格式模
型；
(4)對步驟C3)所得STL格式模型進(jìn)行三角網(wǎng)格細(xì)分獲得更精細(xì)的三維空間模型數(shù)字資料；
(5)構(gòu)建整個(gè)三維模型的包圍盒，確定要離散模型的總體積；
(6)用八叉樹法對步驟( 所得包圍盒體積按指定的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到指定參數(shù)的離散體素；
(7)判斷步驟(6)所得各離散體素的性質(zhì)，判斷離散體素是否是實(shí)體和空腔，并分別標(biāo)記不同的值，得到由離散體素值表示的模型實(shí)體和空腔信息；
(8)把步驟(7)所得離散體素的值按實(shí)體模型的三坐標(biāo)輸出，即得到離散的三維多孔骨支架模型。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)用 UGNX6. 0構(gòu)建三維實(shí)體模型，并轉(zhuǎn)化為三角面片表示的STL模型，然后在通過Magics進(jìn)行三角面片細(xì)分，得到的STL格式模型，再通過計(jì)算包圍盒，利用八叉樹法對包圍盒可控離散間距的網(wǎng)格劃分，得到不同離散間距的離散體素模型，為得到不同精度的離散模型提供了便利；而現(xiàn)有的離散模型是通過CT掃描得到，CT掃描的掃描間距決定了離散模型的離散間距和精度，如果要得到的離散間距比CT掃描的間距更小，則必然會導(dǎo)致巨大誤差。本方法構(gòu)建離散模型是通過軟件操作完成，不需要?jiǎng)佑谬嫶蟮腃T掃描設(shè)備，成本更低，處理時(shí)間更短，效率更高。


圖1是本發(fā)明的構(gòu)建三維多孔骨支架離散模型的程序框圖。圖2是本發(fā)明按電鏡掃描數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，使用UGNX6. 0構(gòu)建的三維實(shí)體多孔骨支架模型圖。圖3是本發(fā)明使用UGNX6. 0軟件對實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為由三角面片表示的STL格式模型圖。圖4是本發(fā)明使用Mimics軟件細(xì)化三角面片后的骨支架模型圖。圖5和圖6是本發(fā)明通過計(jì)算包圍盒，八叉樹網(wǎng)格劃分，然后標(biāo)記體素后輸出的離散骨支架模型。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，結(jié)合附圖詳細(xì)說明如下本離散間距可控的三維多孔骨支架離散模型構(gòu)建方法具體操作步驟如下(參見圖1)
(1)使用電鏡掃描方法對自然松質(zhì)骨進(jìn)行掃描
4使用電鏡對所選自然松質(zhì)骨進(jìn)行掃描，獲得自然真實(shí)松質(zhì)骨微觀孔隙尺寸信息；
(2)使用UGNX6. 0設(shè)計(jì)三維實(shí)體多孔骨支架模型
使用UG NX6. 0按真實(shí)微孔尺寸構(gòu)建三維實(shí)體多孔骨支架模型(見圖2)，獲得微觀三維微孔尺寸信息和三維空間位置信息；
(3)使用UGNX6. 0軟件將三維實(shí)體多孔骨支架模型轉(zhuǎn)換為STL格式模型
使用UG NX6. 0將上述三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為由三角面片組成的STL格式模型(見圖3)；
(4)利用Magics軟件對三角面片模型進(jìn)行三角網(wǎng)格細(xì)分
用Magics軟件對STL格式模型進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分，獲得更精細(xì)的三維空間(見圖4)模型數(shù)字資料；
(5)構(gòu)建模型包圍盒
構(gòu)建整個(gè)三維模型的包圍盒，確定要離散模型的總體積；
(6)用八叉樹法對包圍盒均勻網(wǎng)格劃分
用八叉樹法對包圍盒體積按指定的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可得到指定參數(shù)的離散體素；
(7)標(biāo)記各體素性質(zhì)
判斷體素性質(zhì)，判斷離散體素是否是實(shí)體和空腔，并分別標(biāo)記不同的值，得到由離散體素值表示的模型實(shí)體和空腔信息；
(8)獲取離散體素
把離散體素的值按實(shí)體模型的三坐標(biāo)輸出，即得到離散的三維多孔骨支架模型(見圖5 和圖6)。
權(quán)利要求
1. 一種離散間距可控的三維多孔骨支架離散模型構(gòu)建方法，其特征在于操作步驟如下(1)對自然松質(zhì)骨進(jìn)行掃描，獲得自然真實(shí)松質(zhì)骨微觀孔隙尺寸信息；(2)根據(jù)步驟(1)所得微孔尺寸構(gòu)建三維實(shí)體多孔骨支架模型，獲得微觀三維微孔尺寸信息和三維空間位置信息；(3)將步驟(2)所得三維實(shí)體多孔骨支架模型轉(zhuǎn)換為由三角面片組成的STL格式模型；(4)對步驟C3)所得STL格式模型進(jìn)行三角網(wǎng)格細(xì)分獲得更精細(xì)的三維空間模型數(shù)字資料；(5)構(gòu)建整個(gè)三維模型的包圍盒，確定要離散模型的總體積；(6)用八叉樹法對步驟( 所得包圍盒體積按指定的參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到指定參數(shù)的離散體素；(7)判斷步驟(6)所得各離散體素的性質(zhì)，判斷離散體素是否是實(shí)體和空腔，并分別標(biāo)記不同的值，得到由離散體素值表示的模型實(shí)體和空腔信息；(8)把步驟(7)所得離散體素的值按實(shí)體模型的三坐標(biāo)輸出，即得到離散的三維多孔骨支架模型。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種間距可控的三維多孔骨支架離散模型的構(gòu)建方法。其構(gòu)建步驟為對所選真實(shí)松質(zhì)骨進(jìn)行掃描，以獲得真實(shí)骨微觀孔隙尺寸參數(shù)；按此參數(shù)構(gòu)建三維骨支架實(shí)體模型；然后把實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為由三角面片表示的STL格式模型；接著對三角面片表示的STL格式模型進(jìn)行三角網(wǎng)格細(xì)分，獲得更精細(xì)的三角網(wǎng)格模型；接著對所得模型計(jì)算包圍盒，并用八叉樹法對包圍盒按指定參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到離散體素模型；接著判斷離散體素的位置，并對不同位置的離散體素標(biāo)記；最后按三軸坐標(biāo)系依次輸出三維骨支架的離散模型。本構(gòu)建方法在構(gòu)建過程中，采用八叉樹可以對模型按指定離散距離進(jìn)行網(wǎng)格劃分，離散精度的可以通過八叉樹劃分的次數(shù)控制，解決了以往CT掃描間距固定而無法進(jìn)一步提高精度的問題。
文檔編號G06F17/50GK102426711SQ201110264029
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者姚遠(yuǎn), 胡慶夕, 金文玉, 陳維燈 申請人:上海大學(xué)