CN105912863A - 一种人工骨的制备方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人工骨的制备方法及系统。该方法包括获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据；根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图；根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。通过获取的患者骨骼损伤部位的医学图像数据建立三维多孔模型图，然后制备三维多孔人工骨，该技术方案制备的人工骨因其为三维多孔结构，体现了个体化、轻量化的特点，多孔结构适合组织或骨的长入，具有良好的生物相容性。

Description

一种人工骨的制备方法及系统
技术领域
本发明涉及骨缺损修复领域，尤其涉及一种人工骨的制备方法及系统。
背景技术
骨缺损修复一直是困扰着矫形外科和骨科医生的一个难题，每年都有大量的病人因各种原因导致骨缺损难以修复，人工骨移植材料在最近几十年得以迅速发展，但现有技术制备的人工骨质量重、生物相容性差，其综合性能难以令人满意。
发明内容
本发明的目的在于提供一种人工骨的制备方法及系统，本发明旨在解决目前人工骨质量重、生物相容性差的问题，提供一种个体化、轻量化的三维多孔人工骨的制备方法及系统。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种人工骨的制备方法，包括：
获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据；
根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图；
根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。
其中，所述根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图，包括：
根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图；
对所述原始骨骼模型图进行优化处理，补全破面、消除多余网格，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述原始骨骼模型图内嵌自由点；
所述表面网格交点和内嵌自由点连接成线，依据所成线建立形状实体，再形成微结构图，得到网格模型图；
将所述网格模型图导入软件中进行修改、优化，消除多余的几何点、面，修复自相交的面和线，调整网格大小和质量，得到修复后的网格模型图；
将所述修复后的网格模型图进行曲面生成，创建三维多孔模型图；
将所述三维多孔模型图与原始骨骼模型图及患者骨骼损伤部位的周边组织环境、骨、皮层曲面进行匹配，得到匹配好的三维多孔模型图；
将所述匹配好的三维多孔模型图导入有限元处理软件中，进行生物流体力学分析，得到设计好的三维多孔模型。
其中，形状实体包括：圆柱实体、长方体实体、或正方体实体。
其中，根据所述三维多孔模型图制备人工骨，包括：
将所述三维多孔模型图导入到3D打印机中，打印该三维多孔模型图，得到三维多孔人工骨；
对所述三维多孔人工骨进行表面处理，得到处理后的三维多孔人工骨。
其中，根据所述三维多孔模型图制备人工骨之后，还包括：
对所述处理后的三维多孔人工骨进行检验，以检查是否达到要求。
其中，对所述处理后的三维多孔人工骨进行检验，包括：
对所述处理后的三维多孔人工骨进行3D扫描，得到三维图形，将所述三维图形与所述三维多孔模型图进行测量比对；
将所述三维多孔人工骨与患者进行匹配试验。
其中，三维多孔人工骨的孔隙大小为150-500微米。
其中，上述获取患者损伤部位的医学图像数据，包括：通过CT或MRI对患者损伤部位进行薄层扫描，所述薄层厚度为0.625mm，所述医学图像数据的格式为DICOM3.0。
其中，上述3D打印机中使用的材料为纳米级羟基磷灰石+PLA复合材料，或钛合金材料。
一种人工骨的制备系统，包括：
数据获取模块，用于获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据；
模型创建模块，用于根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图；
人工骨制备模块，用于根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种人工骨的制备方法及系统。该方法包括获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据；根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图；根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。通过获取的患者骨骼损伤部位的医学图像数据建立三维多孔模型图，然后制备三维多孔人工骨，该技术方案制备的人工骨因其为三维多孔结构，体现了个体化、轻量化的特点，多孔结构适合组织或骨的长入，具有良好的生物相容性。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种人工骨的制备方法的方法流程图。
图2是本发明实施例二提供的一种人工骨的制备方法的方法流程图。
图3是本发明实施例三提供的一种人工骨的制备系统的结构方框图。
图4是本发明实施例四提供的一种人工骨的制备系统的结构方框图
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种人工骨的制备方法，包括以下步骤：
S101，获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据。
S102，根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图。
S103，根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。
本实施例中，通过获取的患者骨骼损伤部位的医学图像数据建立三维多孔模型图，然后制备三维多孔人工骨，该技术方案制备的人工骨因其为三维多孔结构，体现了个体化、轻量化的特点，多孔结构适合组织或骨的长入，具有良好的生物相容性。
实施例二
如图2所示，本实施例提供一种人工骨的制备方法，在实施例一的基础上增加了几个步骤，包括：
S201，获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据。
具体的，通过CT或MRI对患者损伤部位进行薄层扫描，所述薄层厚度为0.625mm，其医学图像数据的格式为DICOM3.0。
S202，根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图。
本实施例中，将患者骨骼损伤部位的CT或MRI影像数据导入计算机三维重建软件里，根据人体CT灰度值反应了物质对X线的衰减大小，如水的灰度值定义为0，脂肪的CT值为-100，骨皮质密度为2000，因此以CT骨骼成像为例，对灰度值进行筛选精确还原得到损伤及需要修补的三维模型，对其分析生理结构及解剖结构。
本实施例中，原始骨骼模型图的格式保存为stl、stp、obj、max、3ds、ma、vtk、或igs，以用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产。
S203，对所述原始骨骼模型图进行优化处理，补全破面并消除多余网格，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述原始骨骼模型图内嵌自由点。
S204，所述表面网格交点和内嵌自由点连接成线，依据所成线建立形状实体，再形成微结构图，得到网格模型图。
本实施例中，形状实体包括：圆柱实体、长方体实体、或正方体实体。
S205，将所述网格模型图导入软件中进行修改和优化，消除多余的几何点和面，修复自相交的面和线，调整网格大小和质量，得到修复后的网格模型图。
本实施例中，采用逆向工程软件Geomagic对网格模型图进行修改和优化。
S206，将所述修复后的网格模型图进行曲面生成，创建三维多孔模型图。
S207，将所述三维多孔模型图与原始骨骼模型图及患者骨骼损伤部位的周边组织环境、骨、和皮层曲面进行匹配，得到匹配好的三维多孔模型图。
S208，将所述匹配好的三维多孔模型图导入有限元处理软件中，进行生物流体力学分析，得到设计好的三维多孔模型。
具体的，本实施例中的有限元处理软件为ansys。
本实施例中，将设计好的三维多孔模型导入到犀牛软件中，采用对人体安全可靠的力学结构及一种轻量化三维多孔结构模型设计，肉眼可以观察到模型空隙形态、取向规则有序，用放大镜观察，可以观察到孔是相互交联贯通的，孔隙大小为150～500微米，适合组织或骨长入。
S209，将所述三维多孔模型图导入到3D打印机中，打印该三维多孔模型图，得到三维多孔人工骨。
将设计好的轻量化三维多孔模型保存为STL、STP等格式，以用于传输，存储，浏览，检查，修改和加工生产。然后对其进行程序编写，导入到生物3D打印机中添加好已经配备好的材料来生产一种轻量化三维多孔人工骨。
本实施例中，3D打印机中使用的材料为纳米级羟基磷灰石与PLA的复合材料，或钛合金材料。
S2010，对所述三维多孔人工骨进行表面处理，得到处理后的三维多孔人工骨。
S2011，对所述处理后的三维多孔人工骨进行检验，以检查是否达到要求。
具体的，对所述处理后的三维多孔人工骨进行检验，包括：
对所述处理后的三维多孔人工骨进行3D扫描，得到三维图形，将所述三维图形与所述三维多孔模型图进行测量比对；
将所述三维多孔人工骨与患者进行匹配试验。
本实施例提供一种人工骨的制备方法，其特点是人工骨的结构为三维多孔结构，通过获取的患者骨骼损伤部位的医学图像数据建立三维多孔模型图，然后制备三维多孔人工骨，该技术方案制备的人工骨因其为三维多孔结构，体现了个体化、轻量化的特点，多孔结构适合组织或骨的长入，具有良好的生物相容性。
本实施例通过微孔设计方法，设计满足生理结构，解剖结构，运动力学，生物力学的三维多孔模型，通过对模型的完善和优化，使得设计的多孔结构满足生物流体力学，其工艺简单，制作方便，制作周期短。采用3D打印技术打印设计好的三维多孔模型，得到实物三维多孔人工骨，对打印出来的三维多孔人工骨进行匹配、表面处理、及进行实物验证，最终得到生物相容性好、轻量化的三维多孔人工骨，以满足骨损伤患者的需求。
实施例三
如图3所示，本实施例提供一种人工骨的制备系统，本实施例与实施例一中的方法相对应，包括：
数据获取模块310，用于获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据。
模型创建模块320，用于根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图。
人工骨制备模块330，用于根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。
本实施例中的系统的各模块协同工作，通过获取的患者骨骼损伤部位的医学图像数据建立三维多孔模型图，然后制备三维多孔人工骨，该技术方案制备的人工骨因其为三维多孔结构，体现了个体化、轻量化的特点，多孔结构适合组织或骨的长入，具有良好的生物相容性。
实施例四
如图4所示，本实施例提供一种具体的人工骨的制备系统，本实施例在实施例三的基础上增加了几个模块，本实施例与实施例二中的方法相对应，若有未详尽之处，可参考实施例二。
一种人工骨的制备系统，包括：
数据获取模块410，获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据。
具体的，通过CT或MRI对患者损伤部位进行薄层扫描，所述薄层厚度为0.625mm，其医学图像数据的格式为DICOM3.0。
模型创建模块420，用于根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图。
本实施例中，模型创建模块420，包括：
根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图；
对所述原始骨骼模型图进行优化处理，补全破面并消除多余网格，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述原始骨骼模型图内嵌自由点；
所述表面网格交点和内嵌自由点连接成线，依据所成线建立形状实体，再形成微结构图，得到网格模型图；
将所述网格模型图导入软件中进行修改和优化，消除多余的几何点和面，修复自相交的面和线，调整网格大小和质量，得到修复后的网格模型图；
将所述修复后的网格模型图进行曲面生成，创建三维多孔模型图；
将所述三维多孔模型图与原始骨骼模型图及患者骨骼损伤部位的周边组织环境、骨、和皮层曲面进行匹配，得到匹配好的三维多孔模型图；
将所述匹配好的三维多孔模型图导入有限元处理软件中，进行生物流体力学分析，得到设计好的三维多孔模型。
本实施例中，原始骨骼模型图的格式保存为stl、stp、obj、max、3ds、ma、vtk、或igs，以用于传输、存储、浏览、检查、修改和加工生产。形状实体包括：圆柱实体、长方体实体、或正方体实体。采用逆向工程软件Geomagic对网格模型图进行修改和优化。
具体的，本实施例中的有限元处理软件为ansys。
本实施例中，将设计好的三维多孔模型导入到犀牛软件中，采用对人体安全可靠的力学结构及一种轻量化三维多孔结构模型设计，肉眼可以观察到模型空隙形态、取向规则有序，用放大镜观察，可以观察到孔是相互交联贯通的，孔隙大小为150～500微米，适合组织或骨长入。
3D打印模块430，用于将所述三维多孔模型图导入到3D打印机中，打印该三维多孔模型图，得到三维多孔人工骨。
本实施例中，3D打印机中使用的材料为纳米级羟基磷灰石与PLA的复合材料，或钛合金材料。
表面处理模块440，用于对所述三维多孔人工骨进行表面处理，得到处理后的三维多孔人工骨。
实物验证模块450，用于对所述处理后的三维多孔人工骨进行检验，以检查是否达到要求。
本实施例提供的一种人工骨的制备系统，通过微孔设计方法，设计满足生理结构，解剖结构，运动力学，生物力学的三维多孔模型，通过对模型的完善和优化，使得设计的多孔结构满足生物流体力学，其工艺简单，制作方便，制作周期短。采用3D打印技术打印设计好的三维多孔模型，得到实物三维多孔人工骨，对打印出来的三维多孔人工骨进行匹配、表面处理、及进行实物验证，最终得到生物相容性好、轻量化的三维多孔人工骨，以满足骨损伤患者的需求。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人工骨的制备方法，其特征在于，包括：
获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据；
根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图；
根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图，包括：
根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图；
对所述原始骨骼模型图进行优化处理，补全破面并消除多余网格，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述原始骨骼模型图内嵌自由点；
所述表面网格交点和内嵌自由点连接成线，依据所成线建立形状实体，再形成微结构图，得到网格模型图；
将所述网格模型图导入软件中进行修改和优化，消除多余的几何点和面，修复自相交的面和线，调整网格大小和质量，得到修复后的网格模型图；
将所述修复后的网格模型图进行曲面生成，创建三维多孔模型图；
将所述三维多孔模型图与原始骨骼模型图及患者骨骼损伤部位的周边组织环境、骨、和皮层曲面进行匹配，得到匹配好的三维多孔模型图；
将所述匹配好的三维多孔模型图导入有限元处理软件中，进行生物流体力学分析，得到设计好的三维多孔模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维多孔模型图制备人工骨，包括：
将所述三维多孔模型图导入到3D打印机中，打印该三维多孔模型图，得到三维多孔人工骨；
对所述三维多孔人工骨进行表面处理，得到处理后的三维多孔人工骨。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述三维多孔模型图制备人工骨之后，还包括：
对所述处理后的三维多孔人工骨进行检验，以检查是否达到要求。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述对所述处理后的三维多孔人工骨进行检验，包括：
对所述处理后的三维多孔人工骨进行3D扫描，得到三维图形，将所述三维图形与所述三维多孔模型图进行测量比对；
将所述三维多孔人工骨与患者进行匹配试验。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述形状实体包括：圆柱实体、长方体实体、或正方体实体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三维多孔人工骨的孔隙大小为150-500微米。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取患者损伤部位的医学图像数据，包括：通过CT或MRI对患者损伤部位进行薄层扫描，所述薄层厚度为0.625mm，所述医学图像数据的格式为DICOM3.0。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3D打印机中使用的材料为纳米级羟基磷灰石与PLA的复合材料，或钛合金材料。
10.一种人工骨的制备系统，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取患者骨骼损伤部位的医学图像数据；
模型创建模块，用于根据所述医学图像数据得到患者骨骼损伤部位的原始骨骼模型图，对所述原始骨骼模型图进行图像处理，提取所述原始骨骼模型图的表面网格交点，所述表面网格交点与内嵌自由点连接成线，根据所成线形成微结构图，创建三维多孔模型图；
人工骨制备模块，用于根据所述三维多孔模型图制备三维多孔人工骨。
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