CN107491593B - 一种用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法。该方法首先建立用于填充支架内部的代表性结构单元库，单元库以单色位图集合的形式存在；然后根据患者待修复组织的曲面的几何拓扑信息，从单元库选择合适的代表性结构单元；其次应用图像处理技术，用结构单元对曲面轮廓进行参数化填充和装配。最后，将同性质的填充和装配操作由单层扩展至多层，生成用于面曝光成形的数字掩膜。本发明所建立的结构单元库能够独立于任何商用CAD建模软件，能够在不建立生物支架复杂三维模型的前提下直接生成数字掩膜，有效避开切片过程消耗大量时间的算法或操作，降低对计算机硬件性能的要求，能够在不损失精度的同时提高效率。

Description

一种用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法
技术领域
本发明涉及增材快速成形领域，尤其涉及一种用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法。
背景技术
生物支架在组织工程领域起着十分重要的作用。生物支架的结构设计及制备工艺是影响其性能好坏的重要因素。常用的生物支架设计方法及过程：应用三维扫描技术获得支架的外表曲面并导入三维软件，将结构单元沿三维阵列，将阵列的实体与外表曲面进行布尔运算，建立生物支架的三维模型，再将三维模型转化为STL模型，采用切片程序将STL模型离散成二维掩膜，用于面曝光成形。整个过程及其冗长，设计多次模型转换，对计算机性能要求苛刻，对用户的建模技术要求较高，自动化程度不够，效率及其低下。另一方面，实现数字掩膜的参数化设计，往往要依托于三维软件，每一次修改都有重复上述设计过程，及其耗时。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法。能够独立于三维CAD软件实现参数化设计，并且最大程度降低对计算机性能和工程人员技术水平的要求，在不损失精度的同时实现高效设计与制造。
本发明通过下述技术方案实现：
一种用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法，包括如下步骤：
步骤A：应用SolidWorks设计生物支架的代表性结构单元，并建立相应的B-Reps三维模型；对结构单元的三维B-Reps按特定层厚d切片，得到n张单色位图的集合，截取每张位图中的最小单元及其拓扑结构，存入单元库；
其中，d是切片层厚；n是层厚d对应的切片数；
步骤B：应用CT/MRI图像扫描获得患者待修复组织的曲面图形，根据曲面图形的几何拓扑信息，从单元库选择一个代表性结构单元；
步骤C：在MATLAB中，应用图像处理的空间几何变化和图像形态学“腐蚀”原理，对代表性结构单元进行放大或缩小，线性阵列或圆周阵列，旋转，平移等操作，实现代表性结构单元对曲面轮廓的参数化填充和装配；
步骤D：将步骤C中同性质的填充和装配操作应用于多层轮廓，生成用于面曝光成形的数字掩膜集合；
本发明步骤A中对每个代表性结构单元的三维模型进行切片操作，生成单色位图集合作为结构单元库的基本元素。理论上，该位图格式的单元库与三维模型及其三维建模软件能够相互独立。
本发明步骤B中所述患者待修复组织的曲面图形，是从CT/MRI等图像扫描设备获取的二维轮廓，或者是根据三维模型进行切片获得得二维轮廓，它反应了特定的几何拓扑信息。也可以根据单元库中单元结构的属性，例如泊松比、弹性模量等力学属性或者结构的生物相容性，选择合适的结构，用于满足患者待修复组织的要求。
本发明步骤C所述应用图像处理，对结构单元进行放大或缩小，线性阵列或圆周阵列，旋转，平移等操作。实现这些操作的图像处理算法作为本方法的执行核心，是基于传统数字图像的空间几何变化原理和图像形态学的“腐蚀”原理。依据这些算法，实现结构单元对曲面轮廓的参数化填充和装配，是完全独立于CAD软件的参数化设计。另外，参数化填充和装配操作涉及数字图像的布尔运算，其本质是逻辑运算，简单高效。本方法之所以能够区别于传统的数字掩膜切片方法，在执行效率上大大提高，主要在于将三维模型的布尔运算转换为二维数字图像的布尔运算。
本发明步骤D中将同性质的填充和装配操作由单层扩展至多层，生成用于面曝光成形的数字掩膜。其可行性在于，生物支架的内部填充结构通常具有周期性，是一种结构单元沿三维空间的周期性拓展。该特性也保证本方法能够跳过三维模型直接进行数字掩膜的编织。
综上所述。该方法首先建立用于填充支架内部的代表性结构单元库，单元库以单色位图集合的形式存在；然后根据患者待修复组织的曲面的几何拓扑信息，从单元库选择合适的代表性结构单元；其次应用图像处理技术，用结构单元对曲面轮廓进行参数化填充和装配。最后，将同性质的填充和装配操作由单层扩展至多层，生成用于面曝光成形的数字掩膜。本发明所建立的结构单元库能够独立于任何商用CAD建模软件，能够在不建立生物支架复杂三维模型的前提下直接生成数字掩膜，有效避开切片过程消耗大量时间的算法或操作，降低对计算机硬件性能的要求，能够在不损失精度的同时提高效率。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的全局流程图。
图2是本发明所建立的结构单元位图库中的一个实例，及其三维模型(三维模型用于说明该结构的几何形状，并不属于本发明的结构库)。
图3用于说明最小单元及其拓扑结构。
图4所示为参数化填充后的实例。
图5所示为参数化装配的实例。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
本发明用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法，可通过如下步骤实现：
步骤A：应用SolidWorks设计生物支架的代表性结构单元，并建立相应的B-Reps三维模型。对结构单元的三维B-Reps按特定层厚d切片，得到n张单色位图的集合，截取每张位图中的最小单元及其拓扑结构，存入单元库；
步骤B：应用CT/MRI图像扫描技术获得患者待修复组织的曲面，根据患者待修复组织的曲面几何拓扑信息(或者包括相关生物属性数据信息，例如，力学性能和生物活性，)从单元库选择某个代表性结构单元；
步骤C：在MATLAB中，应用图像处理的空间几何变化和图像形态学“腐蚀”原理，对结构单元进行放大或缩小，线性阵列或圆周阵列，旋转，平移等操作，实现结构单元对曲面轮廓的参数化填充和装配；
步骤D：将步骤C)中同性质的填充和装配操作应用于多层轮廓，生成用于面曝光成形的数字掩膜集合。
其中，d是切片层厚；n是层厚d对应的切片数。
图2所示为本方法所建立的位图结构单元库中的某型单元结构。三维图为说明其几何形状，但实际上每一种单元结构在库中都是以位图集合的形式存储。对于库中的第S型结构单元，记为Masks，其基本参数包括：水平阵列距离Δx，垂直阵列距离Δy，旋转角度α，逻辑单位与物流单位的比值scale，切片厚度d。记为：
Masks(Δx,Δy,α,scale,d)
图3对库中第S型结构单元的第1层，记为
Figure BDA0001358417230000041
进行参数说明。在图中，被白色虚线框包含的即为最小结构单元；超出白色虚线框的部分为其拓扑结构，表征该最小单元与周围单元的连接方式；其水平阵列距离Δx，垂直阵列距离Δy分布在图中标出。
记其空间变化矩阵为T，水平阵列个数为n，垂直阵列个数为m，有：
Figure BDA0001358417230000051
阵列后生成的掩膜记为，
Figure BDA0001358417230000052
Figure BDA0001358417230000053
从第1层扩展至第n层：
Figure BDA0001358417230000054
图4所示为参数化填充后的实例。每张掩膜的尺寸都是1024*768，比例因子分别为1和0.5。分别记为：
Figure BDA0001358417230000055
Figure BDA0001358417230000056
图5所示为参数化装配的实例。右边所示为牙齿模型的某层轮廓，分别与
Figure BDA0001358417230000057
及
Figure BDA0001358417230000058
进行装配。
输入的患者待修复组织的曲面的二维轮廓集合共N层，记为Surface(N)，每间隔n层划分为为一组，第I组，记为Surface(N)I，对于第I组的第i层掩膜，记为
Figure BDA0001358417230000059
装配过程可用下式表示：
Figure BDA00013584172300000510
即为两张位图对应位置像素点的“逻辑与”运算。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于以上说明。本发明主要强调在不建立完整生物支架的三维模型前提下，采用相应的图像处理算法直接生成二维数字掩膜的思想和数学原理。强调在上述方法针对于具有复杂多孔结构及复杂自由曲面轮廓的生物支架的特点，能够独立于三维CAD软件实现参数化设计，并且最大程度降低对计算机性能和工程人员技术水平的要求，在不损失精度的同时实现高效设计与制造。
对于本发明所属的技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干同等替代或变型，而且性能或用途相同。如，本发明构思的基础上应用其他计算机语言或工具(非MATLAB)，编制程序，实现数字掩膜的参数化填充和装配等，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤A：应用SolidWorks设计生物支架的结构单元，并建立相应的B-Reps三维模型；对结构单元的三维B-Reps按特定层厚d切片，得到n张单色位图的集合，截取每张位图中的最小单元及其拓扑结构，存入单元库；
其中，d是切片层厚；n是层厚d对应的切片数；
步骤B：应用CT/MRI图像扫描获得患者待修复组织的曲面图形，根据曲面图形的几何拓扑信息，从单元库选择一个结构单元；
步骤C：在MATLAB中，应用图像处理的空间几何变化和图像形态学“腐蚀”原理，对结构单元进行放大或缩小，线性阵列或圆周阵列，旋转，平移操作，实现结构单元对曲面轮廓的参数化填充和装配；
步骤D：将步骤C中同性质的填充和装配操作应用于多层轮廓，生成用于面曝光成形的数字掩膜集合。
2.根据权利要求1所述用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法，其特征在于：
步骤A中对每个结构单元的三维模型进行切片操作，生成单色位图集合作为结构单元库的基本元素。
3.根据权利要求1所述用于生物支架面曝光快速成形的数字掩膜生成方法，其特征在于：
步骤B中所述患者待修复组织的曲面图形，是从CT/MRI图像扫描设备获取的二维轮廓，或者是根据三维模型进行切片获得二维轮廓。
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