CN111223179A - 骨支架模型的孔隙化信息处理方法及装置 - Google Patents

骨支架模型的孔隙化信息处理方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法及装置，其中方法包括：步骤S1：导入无孔骨支架初始模型；步骤S2：根据输入信号将无孔骨支架初始模型切分为多个单位晶格；步骤S3：分别对各单位晶格进行孔隙化处理，得到孔隙化的骨支架模型。与现有技术相比，本发明中晶格结构完全可自定义，使用者在设计上拥有极大的自主权，并且核心计算步骤高度可并行化，可以大幅减少计算所需时间。

Description

骨支架模型的孔隙化信息处理方法及装置
技术领域
本发明涉及一种计算机技术，尤其是涉及一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法及装置。
背景技术
在骨缺损修复治疗中，为了修复损伤处的骨结构，需要设计骨支架并通过外科手术的方式植入患者体内。随着研究的进展，人们发现，具有多孔结构的骨支架能与宿主骨之间产生生物形式的结合，并且骨支架的多孔结构的孔隙率、孔径大小、孔隙样式均会对这一生物形式结合的强度产生影响。
现有技术多采用材料学的方法，通过特殊的工艺制造具有孔隙化结构的骨支架，但这种方法生成的孔隙化骨支架内部结构具有不确定性。
虽然也有许多研究者采用计算机辅助建模的方法来设计具有多孔结构的骨支架，其中部分研究者采用三维模型布尔运算方法，用长圆柱或长条矩形从各个方向切割实心骨支架模型，但是这种方法所需计算量大，而且难以并行化。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法，包括：
步骤S1：导入无孔骨支架初始模型；
步骤S2：根据输入信号将无孔骨支架初始模型切分为多个单位晶格；
步骤S3：分别对各单位晶格进行孔隙化处理，得到孔隙化的骨支架模型。
所述步骤S3中对单个单位晶格具体包括：
步骤S31：在单位晶格中绘制第一数量的短梁，构成孔隙化晶格模板，其中，所述第一数量接收自输入设备；
步骤S32：在无孔骨支架初始模型所在模型空间中按指定的采样间距生成等距采样点；
步骤S33：对每个采样点计算出其到所有短梁的最短距离；
步骤S34：根据生成的采样点，使用等值面提取算法按期望的短梁柱体半径提取等值面，完成该单位晶格的空隙化处理。
所述步骤S31具体包括：
步骤S311：在坐标范围从(0,0,0)至(1,1,1)的立方体范围内，选择多个关键点；
步骤S312：在生成的关键点之间创建线段，构成单位晶格中的短梁；
步骤S313：检查步骤S21中生成的关键点在由步骤S22生成的线段图结构中是否存在将晶格密铺后连接度仍为1的关键点，若为是，返回步骤S21，重新进行生成关键点，反之，则执行步骤S32。
所述步骤S33具体包括：
步骤S331：缩放单位晶格的尺寸至指定尺寸，并在模型空间中密布式填充缩放后的单位晶格；
步骤S332：为所有在步骤S32中生成的采样点在距离场中的距离赋初值+∞；
步骤S333：遍历所有在步骤S331中填充的，可能对步骤S3中生成的采样点在距离场中的最短距离产生贡献的晶格；
步骤S334：遍历所有在步骤S333中被遍历的晶格中的短梁，如果该短梁完全处于无孔骨支架初始模型的内部，则更新其附近指定范围内采样点的最短距离值，如果该短梁有部分处于无孔骨支架初始模型的内部，则计算该短梁处于无孔骨支架初始模型的内部的部分，并为该部分更新其附近一定范围内采样点的最短距离值。
所述步骤S334中各区域内值的更新并发独立执行。
一种骨支架模型的孔隙化信息处理装置，包括处理器、存储器，以及存储于存储器中，并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：导入无孔骨支架初始模型；
步骤S2：根据输入信号将无孔骨支架初始模型切分为多个单位晶格；
步骤S3：分别对各单位晶格进行孔隙化处理，得到孔隙化的骨支架模型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)晶格结构完全可自定义，使用者在设计上拥有极大的自主权。
2)核心计算步骤高度可并行化，可以大幅减少计算所需时间。
附图说明
图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；
图2为无孔骨支架模型；
图3为孔隙化骨支架一个晶格内的结构分析；
图4为一种自定义晶格的具体结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法，该方法以计算机软件的形式由计算机系统实现，如图1所示，包括：
步骤S1：导入无孔骨支架初始模型，如图2所示，坐标范围如下：X:[-46.9，-31.5],Y:[18.9，44.1],Z:[42.8,70.1]；
步骤S2：根据输入信号将无孔骨支架初始模型切分为多个单位晶格；
步骤S3：分别对各单位晶格进行孔隙化处理，得到孔隙化的骨支架模型。
步骤S3中对单个单位晶格具体包括：
步骤S31：在单位晶格中绘制第一数量的短梁，构成孔隙化晶格模板，其中，第一数量接收自输入设备，具体包括：
步骤S311：在坐标范围从(0,0,0)至(1,1,1)的立方体范围内，选择多个关键点，本实施例中指定如下14个关键点：
Figure BDA0002355277850000031
Figure BDA0002355277850000032
P11(0,0,0),P12(1,1,0),P13(1,0,1),P14(0,1,1)
步骤S312：在生成的关键点之间创建线段，构成单位晶格中的短梁，具体的，本实施例中创建如下16条线段：
Figure BDA0002355277850000033
Figure BDA0002355277850000034
Figure BDA0002355277850000041
步骤S313：检查步骤S21中生成的关键点在由步骤S22生成的线段图结构中是否存在将晶格密铺后连接度仍为1的关键点，若为是，返回步骤S21，重新进行生成关键点，反之，则执行步骤S32。
步骤S32：在无孔骨支架初始模型所在模型空间中按指定的采样间距生成等距采样点；
本实施例中，根据无孔骨支架初始模型的模型尺寸ΔX＝15.4,ΔY＝25.2,ΔZ＝27.3，期望的晶格尺寸LLattice＝2.5，以及期望的短梁半径RGirder＝0.3，确定采样间距ΔL＝0.1；
然后根据确定的采样间距ΔL＝0.1，在无孔骨支架初始模型所在模型空间采样范围X:[-47.9,-30.5],Y:[17.9,45.1],Z:[41.8,71.1]内按间距ΔL＝0.1，创建总计N＝13867104个采样点；
步骤S33：对每个采样点计算出其到所有短梁的最短距离，具体包括：
步骤S331：缩放单位晶格的尺寸至指定尺寸，本实施例中，大小已从原来的1×1×1被放大为2.5×2.5×2.5，并在模型空间中密布式填充缩放后的单位晶格；
步骤S332：为所有在步骤S32中生成的N个采样点在距离场中的距离
Figure BDA0002355277850000042
赋初值+∞；
步骤S333：遍历所有在步骤S331中填充的，可能对步骤S3中生成的采样点在距离场中的最短距离产生贡献的晶格；
步骤S334：遍历所有在步骤S333中被遍历的晶格中的短梁，使用OBBTree数据结构加速判断短梁与步骤S1中设计无孔模型的位置关系，如果该短梁完全处于无孔骨支架初始模型的内部，则更新其附近指定范围内采样点的最短距离值，如果该短梁有部分处于无孔骨支架初始模型的内部，则计算该短梁处于无孔骨支架初始模型的内部的部分，并为该部分更新其附近一定范围内采样点的最短距离值
Figure BDA0002355277850000043
步骤S334中各区域内值的更新并发独立执行。
步骤S34：使用Marching-Cubes算法提取出最短距离值
Figure BDA0002355277850000044
中值为RGirder＝0.3的等值面，即得到了最终的孔隙化骨支架模型。

Claims (10)

1.一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法，其特征在于，包括：
步骤S1：导入无孔骨支架初始模型；
步骤S2：根据输入信号将无孔骨支架初始模型切分为多个单位晶格；
步骤S3：分别对各单位晶格进行孔隙化处理，得到孔隙化的骨支架模型。
2.根据权利要求1所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法，其特征在于，所述步骤S3中对单个单位晶格具体包括：
步骤S31：在单位晶格中绘制第一数量的短梁，构成孔隙化晶格模板，其中，所述第一数量接收自输入设备；
步骤S32：在无孔骨支架初始模型所在模型空间中按指定的采样间距生成等距采样点；
步骤S33：对每个采样点计算出其到所有短梁的最短距离；
步骤S34：根据生成的采样点，使用等值面提取算法按期望的短梁柱体半径提取等值面，完成该单位晶格的空隙化处理。
3.根据权利要求2所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法，其特征在于，所述步骤S31具体包括：
步骤S311：在坐标范围从(0,0,0)至(1,1,1)的立方体范围内，选择多个关键点；
步骤S312：在生成的关键点之间创建线段，构成单位晶格中的短梁；
步骤S313：检查步骤S21中生成的关键点在由步骤S22生成的线段图结构中是否存在将晶格密铺后连接度仍为1的关键点，若为是，返回步骤S21，重新进行生成关键点，反之，则执行步骤S32。
4.根据权利要求2所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法，其特征在于，所述步骤S33具体包括：
步骤S331：缩放单位晶格的尺寸至指定尺寸，并在模型空间中密布式填充缩放后的单位晶格；
步骤S332：为所有在步骤S32中生成的采样点在距离场中的距离赋初值+∞；
步骤S333：遍历所有在步骤S331中填充的，可能对步骤S3中生成的采样点在距离场中的最短距离产生贡献的晶格；
步骤S334：遍历所有在步骤S333中被遍历的晶格中的短梁，如果该短梁完全处于无孔骨支架初始模型的内部，则更新其附近指定范围内采样点的最短距离值，如果该短梁有部分处于无孔骨支架初始模型的内部，则计算该短梁处于无孔骨支架初始模型的内部的部分，并为该部分更新其附近一定范围内采样点的最短距离值。
5.根据权利要求4所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理方法，其特征在于，所述步骤S334中各区域内值的更新并发独立执行。
6.一种骨支架模型的孔隙化信息处理装置，其特征在于，包括处理器、存储器，以及存储于存储器中，并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：
步骤S1：导入无孔骨支架初始模型；
步骤S2：根据输入信号将无孔骨支架初始模型切分为多个单位晶格；
步骤S3：分别对各单位晶格进行孔隙化处理，得到孔隙化的骨支架模型。
7.根据权利要求6所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理装置，其特征在于，所述步骤S3中对单个单位晶格具体包括：
步骤S31：在单位晶格中绘制第一数量的短梁，构成孔隙化晶格模板，其中，所述第一数量接收自输入设备；
步骤S32：在无孔骨支架初始模型所在模型空间中按指定的采样间距生成等距采样点；
步骤S33：对每个采样点计算出其到所有短梁的最短距离；
步骤S34：根据生成的采样点，使用等值面提取算法按期望的短梁柱体半径提取等值面，完成该单位晶格的空隙化处理。
8.根据权利要求7所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理装置，其特征在于，所述步骤S31具体包括：
步骤S311：在坐标范围从(0,0,0)至(1,1,1)的立方体范围内，选择多个关键点；
步骤S312：在生成的关键点之间创建线段，构成单位晶格中的短梁；
步骤S313：检查步骤S21中生成的关键点在由步骤S22生成的线段图结构中是否存在将晶格密铺后连接度仍为1的关键点，若为是，返回步骤S21，重新进行生成关键点，反之，则执行步骤S32。
9.根据权利要求7所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理装置，其特征在于，所述步骤S33具体包括：
步骤S331：缩放单位晶格的尺寸至指定尺寸，并在模型空间中密布式填充缩放后的单位晶格；
步骤S332：为所有在步骤S32中生成的采样点在距离场中的距离赋初值+∞；
步骤S333：遍历所有在步骤S331中填充的，可能对步骤S3中生成的采样点在距离场中的最短距离产生贡献的晶格；
步骤S334：遍历所有在步骤S333中被遍历的晶格中的短梁，如果该短梁完全处于无孔骨支架初始模型的内部，则更新其附近指定范围内采样点的最短距离值，如果该短梁有部分处于无孔骨支架初始模型的内部，则计算该短梁处于无孔骨支架初始模型的内部的部分，并为该部分更新其附近一定范围内采样点的最短距离值。
10.根据权利要求9所述的一种骨支架模型的孔隙化信息处理装置，其特征在于，所述步骤S334中各区域内值的更新并发独立执行。
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