CN112419473A - 生成骨小梁多孔结构模型和制备骨小梁多孔结构的方法 - Google Patents

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马学为
徐凯
张靖
文晓宇
孙陆
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Abstract

本发明公开了一种基于松质骨显微CT生成骨小梁多孔结构模型和制备骨小梁多孔结构的方法，涉及生物医学技术领域。基于松质骨显微CT生成骨小梁多孔结构模型的方法的一具体实施方式包括：基于显微CT对松质骨进行扫描，得到松质骨的三维图像；根据所述三维图像中各个点的灰度值确定松质骨的空穴位置；根据所述空穴位置，基于Voronoi算法生成骨小梁多孔结构模型。该实施方式能够复现骨头的微观结构、密度分布、传质特性以及生物性能，同时具有良好的机械性能和骨长入性能。

Description

生成骨小梁多孔结构模型和制备骨小梁多孔结构的方法
技术领域
本发明涉及生物医学技术领域，尤其涉及一种基于松质骨显微CT生成骨小梁多孔结构模型和制备骨小梁多孔结构的方法。
背景技术
骨小梁是骨皮质在松质骨内的延伸部分，即骨小梁与骨皮质相连接，在骨髓腔中呈不规则立体网状结构，如丝瓜络样或海绵状，起支持造血组织的作用。骨小梁在受到外力刺激下表现为：骨小梁变形、密度降低及网状结构的孔隙变大。骨小梁受力达到一定强度后会出现弥漫性断裂，完整性遭到破坏，松质骨提供的强度降低，进而导致骨抗形变以及承重能力下降。
目前，临床上可以通过异体骨移植修复骨缺损。作为异体骨移植的骨骼植入物材料应该全方位的模仿骨骼的性能，从机械性能、生物性能、传质特性到微观结构特点，来产生相似的细胞渗透、营养物质扩散和骨传导性能。另外，骨骼支架的设计应该提供优化的机械环境才能使得骨细胞得到必要的营养和信号来进行骨骼愈合的模拟，不匹配的机械环境会导致骨骼再生的降低。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种基于松质骨显微CT生成骨小梁多孔结构模型和制备骨小梁多孔结构的方法，能够复现骨头的微观结构、密度分布、传质特性以及生物性能，同时具有良好的机械性能和骨长入性能。
为实现上述目的，根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种基于松质骨显微CT生成骨小梁多孔结构模型的方法，包括：
基于显微CT对松质骨进行扫描，得到松质骨的三维图像；
根据所述三维图像中各个点的灰度值确定松质骨的空穴位置；
根据所述空穴位置，基于Voronoi算法生成骨小梁多孔结构模型。
可选地，根据所述三位图像中各个点的灰度值确定松质骨的空穴位置，包括：
根据所述三维图像中各个点的灰度值，确定所述各个点中灰度值的极小值点；
以所述极小值点作为所述松质骨的空穴位置。
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种基于松质骨显微CT制备骨小梁多孔结构的方法，包括：
采用本发明实施例第一方面的方法生成骨小梁多孔结构模型；
采用增材制造方式打印所述骨小梁多孔结构模型，得到骨小梁多孔结构。
可选地，打印所述骨小梁多孔结构模型所使用的材料为：陶瓷，或聚合物，或复合材料。
根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种采用本发明实施例第二方面的方法制得的骨小梁多孔结构。
上述发明中的一个实施例具有如下优点或有益效果：本发明基于显微CT对松质骨进行扫描，能够在微米级别的尺度上获取骨骼在空间的密度分布信息，根据所述空穴位置，基于Voronoi算法生成骨小梁多孔结构模型，不仅能够把骨头的重要信息保留在骨小梁多孔结构中，而且具有灵活通用性。采用本发明实施例的方法制得的骨小梁多孔结构，能够复现骨头的微观结构、密度分布、传质特性以及生物性能，骨小梁多孔结构的刚度可以达到匹配松质骨的状态，避免应力遮挡，同时优化的孔径和拓扑结构可以为骨长入创造良好的环境。本发明实施例制得的骨小梁多孔结构可以用作各种骨科植入物，提高产品的综合性能。
上述的非惯用的可选方式所具有的进一步效果将在下文中结合具体实施方式加以说明。
附图说明
附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：
图1是本发明实施例中反应松质骨空穴位置的点集的示意图；
图2是本发明实施例中根据空穴位置的点集生成的Voronoi骨小梁结构拓扑框架的示意图；
图3是本发明实施例中骨小梁多孔结构模型的示意图；
图4是人类骨小梁结构的显微结构扫描中的一层的示意图；
图5是基于显微CT直接重塑得到的骨小梁结构三维模型的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于松质骨显微CT生成骨小梁多孔结构模型的方法，包括步骤S101、步骤S102和步骤S103。
在步骤S101中，基于显微CT对松质骨进行扫描，得到松质骨的三维图像。
显微CT(micro computed tomography，微计算机断层扫描技术)，又称微型CT，是一种非破坏性的3D成像技术，可以在不破坏样本的情况下清楚了解样本的内部显微结构。它与普通临床CT最大的差别在于分辨率极高，可以达到微米(μm)级别，因此具有良好的“显微”作用。基于显微CT对松质骨进行扫描，对通过CT机扫描的多层横断面骨骼图像进行灰度值的获取，即可得到松质骨的三维图像。基于显微CT对松质骨进行扫描，能够在微米级别的尺度上获取骨骼在空间的密度分布信息。
步骤S102、根据三维图像中各个点的灰度值确定松质骨的空穴位置。
三维图像每一点都有一个对应灰度值，而灰度值的大小体现了密度的大小分布。图1是本发明实施例中反应松质骨空穴位置的点集的示意图，如图1所示，其中白色高亮的部分代表高密度的骨小梁结构，灰色部分代表了低密度的软组织或者组织液(空穴)。因此，在可选的实施例中，根据三位图像中各个点的灰度值确定松质骨的空穴位置，包括：根据三维图像中各个点的灰度值，确定各个点中灰度值的极小值点；以极小值点作为松质骨的空穴位置。显微CT在空间中的灰度值的极小值点分布可以通过计算机算法识别从而确定骨小梁的空穴部分。
步骤S103、根据空穴位置，基于Voronoi(泰森多边形)算法生成骨小梁多孔结构模型。
Voronoi算法根据给定空间中分布的种子点集(n个种子点)将空间分为n个多面体，每个多面体包含一个种子点，该多面体空间中所有点到该种子点比到其他种子点的距离近；每个多面体的边提取出来加粗即可生成Voronoi三维实体模型。本发明以各个空穴位置作为种子点，基于Voronoi算法生成Voronoi三维实体模型，即骨小梁多孔结构模型。
在扫描得到松质骨的三维图像后，空穴位置的点集是从显微CT的三维空间中生成，Voronoi算法也是在三维空间中进行的，图2示出了本发明实施例中根据空穴位置的点集生成的Voronoi骨小梁结构拓扑框架的示意图。采用这种方法生成的骨小梁结构和真实的骨头微观结构并不完全相同，但是保留了骨头不均匀分布的密度信息。
图4和图5示出了基于显微CT直接重塑骨小梁多孔结构的示意图，其中，图4是人类骨小梁结构的显微结构扫描中的一层的示意图，图5是基于显微CT直接重塑得到的骨小梁结构三维模型的示意图。这个三维模型可以是stl(Standard Template Library，标准模板库)等格式的文件，可以进行分析，优化或者直接进行制造。根据制造工艺的不同，这个三维模型的尺度可以适当进行比例缩放。这种结构完全复制骨骼的微观结构形态。与基于显微CT直接重塑骨小梁多孔结构的方法相比，本发明实施例根据空穴位置并基于Voronoi算法生成骨小梁多孔结构模型，更具有灵活通用性，并且能够把骨头重最重要的信息(骨头微观结构与骨密度等)高效率地处理并保留在人工骨小梁结构中。
本发明基于显微CT对松质骨进行扫描，能够在微米级别的尺度上获取骨骼在空间的密度分布信息，根据空穴位置并基于Voronoi算法生成骨小梁多孔结构模型，不仅能够把骨头的重要信息保留在骨小梁多孔结构中，而且具有灵活通用性。本发明实施例的骨小梁多孔结构模型能够复现骨头的微观结构、密度分布、传质特性以及生物性能，骨小梁多孔结构的刚度可以达到匹配松质骨的状态，避免应力遮挡，同时优化的孔径和拓扑结构可以为骨长入创造良好的环境。本发明实施例制得的骨小梁多孔结构可以用作各种骨科植入物，提高产品的综合性能。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种基于松质骨显微CT制备骨小梁多孔结构的方法，包括：采用本发明实施例第一方面提供的方法生成骨小梁多孔结构模型；采用增材制造方式打印骨小梁多孔结构模型，得到骨小梁多孔结构。
增材制造(3D打印)作为一种灵活性高且对复杂形状有很好的兼容性特点的制造方法，可以实现本发明中的人工骨小梁结构的制造。采用增材制造方式打印骨小梁多孔结构模型，无需机械加工或任何模具就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。
打印材料的选择可以是生物相容性好的金属材料，例如钛合金、钽合金、钴铬合金、316L不锈钢等，也可以根据不同的目的选择陶瓷，聚合物和复合材料(例如碳纤维、混凝土、尼龙等)等材料。不同材料的选择下，可以使用的打印工艺可以是粉末床熔融工艺、熔融沉积制造工艺、光固化工艺等。
本发明实施例制得的骨小梁多孔结构是具有松质骨微观结构特征的仿生结构。这种结构能够复现骨头的微观结构、密度分布、传质特性以及生物性能，同时具有良好的机械性能和骨长入性能。骨小梁多孔结构的刚度可以达到匹配松质骨的状态，避免应力遮挡，同时优化的孔径和拓扑结构可以为骨长入创造良好的环境。本发明实施例制得的骨小梁多孔结构可以用作各种骨科植入物，提高产品的综合性能。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种采用本发明实施例第二方面的方法制得的骨小梁多孔结构。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于松质骨显微CT生成骨小梁多孔结构模型的方法，其特征在于，包括：
基于显微CT对松质骨进行扫描，得到松质骨的三维图像；
根据所述三维图像中各个点的灰度值确定松质骨的空穴位置；
根据所述空穴位置，基于Voronoi算法生成骨小梁多孔结构模型。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述三位图像中各个点的灰度值确定松质骨的空穴位置，包括：
根据所述三维图像中各个点的灰度值，确定所述各个点中灰度值的极小值点；
以所述极小值点作为所述松质骨的空穴位置。
3.一种基于松质骨显微CT制备骨小梁多孔结构的方法，其特征在于，包括：
采用权利要求1或2所述的方法生成骨小梁多孔结构模型；
采用增材制造方式打印所述骨小梁多孔结构模型，得到骨小梁多孔结构。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，打印所述骨小梁多孔结构模型所使用的材料为：陶瓷，或聚合物，或复合材料。
5.采用权利要求3或4所述的制备方法制得的骨小梁多孔结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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