CN113536629B - 一种基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法，创建生成空间泰森多边形网状结构的指定区域，在指定区域内随机生成种子点阵，以生成的各种子点为中心构建空间泰森多边形晶胞体；对划分的空间泰森多边形晶胞进行缩放，以提取构建泰森多边形网状结构的内轮廓点和外轮廓点；分别将对应的内、外轮廓点连接，生成泰森多边形网状结构面，完成空间泰森多边形网状曲面模型的构建；将构建的空间泰森多边形网状曲面模型进行网格划分，再将各网格面组合为Nurbs曲面；利用Nurbs曲面网状结构与生成空间泰森多边形网状结构的指定区域进行布尔加运算，完成基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型的构建。
Description
技术领域
本发明涉及数字模型构建技术领域，特别是一种基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法。
背景技术
针对骨组织缺损修复的人工骨支架设计建模一直是骨组织工程领域的研究热点。天然骨的结构十分复杂，其内部有密质骨和松质骨两部分，由不同的孔隙率、孔径大小和孔隙形状组成，设计出与天然骨组织内部结构相似的骨支架结构是骨组织工程中重要的研究方向。理想的骨支架结构应该是高度多孔的，且各孔结构相互联通，以允许细胞、营养物质和代谢废物在支架内部的流通，同时还应具有较大的比表面积，为细胞的黏附、增殖和分化提供一定的空间。骨支架孔的密度和大小严重影响着细胞的生长和黏附，如果孔径太小，细胞可能难以迁移到支架结构中，因此，必须精确地对骨支架的微孔结构进行设计。
基于泰森多边形的空间架构骨支架能够更好的模拟自然骨的孔隙结构，并且基于泰森多边形的骨支架能够实现复杂结构和孔隙梯度渐变结构设计，通过泰森多边形骨支架建模参数的调节实现支架性能的调控，可更好的模拟人体骨组织内部的天然结构，因此其对骨组织工程的研究有着重要影响意义。
目前现有关于骨支架方面专利都是关于骨支架模型制作的，例如中国专利申请号202010666127.2公开的一种光固化3D打印泰森多边形仿生结构磷酸三钙/二氧化硅复合生物陶瓷的制备方法属于3D打印陶瓷及仿生结构设计领域。本发明所提供的组合物为：平均粒径30μm-50μm的磷酸三钙粉末，粒径尺寸≤100nm的二氧化硅粉末，405nm波段光敏树脂，交联剂3,3-二甲基丙烯酸树脂，稀释剂聚丙二醇，以一定比例配制得到光固化成型陶瓷浆料。通过打印成型及脱脂烧结过程获得晶粒结合致密、孔隙率在50％-80％之间可调控、抗压性能在 3MPa-8MPa之间，符合人体松质骨抗压性能要求，并具有仿生人体松质骨结构特性的磷酸三钙/二氧化硅仿生多孔生物陶瓷骨组织工程支架。
中国专利申请号201911410310.X公开的一种基于断骨骨面的泰森多边形仿生人工骨结构的制备方法，属于医用人工骨领域。步骤包括对患者断骨截面进行计算机断层扫描或用高分辨率相机拍照得到灰度图像；设计人工骨植入物，使人工骨与自体骨截面相同；根据骨植入物在人体的承重位置调控骨小梁厚度，实现在结构上与自体骨的高度一致；逐层打印构造的人工骨；模拟真实服役条件下对人工骨试样进行摩擦抗冲击等测试，确定适合人工骨结构的参数。
上述专利中，并没有公开基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法，尚未发现空间泰森多边形网状结构骨支架建模参数与其性能之间的映射关系，无法实现根据不同性能要求的个性化骨支架设计。
因此，开发一种面向不同性能要求的基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法是亟需的。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法，包括以下步骤：
S1、创建生成泰森多边形空间网状结构的指定区域；
S2、在生成的泰森多边形空间网状结构的指定区域内生成种子点阵；
S3、以生成的各种子点为中心构建空间泰森多边形晶胞体；
S4、对划分的空间泰森多边形晶胞进行缩放，以提取构建泰森多边形网状结构的内轮廓点和外轮廓点；
S5、利用提取的泰森多边形网状结构的内轮廓点和外轮廓点构建泰森多边形网状结构，完成泰森多边形空间模型的构建；
S6、将构建的空间泰森多边形结构进行网格划分，将各网格面组合为Nurbs 曲面；
S7、利用Nurbs曲面网状结构与生成空间泰森多边形网状结构的指定区域进行布尔加运算，完成基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型的构建。
进一步地，所述步骤S1中泰森多边形空间结构的指定区域为立方体。
进一步地，所述步骤S4中提取内轮廓点的具体过程为：提取各泰森多边形晶胞的体积中心，以体积中心为中心点对晶胞进行缩放，同时通过取0-1之间的自然数对缩放比例的大小进行控制；提取缩放后泰森多边形晶胞的各顶点作为构建Voronoi网状结构的内轮廓点。
进一步地，所述步骤S4中提取外轮廓点的具体过程为：提取泰森多边形晶胞体各面中心，以各面中心对各晶胞面进行缩放，提取各晶胞体的顶点作为泰森多边形网状实体结构的外轮廓点。
进一步地，所述步骤S5中，分别将提取的泰森多边形网状结构的对应内轮廓点和外轮廓点相连，构建进行泰森多边形网状结构面。
与现有技术相比，本发明所构建的骨支架结构能够通过修改相应的建模参数完成不同性能骨支架结构的构建，从而使其符合人体不同部位骨缺损对骨支架结构及性能的要求。本发明所构建的空间泰森多边形骨支架结构与人体自然骨结构内部的孔隙结构具有一定的相似性，其仿生性能较优，能够更好的模拟人体骨骼内环境，促进细胞在骨支架内部的黏附、增值与分化，从而促进新生骨组织的生长，为临床治疗骨缺损提供参考。
附图说明
图1为本发明的创建生成泰森多边形空间网状结构的指定区域图。
图2为本发明的空间泰森多边形晶胞体生成过程图。
图3为本发明的泰森多边形网状面结构的生成过程图。
图4为本发明的空间泰森多边形网状实体结构模型的构建过程图。
图5为本发明的基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型的整体构建过程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定发明。
参照图1-图5，本实施例具体公开了一种空间泰森多边形网格实体结构的构建方法，由泰森多边形的基本原理可知，其主要由生成泰森多边形的种子点阵决定，种子点阵的数量及分布是影响泰森多边形结构的两个关键因素。种子点阵越密集生成的泰森多边形结构越密集，相反种子点阵越稀疏生成的泰森多边形结构越稀疏。其具体过程如下：
1、空间区域的生成：以坐标原点为中心通过输入空间区域的边界坐标创建生成泰森多边形空间结构的指定区域，如图1所示。本设计选取15mm×15mm ×15mm的立方体区域，在立方体区域内生成种子点阵，为后续泰森多边形的生成奠定基础。
2、种子点阵的生成：在生成的泰森多边形空间网状结构的指定区域内通过生成随机的空间点坐标实现在目标区域内生成随机种子点，同时通过输入整数来控制生成随机点坐标的数量，完成在生成的泰森多边形空间网状结构的指定区域内生成种子点数不同的点阵，为构建泰森多边形晶胞做准备。
3、空间泰森多边形晶胞体的构建：泰森多边形晶胞生成及划分是创建空间泰森多边形骨支架的重要一步，以生成的各种子点为中心构建空间泰森多边形晶胞体，如图2所示。
4、内轮廓点的提取：生成空间泰森多边形多孔网格结构前需要对泰森多边形晶胞整体进行缩放，以提取构建泰森多边形网状结构的内轮廓点，如图3a所示，提取各泰森多边形晶胞的体积中心，以体积中心为中心点对晶胞进行缩放，同时通过取0-1之间的自然数对缩放比例的大小进行控制；提取缩放后泰森多边形晶胞的各顶点作为构建Voronoi网状结构的内轮廓点，如图3e所示。
5、外轮廓点的提取：对原始泰森多边形晶胞的各个面进行缩放，以提取构建泰森多边形网状结构的外轮廓点，如图3b所示，提取泰森多边形晶胞各个面的面积中心，以面积中心为中心点对晶胞各个面进行缩放，同时通过取0-1 之间的自然数对缩放比例的大小进行控制；最后，提取缩放后泰森多边形晶胞各个面的顶点作为构建泰森多边形网状结构的外轮廓点，如图3f所示。
6、泰森多边形网状结构的构建：将提取的如图3g所示的内外轮廓点连接成线、以线构面，得到如图3h所示的泰森多边形网状结构，完成泰森多边形空间曲面模型的构建，如图3i所示。
7、Nurbs曲面结构的构建：将构建的泰森多边形空间模型进行网格面的划分及构建，如图4b所示，然后将各网格面组合为Nurbs曲面结构，如图4c 所示。
8、实体结构的构建：将图4c所示的Nurbs曲面结构与图4d所示的立方体结构进行布尔运算，完成泰森多边形结构曲面的封闭，实现泰森多边形架构骨支架实体模型的构建，如图4e所示。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、创建生成泰森多边形空间网状结构的指定区域；
S2、在生成的泰森多边形空间网状结构的指定区域内生成种子点阵；
S3、以生成的各种子点为中心构建空间泰森多边形晶胞体；
S4、对划分的空间泰森多边形晶胞进行缩放，以提取构建泰森多边形网状结构的内轮廓点和外轮廓点；
提取内轮廓点的具体过程为：提取各泰森多边形晶胞的体积中心，以体积中心为中心点对晶胞进行缩放，同时通过取0 - 1之间的自然数对缩放比例的大小进行控制；提取缩放后泰森多边形晶胞的各顶点作为构建Voronoi网状结构的内轮廓点；
提取外轮廓点的具体过程为：提取泰森多边形晶胞体各面中心，以各面中心对各晶胞面进行缩放，提取各晶胞体的顶点作为泰森多边形网状实体结构的外轮廓点；
S5、利用提取的泰森多边形网状结构的内轮廓点和外轮廓点构建泰森多边形网状结构，完成泰森多边形空间模型的构建；
S6、将构建的空间泰森多边形结构进行网格划分， 将各网格面组合为Nurbs曲面；
S7、利用Nurbs曲面网状结构与生成空间泰森多边形网状结构的指定区域进行布尔加运算，完成基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型的构建。
2.根据权利要求1所述的基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法，其特征在于，所述步骤S1中泰森多边形空间结构的指定区域为立方体。
3.根据权利要求1所述的基于空间泰森多边形网状结构的骨支架模型构建方法，其特征在于，所述步骤S5中，分别将提取的泰森多边形网状结构的对应内轮廓点和外轮廓点相连，构建进行泰森多边形网状结构面。
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