專利名稱：一種基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的仿生骨支架設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種骨科手術(shù)修復(fù)用的人工骨支架的設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種基 于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(P匪)的仿生骨支架構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
長期以來骨缺損的治療是困擾人類的一大難題。隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)特別是骨科技 術(shù)的迅速發(fā)展以及醫(yī)療保健、康復(fù)消費(fèi)水平的快速提高，和現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快導(dǎo)致的車 禍等意外的骨骼創(chuàng)傷案例的增多，再加上人口趨于老齡化，這些因素都直接導(dǎo)致人們對骨 骼缺損的修復(fù)和置換的要求日益迫切。在骨科手術(shù)中，肢體長骨骨干的大段缺損，一直是骨 科醫(yī)生面臨的難題。臨床證明，骨移植是修復(fù)由于骨意外事故造成的骨創(chuàng)傷、疾病造成的各 類骨缺損的最佳方法。但是自體骨的來源非常有限，并且不適合大塊骨缺損的修補(bǔ)；另一 方面，異體骨移植是一種可接受的方法，但也存在供需矛盾和排異反應(yīng)等問題。因此，在醫(yī) 學(xué)界人們渴望得到一種能取代自體同源骨和同種異體骨的仿生骨移植，它既能減少自體骨 移植中附加給患者的痛苦，又可以避免了術(shù)后的各種排異反應(yīng)。隨著生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、 計(jì)算機(jī)、先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，組織工程技術(shù)被越來越多的用于可替換骨組織的培養(yǎng)，并發(fā) 展成為專門的骨組織工程技術(shù)。骨組織工程的發(fā)展，為骨缺損修復(fù)提供了骨科手術(shù)的材 料一人工骨。隨著包括醫(yī)學(xué)連續(xù)切片處理、CT、MRI、光學(xué)顯微鏡等等非侵入性影像技術(shù)和 儀器的發(fā)展，以及數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展，使得我們可以方便地獲得自然骨的 解剖學(xué)三維影像數(shù)據(jù)，從而得到自然骨的三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)，為得到適合的仿生骨支架成為 可能。計(jì)算機(jī)輔助組織工程(CATE)的出現(xiàn)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件和快速成形技術(shù) (RP)的發(fā)展則為仿生骨支架的制造提供了技術(shù)支持。將這些技術(shù)結(jié)合起來，可以更好的實(shí) 現(xiàn)對骨支架外觀特征和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。組織工程的基本思路是將骨源細(xì)胞植入到可體內(nèi)降解的人工骨支架上，在有 利于細(xì)胞和組織生長的環(huán)境下培養(yǎng)一段時(shí)間成半成品骨，然后植入體內(nèi)以取代受損骨，同 時(shí)骨支架隨著骨細(xì)胞的增殖和鈣化逐步降解，逐漸生長為一個(gè)與原有骨組織的功能和形態(tài) 基本一致的新骨骼，最終與宿主融為一體。在組織工程研究中，骨支架是種子細(xì)胞生長的溫床，是工程化組織的骨支架。 它作為骨源細(xì)胞的載體和引導(dǎo)細(xì)胞生長和分化的管道，骨支架在微觀上具有復(fù)雜的多孔介 質(zhì)三維結(jié)構(gòu)。目前，隨著醫(yī)學(xué)CAD建模技術(shù)和RP技術(shù)的發(fā)展，骨組織多孔介質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的重建 成為可能。但在重建過程中，由現(xiàn)有的骨支架微觀孔隙結(jié)構(gòu)與自然真實(shí)骨差別很大，微觀組 織結(jié)構(gòu)上，孔隙率、連通率不能得到有效控制，或由于孔隙管道結(jié)構(gòu)太過規(guī)則而難以保證其 結(jié)構(gòu)的功能性，并且難以進(jìn)行參數(shù)控制。本發(fā)明是基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型(P匪)的構(gòu)建方法，仿生巖心模型的多孔介質(zhì)三維空 間結(jié)構(gòu)，本方法易于實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部微孔模型結(jié)構(gòu)保證骨支架的孔隙率和連通性，有利于骨源細(xì)胞的繁殖和分化鈣化。巖心模型的重構(gòu)采用TOM模型的原理，二維仿生巖心結(jié)構(gòu)圖和按照模擬退火算法 生成的巖心孔隙網(wǎng)絡(luò)模型已經(jīng)被重構(gòu)出來，并在石油開采、環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用普遍。PNM由喉道及其相連的孔隙體構(gòu)成，喉道代表狹長的“管道”空間，孔隙代表喉道交 接處相對較大的空間。在滲流理論中，孔隙和喉道相當(dāng)于兩個(gè)術(shù)語——“點(diǎn)”和“邊”。根據(jù) 滲流理論的基本思想，可以用不同大小的、相互連接的“點(diǎn)”和“邊”構(gòu)成的隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型近 似代表空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多孔介質(zhì)系統(tǒng)?？紫扼w和喉道被設(shè)定為一些理想的幾何形狀，并具 有相應(yīng)的幾何參數(shù)，如球體，圓柱體、橢球體等?？紫吨g的連通性用配位數(shù)ζ描述，孔隙體 相連的喉道數(shù)即為Z，當(dāng)所有喉道的Z > 2時(shí)，介質(zhì)可以在網(wǎng)絡(luò)模型中運(yùn)移，我們用所有喉道 的平均配位數(shù)Z來表征貫通率，Z越大，PW貫通率越大。是一種隨機(jī)的PW模型。P匪算法思想是根據(jù)所需實(shí)體外觀尺寸建立空間三維實(shí)體A，然后在實(shí)體A內(nèi)部 按照設(shè)定算法撒上一定數(shù)量的點(diǎn)作為球心，并給這些球賦予一定的直徑，然后用實(shí)體A對 這些球體進(jìn)行布爾減運(yùn)算，最后通過修補(bǔ)和完善，得到PW模型骨支架。PW骨支架除了用 球空腔取代孔隙空間外，還可以用其他的理想形狀，如橢球體、圓柱、長方體等，也可綜合運(yùn) 用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對已有技術(shù)的不足，提供一種基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的仿生 骨支架建模方法，它將TOM建模思想引入到骨支架的構(gòu)建中。本方法易于實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部微孔 模型結(jié)構(gòu)保證骨支架的孔隙率和連通性，有利于骨源細(xì)胞的繁殖和分化鈣化。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是首先使用Micro-CT技術(shù)對人骨進(jìn)行掃 描，獲得人骨的微觀三維微孔結(jié)構(gòu)信息和三維空間位置密度信息的斷面圖像，然后利用不 同組織密度其圖像閾值不同的原理，進(jìn)行閾值處理以區(qū)分出組織，獲得二值化的圖像數(shù)據(jù)。 進(jìn)一步抽取上述二維數(shù)據(jù)中的松質(zhì)骨部分，使用Mimics軟件測量得到孔隙率、貫通率以及 孔洞直徑范圍。利用得到的孔隙率數(shù)據(jù)和所需的骨支架外圍尺寸，根據(jù)TOM模型原理，規(guī)劃 出骨支架微觀孔隙結(jié)構(gòu)和支架外形尺寸數(shù)據(jù)，然后采用編程工具C++和OPEN GRIP語言編 程得到骨支架生成程序，并借助UG 二次開發(fā)平臺，生成P匪仿生骨支架的三維模型。PNM骨支架的設(shè)計(jì)可分為骨的三維外形結(jié)構(gòu)和其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，即首 先根據(jù)骨缺口的三維外形構(gòu)造出實(shí)體A，再設(shè)計(jì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)體B(在體積空間上A包含B)， 然后用A對B做布爾減運(yùn)算，即得到P匪骨支架。為了得到更好的孔隙率和貫通率，根據(jù)PW建模思想，本文制定了一種PW骨支 架建模方法。在介紹建模方法前，先對建模方法中的兩個(gè)關(guān)鍵名詞進(jìn)行解釋?？臻g網(wǎng)格點(diǎn)振蕩撒點(diǎn)法先用設(shè)定算法生成一定的網(wǎng)格點(diǎn)，然后以這些網(wǎng)格點(diǎn)為 中心，在其附近一定尺寸空間內(nèi)(如網(wǎng)格點(diǎn)的x、y、ζ三個(gè)方向上的距離均在某個(gè)值內(nèi)，或在 以網(wǎng)格點(diǎn)為圓心的某個(gè)半徑空間內(nèi))隨機(jī)撒點(diǎn)作為該網(wǎng)格點(diǎn)附近的球心，然后賦予一定的 直徑值生成超球體集。直徑的賦值根據(jù)一些分布函數(shù)來確定，如正態(tài)分布、平均分布函數(shù)、 對數(shù)正態(tài)分布、瑞利分布、截?cái)嗾龖B(tài)分布和截?cái)嗤紶柗植?，分布函?shù)的選擇依照孔隙和喉 道的直徑要求來確定。針對大量網(wǎng)格點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)，可看作球心在網(wǎng)格點(diǎn)附近振蕩，因此稱之為 空間網(wǎng)格點(diǎn)振蕩撒點(diǎn)法。
蒙特卡洛撒點(diǎn)法蒙特卡洛撒點(diǎn)法是基于蒙特卡洛原理的一種撒點(diǎn)方法。蒙特卡 洛(Monte Carlo)方法，或稱計(jì)算機(jī)隨機(jī)模擬方法，是一種基于“隨機(jī)數(shù)”的計(jì)算方法。考慮 平面上的一個(gè)邊長為1的正方形及其內(nèi)部的一個(gè)形狀不規(guī)則的“圖形”，如何求出這個(gè)“圖 形”的面積呢？ Monte Carlo方法是這樣一種“隨機(jī)化”的方法向該正方形“隨機(jī)地”投擲 N個(gè)點(diǎn)有M個(gè)點(diǎn)落于“圖形”內(nèi)，則該“圖形”的面積近似為M/N。蒙特卡洛撒點(diǎn)法即是在某 個(gè)規(guī)定的空間范圍內(nèi)隨機(jī)撒點(diǎn)，并以這些點(diǎn)為球心，賦予球體直徑值，然后生成大量球體的 撒點(diǎn)方法。直徑的賦值根據(jù)一些分布函數(shù)來確定，如正態(tài)分布、平均分布函數(shù)、對數(shù)正態(tài)分 布、瑞利分布、截?cái)嗾龖B(tài)分布和截?cái)嗤紶柗植?，分布函?shù)的選擇依照孔隙和喉道的直徑要 求來確定。具體設(shè)計(jì)方法思想如下根據(jù)TOM模型特點(diǎn)，只要在所需的三維實(shí)體模型中形成 足夠多的球體空間，球體相互間相互連通形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即可保證形成具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的、孔 喉相連、配位數(shù)大于2的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將實(shí)體B中球體分為兩個(gè)集超球集C和 微球集D，超球集直徑比微球集大，且超球集按照空間網(wǎng)格點(diǎn)振蕩撒點(diǎn)法固定球心，球體直 徑在超球體直徑范圍內(nèi)按照平均隨機(jī)分布賦值；而微球體采用蒙特卡洛撒點(diǎn)法算法固定球 心，直徑賦值與超球體同。超球集形成的空腔相當(dāng)于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型中的孔隙體，微球集形成 的空腔相當(dāng)于喉道。通過控制超球體和微球體數(shù)比參數(shù)，可以控制P匪骨支架貫通率。本方法的具體設(shè)計(jì)思路如下
1、繪制實(shí)體A。確定實(shí)體A外形三維外形數(shù)據(jù)并編程或繪制實(shí)體A。2、生成超球體集。在實(shí)體A內(nèi)部空間生成網(wǎng)格，然后設(shè)定算法使得超球體球 心按解析振蕩方式落在空間網(wǎng)格點(diǎn)附近，然后按平均分布算法賦值直徑數(shù)值，生成超球體。3、運(yùn)用實(shí)體A對超球體進(jìn)行布爾減運(yùn)算。4、按照蒙特卡洛撒點(diǎn)法確定微球體球心，并賦值直徑數(shù)值從而生成微球體。5、運(yùn)用第3步驟得到的實(shí)體對微球體進(jìn)行布爾減運(yùn)算。6、對第5步驟得到的實(shí)體進(jìn)行修復(fù)和改進(jìn)，得到P匪骨支架。按照上述步驟，PNM骨支架構(gòu)建編程時(shí)需要根據(jù)所需PNM骨支架的孔隙率確 定以下數(shù)據(jù)球體直徑區(qū)間，空間網(wǎng)格參數(shù)，超、微球集直徑和球體數(shù)量，以及最終的孔隙率 的具體確定如下
1)球體集直徑區(qū)間確定。球體直徑表征著TOM骨支架孔喉道特征。骨是一種堅(jiān)硬 的結(jié)締組織，成年人的骨骼由脊柱、顱骨和四肢骨構(gòu)成，共有206塊，不同部位的骨組織，骨 的內(nèi)、外等不同部位，密度和孔隙均不同，對球體直徑要求不同。而且盡管骨支架為新骨組 織提供支撐，但也有作為模板的功能，因此球體直徑的選擇對骨支架設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要因 數(shù)。根據(jù)所需取代的自然骨的孔徑大小，直徑選擇在IOOym到600μπι間。如超球體和微 球體集直徑范圍可為50(Γ300 μ m, 30(Γ150 μ m,各球體直徑在范圍內(nèi)符合平均分布。2)空間網(wǎng)格及超球體體積的確定?？臻g網(wǎng)格的設(shè)計(jì)與所需修復(fù)骨的疏松 度有關(guān)，骨質(zhì)越松，孔隙率越大，網(wǎng)格越密。所需修復(fù)骨內(nèi)部各部分骨質(zhì)不同，則相應(yīng)部分 的網(wǎng)格設(shè)計(jì)也可以隨之改變。同時(shí)，球體直徑也影響網(wǎng)格參數(shù)的確定，如超球體直徑為 500^300 μ m,則網(wǎng)格間距應(yīng)在500 μ m附近變動，不能過小也不能過大。網(wǎng)格可為平均分布， 比如點(diǎn)間距dx、dy、dz均相等的陣列網(wǎng)格，也可為同球心，網(wǎng)格點(diǎn)在半徑不斷增大的球體表 面的經(jīng)緯度上分布的同心網(wǎng)格分布。
這里設(shè)定的網(wǎng)格間距大于等于或約小于最大超球體的直徑，所以超球體間相 互重疊很少，所以超球體實(shí)際所占體積即為超球體體積之和Α。3)微球數(shù)量的確定。微球體的確定為首先通過蒙特卡羅撒點(diǎn)法(屬于隨機(jī) 分布算法，應(yīng)用了平均分布函數(shù))在實(shí)體A空間內(nèi)撒點(diǎn)，然后按照微球體直徑范圍按正態(tài)分 布給球體直徑賦值。球體的數(shù)量受到超微球體比(即配位數(shù))和PNM骨支架孔隙率參數(shù)的控 制。根據(jù)滲流理論，大球體作為孔隙，小球體作為喉道，配位數(shù)越大，貫通性越好。而微球體 個(gè)數(shù)及在實(shí)體A中所占實(shí)際體積確定方式如下
由于球心采用蒙特卡洛撒點(diǎn)法撒點(diǎn)，球體在空間隨機(jī)分布，球體集實(shí)際所占體積 (球體間有重疊部分)符合隨機(jī)分布概率，現(xiàn)采用迭代方法來倒推孔隙率和球體數(shù)量的關(guān) 系。A.球體數(shù)計(jì)算如下
設(shè)微球體的體積代數(shù)和為實(shí)體V體積的P，實(shí)體V的總體積為V mm3,球體直徑按 正態(tài)分布，球平均直徑為中間值，根據(jù)公式(1)取整得微球體數(shù)量。
權(quán)利要求
1. 一種基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的仿生骨支架構(gòu)建方法，其特征在于操作步驟如下 a.利用閾值法將Micro-CT數(shù)據(jù)處理為二值化圖像，并進(jìn)一步處理得到孔隙率、貫通率 以及孔隙直徑分布對自然骨施行Micro-CT掃描，以獲得自然骨的微觀三維多孔結(jié)構(gòu)信息 和三維空間位置密度信息的斷層圖像；對上述各Micro-CT掃描獲得的斷層圖像使用閾值 法進(jìn)行二值化處理，得到僅有黑白兩種灰度的圖像；在上述灰度圖像中，選取其中松質(zhì)骨的 圖像區(qū)域，設(shè)定生成的三維模型參數(shù)值后，便可獲得由數(shù)字資料構(gòu)建的松質(zhì)骨多孔結(jié)構(gòu)模 型，然后采用Mimics軟件計(jì)算出孔隙率和貫通率；由上述得到的孔隙率及所需骨支架要求，規(guī)劃如下參數(shù)骨支架外形實(shí)體A的三維數(shù) 據(jù)、球心網(wǎng)格參數(shù)、超球體數(shù)量和直徑分布、微球體數(shù)量和直徑分布；c.運(yùn)用第二步的數(shù)據(jù)，然后采用C++程序及OPENGRIP語言進(jìn)行編程，得到TOM骨支架 生存程序；并在UG NX軟件上生成TOM骨支架三維模型，通過去除布爾運(yùn)算產(chǎn)生的碎片，最 終獲得支架模型；d.將骨支架設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入到MIMICS軟件中，驗(yàn)證其孔隙率、貫通率、比表面積、孔隙直 徑分布，證明骨支架滿足要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的仿生骨支架構(gòu)建方法。其操作步驟為首先使用Micro-CT技術(shù)獲得人骨的微觀三維微孔結(jié)構(gòu)信息和三維空間位置密度信息的斷面圖像，進(jìn)行閾值處理獲得二值化的圖像數(shù)據(jù)，抽取其松質(zhì)骨部分，使用Mimics軟件測量得到孔隙率和貫通率、孔徑等。利用得到的人骨外形尺寸數(shù)據(jù)和內(nèi)部圍觀尺寸數(shù)據(jù)，根據(jù)PNM模型原理，規(guī)劃出PNM骨支架參數(shù)，然后采用編程工具C++和OPENGRIP語言編程得到骨支架生成程序，并借助UG二次開發(fā)平臺，生成PNM仿生骨支架的三維模型，最終導(dǎo)入PNM骨支架到Mimics軟件中進(jìn)行驗(yàn)證其孔隙率、貫通率等參數(shù)。本發(fā)明得到的骨支架很好地模仿了自然骨，具有與自然骨相似的良好性能，其良好的多孔結(jié)構(gòu)和高貫通率有利于骨源細(xì)胞的分化和流動。
文檔編號A61F2/28GK102087676SQ20101058497
公開日2011年6月8日 申請日期2010年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月13日
發(fā)明者姚遠(yuǎn), 胡慶夕, 郭俊 申請人:上海大學(xué)