专利名称：孔隙率可控的仿生支架的构建方法
技术领域：
本发明涉及一种骨科医疗修复用的人工骨的构建方法，特别涉及一种基于自然骨 的孔隙率可控的仿生支架的构建。
背景技术：
随着材料科学和医学技术的迅速发展以及人们生活水平、医疗保健、康复水平的 提高，加之人口的老龄化，人们对人体组织、器官及骨骼缺损的修复和置换等方面的要求日 益迫切。修复由于创伤、感染、肿瘤等疾病导致的各类骨缺损，尤其是肢体长骨骨干的大段 缺损，一直是骨科医生面临的难题。骨移植是常规的治疗方法，但自体骨来源有限，异体骨 移植则存在免疫排斥及传播疾病的危险。近年来，骨组织工程的兴起为骨缺损的修复治疗 开辟了新的研究领域，成骨细胞与支架载体复合在体外共同培养，是骨组织工程构建的起 始和关键，也是目前国内外研究的热点。针对这一状况，提出了一种新的解决方案——仿生 设计与制造。具有生物活性的人工骨的构建是仿生学的重要研究内容之一。其是在人体内部 植入一种由生物可降解的天然的或人工合成三维细胞支架，并注入一种称为生长因子的分 子。细胞按照预制形态的三维支架增殖、分化，与此同时支架逐步降解，最后在人体内生成 一个与原来组织的功能和形态基本一致的新的骨骼。仿生支架是骨组织工程的三要素之一，支架不仅为特定的细胞提供结构支撑，而 且还能引导组织再生、控制组织结构。为了满足这些要求，仿生支架的的微观多孔结构构建 就显得尤为重要。目前，随着生物CAD建模技术和快速成型技术的成熟，骨组织多孔结构的三维重 建成为可能。但在重建过程中，由人工设计的支架微观孔隙结构与自然真实骨的结构还是 有很大差别的，微观组织的孔隙率和连通性不能得到控制，难以完全保证其结构的功能性； 并且，传统支架建立方法大多不使用参数化构建思路，致使建立的仿生支架的孔隙率不能 及时针对病患的自然骨特性作出调整。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于参数化的孔隙率可控的仿 生支架的构建方法，构建更为便捷捷；所得的内部微孔支架模型的微观结构和孔隙率与自 然骨更接近，更有利于细胞的培养和成骨替代；内部微孔结构连通率达到100% ；其外形轮 廓符合破碎骨部分，有利于人工骨的植入。为了达到上述目的，本发明构思是首先使用Micro-CT对自然骨进行整体扫描， 以获得自然真实骨的微观三维微孔结构信息和三维空间位置密度信息的断面图像，然后利 用不同的组织密度不同则其图像的阈值不同的原理，对各断层图像进行阈值处理，区分出 组织，获得其二值化的图像。抽取上述二维数据中松质骨的部分，设定生成的三维模型参数 值后，便可获得由数字资料构建的松质骨多孔结构模型。其次使用Mimics计算构建的松质骨的孔隙率及贯通率。按此孔隙率在UGNX中建立孔隙结构良好的参数化单元体模型。对 所得单元体模型按破碎骨的所需尺寸进行镜像处理，获得一个略大于破碎骨尺寸的多孔结 构模型。将该模型与破碎骨的实体模型进行布尔求交运算，即可得到所需的微孔结构的仿 生支架模型。根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案一种基于参数化的孔隙率可控的仿生支架多孔结构的构建，其特征在于操作步骤 如下(1)使用Micr0-CT对所选自然骨进行整体扫描使用Micro-CT对所选自然骨整体进行整体扫描，以获得自然真实骨的微观三维 微孔结构信息和三维空间位置密度信息的断面图像；(2)利用阈值法将Micro-CT数据处理为二值化的图像对上述各Micro-CT扫描获得的断层图像使用阈值法进行二值化处理，得到仅有 黑白两种灰度的图像；(3)重建自然骨的松质骨多孔结构模型在上述灰度图像中，选取其中松质骨的图像区域，设定生成的三维模型参数值后， 便可获得由数字资料构建的松质骨多孔结构模型；(4)使用Mimics软件计算模型的孔隙率及贯通率将三维重建后的松质骨多孔结构模型导入Mimics软件中进行计算，得到相关参 数；(5) UG NX下建立单元体模型建立按此孔隙率建立孔隙结构良好的参数化单元体模型；(6)对单元体进行镜像处理将单元体模型进行整体缩放，得到一个微孔结构完整、尺寸为2x2x2mm的单元体 模型。对该单元体模型进行镜像处理，可得到所需的多孔结构模型；(7)获得支架模型建立真实骨的实体模型，将通过镜像处理获得尺寸大于真实骨模型的三维微孔结 构模型，与真实骨模型进行布尔求交运算，即得到所需的多孔结构支架模型。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点将 Micro-CT扫描数据、二值化图像和三维重建后得到的松质骨多孔结构模型用Mimics软件 进行相关数据计算，得到其孔隙率，进行参数化单元体建模，再通过对单元体镜像而构建的 多孔结构模型，因其微观孔隙结构和孔隙率很好地模仿自然骨，具有与自然骨相似的良好 性能，具有仿生意义。参数化单元体建模大大加快了微孔结构仿生支架的建模速度。这样 在针对不同自然骨孔隙率不同的情况时，只需改动单元体模型参数就可以建立孔隙率不同 的微孔结构支架模型，减轻了建模的难度、提升了建模的速度。其中对单元体进行镜像处理 的方法解决了微结构中的孔隙连通的问题，且通过镜像处理获得的多孔结构模型，可以依 需要要求任意获得各种尺寸的模型。将镜像后的模型与真实骨模型进行布尔交运算，保证 了多孔结构支架模型的外形轮廓与真实骨相同，有利于支架与破损部分更好的吻合。通过 此方法制得的仿生支架内部多孔结构与真实骨结构相近，其良好的内部微结构更有利于细 胞的粘附、爬行和成骨替代过程；外围轮廓与真实骨相同，可与破损处更好的吻合，更有利
4于支架的植入。
图1是本发明的构建骨支架方法的程序框图。图2是本发明通过Micro-CT扫描数据、二值化和三维重建后得到的松质骨微观多 孔结构图。图3是本发明通过Mimics计算松质骨得到孔隙率的实验图。图4是本发明按照计算所得孔隙率构建的结构合适的单元体模型图。图5是本发明通过模型单元体的镜像处理得到的模型图。图6是本发明通过镜像后的模型与真实骨模型进行布尔交运算得到的支架模型 图。
具体实施例方式本发明的一个优选实施例，结合附图详细说明如下本孔隙率可控的仿生支架的 构建方法具体操作步骤如下(参见图1)首先，使用Micr0-CT对自然骨进行扫描，以获得 松质骨的微观三维微孔结构信息和三维空间位置密度信息的断层图像。对上述各断层图像 进行阈值处理，得到二值化的图像。选取其中松质骨的数据，设定生成的三维模型参数值 后，便可获得由数字资料构建的松质骨多孔结构模型(参见图2)。随后，将松质骨多孔结构 模型置于Mimics进行孔隙率等相关参数的计算，参见图3。接着，按照计算所得孔隙率，贯 通性要求等构建结构合适的单元体模型，尺寸为2X2X2mm，参见图4。接着，通过多次的镜 像处理，将模型单元体构建成具有良好贯通结构的多孔结构模型，其尺寸大于真实骨的模 型，参见图5。最后，将上述得到的微孔结构模型与真实骨的实体模型进行布尔求交运算，即 获得所需要的微孔结构的支架模型，参见图6。
权利要求
一种孔隙率可控的仿生支架的构建方法，其特征在于操作步骤如下(1)使用Micro CT对所选自然骨进行整体扫描使用Micro CT对所选自然骨整体进行整体扫描，以获得自然真实骨的微观三维微孔结构信息和三维空间位置密度信息的断面图像；(2)利用阈值法将Micro CT数据处理为二值化的图像对上述各Micro CT扫描获得的断层图像使用阈值法进行二值化处理，得到仅有黑白两种灰度的图像；(3)重建自然骨的松质骨多孔结构模型在上述灰度图像中，选取其中松质骨的图像区域，设定生成的三维模型参数值后，便可获得由数字资料构建的松质骨多孔结构模型；(4)使用Mimics软件计算模型的孔隙率及贯通率将三维重建后的松质骨多孔结构模型导入Mimics软件中进行计算，得到相关参数；(5)UG NX下建立单元体模型建立按此孔隙率建立孔隙结构良好的参数化单元体模型；(6)对单元体进行镜像处理将单元体模型进行整体缩放，得到一个微孔结构完整、尺寸为2x2x2mm的单元体模型；对该单元体模型进行镜像处理，可得到所需的多孔结构模型；(7)获得支架模型建立真实骨的实体模型，将通过镜像处理获得尺寸大于真实骨模型的三维微孔结构模型，与真实骨模型进行布尔求交运算，即得到所需的多孔结构支架模型。
全文摘要
本发明涉及一种孔隙率可控的仿生支架的构建方法。其构建步骤为使用Micro-CT技术对自然骨进行整体扫描，从中提取松质骨数据重建获得其微孔结构模型；再利用Mimics测量松质骨模型的孔隙率；然后按照此孔隙率建立孔隙结构合适的单元体；接着利用镜像处理单元体得到三维微孔结构模型；最后将三维微孔结构模型与破损骨模型进行布尔求交运算，得到与破损部位相吻合的仿生支架微孔结构模型。本构建方法在重建和测量过程中，得到了自然骨相应的孔隙率，可以在构建中更好地模仿自然骨的特性，更有利于细胞的粘附、爬行和成骨替代，该方法构建的骨支架的外围轮廓与真实骨相同，更有利于支架的植入。参数化的构建方法可以对不同自然骨的不同孔隙率特性做出调整，便于建立支架。对单元体镜像处理获得大块模型的构建方法解决了微结构中的孔隙连通问题。
文档编号A61F2/28GK101980214SQ20101018621
公开日2011年2月23日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者姚远, 胡庆夕, 钱懿 申请人:上海大学