专利名称：离散间距可控的三维多孔骨支架离散模型构建方法
技术领域：
本发明涉及一种用于格子Boltzmarm流场分析的三维多孔实体骨支架的离散方法，特别涉及一种离散间距可控的三维多孔骨支架离散模型构建方法。
背景技术：
随着医疗技术和计算机科学的发展以及人们生活水平的提高，人们对骨缺损修复和置换的要求日益迫切。修复有创伤和疾病导致的各类骨缺损，尤其是大段骨缺损一直是骨组织骨科医学难题。自体骨骨源的限制，异种骨的排异反应严重阻碍了骨缺损修复的发展。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，通过体外灌注法培养种植有人骨髓基质干细胞的多孔骨支架，是组织工程骨研究领域的焦点。在体外培养的过程中，培养液流过多孔骨支架，不仅为支架孔隙内的人骨髓基质干细胞提供了充足的营养物质，还通过流体剪切力对细胞进行机械刺激，促进人骨髓基质干细胞向增殖和向骨细胞的分化。探求流体的机械刺激对人骨髓基质干细胞的分化影响成为骨组织工程研究的热点。随着计算机硬件技术的发展和格子Boltzmarm理论的发展，用格子Boltzmarm方法模拟三维多孔骨支架在体外培养的流场剪切力成为国内外学者关注的焦点。针对这一状况，提出了一种离散间距可控的三维多孔骨支架离散模型的构建方法。多孔骨支架流场的三维离散模型是应用格子Boltzmarm方法的基础。离散模型不仅反应实体模型的大小，还区分了模型的复杂空间结构中的实体和孔隙，模型的离散精度是流场分析精度的重要影响因素之一。为了满足这些要求，离散模型的构建就显得尤为重要。目前，随着生物CAD建模技术、快速成型技术以及精密CT扫描技术的成熟，骨支架离散模型的构建成为可能。但在构建的过程中，一般需要先制造出实体骨支架，再通过CT 扫描，并用二值化图像处理，才能得到骨支架离散模型。在这个构建过程中，由于制造误差和扫描后的图像处理误差，导致最终的离散模型与最初的设计模型存在较大差别，以致后续的数值模拟结果存在较大的精度误差。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于八叉树划分的离散间距可控的三维多孔骨支架离散模型构建方法。构建方法更为便捷，所得的离散模型的微观结构精度更高，而且离散精度可调，更有利于后续的数值模拟。为了达到上述目的，本发明的构思是首先对选定真实松质骨进行电镜扫描，以获得真实骨微观孔隙尺寸参数，然后利用UGNX6. 0软件按此参数构建三维骨支架实体模型， 并把实体模型转化为由三角面片表示的STL格式模型。利用Magics软件对STL模型进行三角网格细分，获得更精细的三角网格模型。对所得模型计算包围盒，并用八叉树法对包围盒按指定参数进行网格划分，得到离散体素模型。判断离散体素的位置，并对不同位置的离散体素标记不同的值。最后按三轴坐标系依次输出三维骨支架的离散模型。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案
一种离散间距可控的三维多孔骨支架离散模型构建方法，其特征在于操作步骤如下
(1)对自然松质骨进行扫描，获得自然真实松质骨微观孔隙尺寸信息；
(2)根据步骤(1)所得微孔尺寸构建三维实体多孔骨支架模型，获得微观三维微孔尺寸信息和三维空间位置信息；
(3)将步骤(2)所得三维实体多孔骨支架模型转换为由三角面片组成的STL格式模
型；
(4)对步骤C3)所得STL格式模型进行三角网格细分获得更精细的三维空间模型数字资料；
(5)构建整个三维模型的包围盒，确定要离散模型的总体积；
(6)用八叉树法对步骤( 所得包围盒体积按指定的参数进行网格划分，得到指定参数的离散体素；
(7)判断步骤(6)所得各离散体素的性质，判断离散体素是否是实体和空腔，并分别标记不同的值，得到由离散体素值表示的模型实体和空腔信息；
(8)把步骤(7)所得离散体素的值按实体模型的三坐标输出，即得到离散的三维多孔骨支架模型。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用 UGNX6. 0构建三维实体模型，并转化为三角面片表示的STL模型，然后在通过Magics进行三角面片细分，得到的STL格式模型，再通过计算包围盒，利用八叉树法对包围盒可控离散间距的网格划分，得到不同离散间距的离散体素模型，为得到不同精度的离散模型提供了便利；而现有的离散模型是通过CT扫描得到，CT扫描的扫描间距决定了离散模型的离散间距和精度，如果要得到的离散间距比CT扫描的间距更小，则必然会导致巨大误差。本方法构建离散模型是通过软件操作完成，不需要动用庞大的CT扫描设备，成本更低，处理时间更短，效率更高。
图1是本发明的构建三维多孔骨支架离散模型的程序框图。图2是本发明按电镜扫描数据数据，使用UGNX6. 0构建的三维实体多孔骨支架模型图。图3是本发明使用UGNX6. 0软件对实体模型转化为由三角面片表示的STL格式模型图。图4是本发明使用Mimics软件细化三角面片后的骨支架模型图。图5和图6是本发明通过计算包围盒，八叉树网格划分，然后标记体素后输出的离散骨支架模型。
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离散间距可控的三维多孔骨支架离散模型构建方法具体操作步骤如下(参见图1)
(1)使用电镜扫描方法对自然松质骨进行扫描
4使用电镜对所选自然松质骨进行扫描，获得自然真实松质骨微观孔隙尺寸信息；
(2)使用UGNX6. 0设计三维实体多孔骨支架模型
使用UG NX6. 0按真实微孔尺寸构建三维实体多孔骨支架模型(见图2)，获得微观三维微孔尺寸信息和三维空间位置信息；
(3)使用UGNX6. 0软件将三维实体多孔骨支架模型转换为STL格式模型
使用UG NX6. 0将上述三维实体模型转换为由三角面片组成的STL格式模型(见图3)；
(4)利用Magics软件对三角面片模型进行三角网格细分
用Magics软件对STL格式模型进行网格细分，获得更精细的三维空间(见图4)模型数字资料；
(5)构建模型包围盒
构建整个三维模型的包围盒，确定要离散模型的总体积；
(6)用八叉树法对包围盒均勻网格划分
用八叉树法对包围盒体积按指定的参数进行网格划分，可得到指定参数的离散体素；
(7)标记各体素性质
判断体素性质，判断离散体素是否是实体和空腔，并分别标记不同的值，得到由离散体素值表示的模型实体和空腔信息；
(8)获取离散体素
把离散体素的值按实体模型的三坐标输出，即得到离散的三维多孔骨支架模型(见图5 和图6)。
权利要求
1. 一种离散间距可控的三维多孔骨支架离散模型构建方法，其特征在于操作步骤如下(1)对自然松质骨进行扫描，获得自然真实松质骨微观孔隙尺寸信息；(2)根据步骤(1)所得微孔尺寸构建三维实体多孔骨支架模型，获得微观三维微孔尺寸信息和三维空间位置信息；(3)将步骤(2)所得三维实体多孔骨支架模型转换为由三角面片组成的STL格式模型；(4)对步骤C3)所得STL格式模型进行三角网格细分获得更精细的三维空间模型数字资料；(5)构建整个三维模型的包围盒，确定要离散模型的总体积；(6)用八叉树法对步骤( 所得包围盒体积按指定的参数进行网格划分，得到指定参数的离散体素；(7)判断步骤(6)所得各离散体素的性质，判断离散体素是否是实体和空腔，并分别标记不同的值，得到由离散体素值表示的模型实体和空腔信息；(8)把步骤(7)所得离散体素的值按实体模型的三坐标输出，即得到离散的三维多孔骨支架模型。
全文摘要
本发明涉及一种间距可控的三维多孔骨支架离散模型的构建方法。其构建步骤为对所选真实松质骨进行扫描，以获得真实骨微观孔隙尺寸参数；按此参数构建三维骨支架实体模型；然后把实体模型转化为由三角面片表示的STL格式模型；接着对三角面片表示的STL格式模型进行三角网格细分，获得更精细的三角网格模型；接着对所得模型计算包围盒，并用八叉树法对包围盒按指定参数进行网格划分，得到离散体素模型；接着判断离散体素的位置，并对不同位置的离散体素标记；最后按三轴坐标系依次输出三维骨支架的离散模型。本构建方法在构建过程中，采用八叉树可以对模型按指定离散距离进行网格划分，离散精度的可以通过八叉树划分的次数控制，解决了以往CT扫描间距固定而无法进一步提高精度的问题。
文档编号G06F17/50GK102426711SQ201110264029
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者姚远, 胡庆夕, 金文玉, 陈维灯 申请人:上海大学