专利名称：一种基于孔隙网络模型的仿生骨支架设计方法长期以来骨缺损的治疗是困扰人类的一大难题。随着医学技术特别是骨科技 术的迅速发展以及医疗保健、康复消费水平的快速提高，和现代生活节奏的加快导致的车 祸等意外的骨骼创伤案例的增多，再加上人口趋于老龄化，这些因素都直接导致人们对骨 骼缺损的修复和置换的要求日益迫切。在骨科手术中，肢体长骨骨干的大段缺损，一直是骨 科医生面临的难题。临床证明，骨移植是修复由于骨意外事故造成的骨创伤、疾病造成的各 类骨缺损的最佳方法。但是自体骨的来源非常有限，并且不适合大块骨缺损的修补；另一 方面，异体骨移植是一种可接受的方法，但也存在供需矛盾和排异反应等问题。因此，在医 学界人们渴望得到一种能取代自体同源骨和同种异体骨的仿生骨移植，它既能减少自体骨 移植中附加给患者的痛苦，又可以避免了术后的各种排异反应。随着生物医学、材料科学、 计算机、先进制造技术的发展，组织工程技术被越来越多的用于可替换骨组织的培养，并发 展成为专门的骨组织工程技术。骨组织工程的发展，为骨缺损修复提供了骨科手术的材 料一人工骨。随着包括医学连续切片处理、CT、MRI、光学显微镜等等非侵入性影像技术和 仪器的发展，以及数字图像处理、计算机图形学的发展，使得我们可以方便地获得自然骨的 解剖学三维影像数据，从而得到自然骨的三维结构与形态，为得到适合的仿生骨支架成为 可能。计算机辅助组织工程(CATE)的出现、计算机辅助设计(CAD)软件和快速成形技术 (RP)的发展则为仿生骨支架的制造提供了技术支持。将这些技术结合起来，可以更好的实 现对骨支架外观特征和内部结构的设计。组织工程的基本思路是将骨源细胞植入到可体内降解的人工骨支架上，在有 利于细胞和组织生长的环境下培养一段时间成半成品骨，然后植入体内以取代受损骨，同 时骨支架随着骨细胞的增殖和钙化逐步降解，逐渐生长为一个与原有骨组织的功能和形态 基本一致的新骨骼，最终与宿主融为一体。在组织工程研究中，骨支架是种子细胞生长的温床，是工程化组织的骨支架。 它作为骨源细胞的载体和引导细胞生长和分化的管道，骨支架在微观上具有复杂的多孔介 质三维结构。目前，随着医学CAD建模技术和RP技术的发展，骨组织多孔介质三维结构的重建 成为可能。但在重建过程中，由现有的骨支架微观孔隙结构与自然真实骨差别很大，微观组 织结构上，孔隙率、连通率不能得到有效控制，或由于孔隙管道结构太过规则而难以保证其 结构的功能性，并且难以进行参数控制。本发明是基于孔隙网络模型(P匪)的构建方法，仿生岩心模型的多孔介质三维空 间结构，本方法易于实现，内部微孔模型结构保证骨支架的孔隙率和连通性，有利于骨源细胞的繁殖和分化钙化。岩心模型的重构采用TOM模型的原理，二维仿生岩心结构图和按照模拟退火算法 生成的岩心孔隙网络模型已经被重构出来，并在石油开采、环保等领域应用普遍。PNM由喉道及其相连的孔隙体构成，喉道代表狭长的“管道”空间，孔隙代表喉道交 接处相对较大的空间。在渗流理论中，孔隙和喉道相当于两个术语——“点”和“边”。根据 渗流理论的基本思想，可以用不同大小的、相互连接的“点”和“边”构成的随机网络模型近 似代表空间结构复杂的多孔介质系统。孔隙体和喉道被设定为一些理想的几何形状，并具 有相应的几何参数，如球体，圆柱体、椭球体等。孔隙之间的连通性用配位数ζ描述，孔隙体 相连的喉道数即为Z，当所有喉道的Z > 2时，介质可以在网络模型中运移，我们用所有喉道 的平均配位数Z来表征贯通率，Z越大，PW贯通率越大。是一种随机的PW模型。P匪算法思想是根据所需实体外观尺寸建立空间三维实体A，然后在实体A内部 按照设定算法撒上一定数量的点作为球心，并给这些球赋予一定的直径，然后用实体A对 这些球体进行布尔减运算，最后通过修补和完善，得到PW模型骨支架。PW骨支架除了用 球空腔取代孔隙空间外，还可以用其他的理想形状，如椭球体、圆柱、长方体等，也可综合运 用。
本发明的目的在于针对已有技术的不足，提供一种基于孔隙网络模型的仿生 骨支架建模方法，它将TOM建模思想引入到骨支架的构建中。本方法易于实现，其内部微孔 模型结构保证骨支架的孔隙率和连通性，有利于骨源细胞的繁殖和分化钙化。为达到上述目的，本发明的构思是首先使用Micro-CT技术对人骨进行扫 描，获得人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 同组织密度其图像阈值不同的原理，进行阈值处理以区分出组织，获得二值化的图像数据。 进一步抽取上述二维数据中的松质骨部分，使用Mimics软件测量得到孔隙率、贯通率以及 孔洞直径范围。利用得到的孔隙率数据和所需的骨支架外围尺寸，根据TOM模型原理，规划 出骨支架微观孔隙结构和支架外形尺寸数据，然后采用编程工具C++和OPEN GRIP语言编 程得到骨支架生成程序，并借助UG 二次开发平台，生成P匪仿生骨支架的三维模型。PNM骨支架的设计可分为骨的三维外形结构和其内部微观结构的设计，即首 先根据骨缺口的三维外形构造出实体A，再设计内部微观结构体B(在体积空间上A包含B)， 然后用A对B做布尔减运算，即得到P匪骨支架。为了得到更好的孔隙率和贯通率，根据PW建模思想，本文制定了一种PW骨支 架建模方法。在介绍建模方法前，先对建模方法中的两个关键名词进行解释。空间网格点振荡撒点法先用设定算法生成一定的网格点，然后以这些网格点为 中心，在其附近一定尺寸空间内(如网格点的x、y、ζ三个方向上的距离均在某个值内，或在 以网格点为圆心的某个半径空间内)随机撒点作为该网格点附近的球心，然后赋予一定的 直径值生成超球体集。直径的赋值根据一些分布函数来确定，如正态分布、平均分布函数、 对数正态分布、瑞利分布、截断正态分布和截断威布尔分布，分布函数的选择依照孔隙和喉 道的直径要求来确定。针对大量网格点的统计，可看作球心在网格点附近振荡，因此称之为 空间网格点振荡撒点法。蒙特卡洛撒点法蒙特卡洛撒点法是基于蒙特卡洛原理的一种撒点方法。蒙特卡 洛(Monte Carlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于“随机数”的计算方法。考虑 平面上的一个边长为1的正方形及其内部的一个形状不规则的“图形”，如何求出这个“图 形”的面积呢？ Monte Carlo方法是这样一种“随机化”的方法向该正方形“随机地”投掷 N个点有M个点落于“图形”内，则该“图形”的面积近似为M/N。蒙特卡洛撒点法即是在某 个规定的空间范围内随机撒点，并以这些点为球心，赋予球体直径值，然后生成大量球体的 撒点方法。直径的赋值根据一些分布函数来确定，如正态分布、平均分布函数、对数正态分 布、瑞利分布、截断正态分布和截断威布尔分布，分布函数的选择依照孔隙和喉道的直径要 求来确定。具体设计方法思想如下根据TOM模型特点，只要在所需的三维实体模型中形成 足够多的球体空间，球体相互间相互连通形成拓扑结构，即可保证形成具有拓扑结构的、孔 喉相连、配位数大于2的多孔介质结构。本发明将实体B中球体分为两个集超球集C和 微球集D，超球集直径比微球集大，且超球集按照空间网格点振荡撒点法固定球心，球体直 径在超球体直径范围内按照平均随机分布赋值；而微球体采用蒙特卡洛撒点法算法固定球 心，直径赋值与超球体同。超球集形成的空腔相当于孔隙网络模型中的孔隙体，微球集形成 的空腔相当于喉道。通过控制超球体和微球体数比参数，可以控制P匪骨支架贯通率。本方法的具体设计思路如下1、绘制实体A。确定实体A外形三维外形数据并编程或绘制实体A。2、生成超球体集。在实体A内部空间生成网格，然后设定算法使得超球体球 心按解析振荡方式落在空间网格点附近，然后按平均分布算法赋值直径数值，生成超球体。3、运用实体A对超球体进行布尔减运算。4、按照蒙特卡洛撒点法确定微球体球心，并赋值直径数值从而生成微球体。5、运用第3步骤得到的实体对微球体进行布尔减运算。6、对第5步骤得到的实体进行修复和改进，得到P匪骨支架。按照上述步骤，PNM骨支架构建编程时需要根据所需PNM骨支架的孔隙率确 定以下数据球体直径区间，空间网格参数，超、微球集直径和球体数量，以及最终的孔隙率 的具体确定如下1)球体集直径区间确定。球体直径表征着TOM骨支架孔喉道特征。骨是一种坚硬 的结缔组织，成年人的骨骼由脊柱、颅骨和四肢骨构成，共有206块，不同部位的骨组织，骨 的内、外等不同部位，密度和孔隙均不同，对球体直径要求不同。而且尽管骨支架为新骨组 织提供支撑，但也有作为模板的功能，因此球体直径的选择对骨支架设计也是一个重要因 数。根据所需取代的自然骨的孔径大小，直径选择在IOOym到600μπι间。如超球体和微 球体集直径范围可为50(Γ300 μ m, 30(Γ150 μ m,各球体直径在范围内符合平均分布。2)空间网格及超球体体积的确定。空间网格的设计与所需修复骨的疏松 度有关，骨质越松，孔隙率越大，网格越密。所需修复骨内部各部分骨质不同，则相应部分 的网格设计也可以随之改变。同时，球体直径也影响网格参数的确定，如超球体直径为 500^300 μ m,则网格间距应在500 μ m附近变动，不能过小也不能过大。网格可为平均分布， 比如点间距dx、dy、dz均相等的阵列网格，也可为同球心，网格点在半径不断增大的球体表 面的经纬度上分布的同心网格分布。这里设定的网格间距大于等于或约小于最大超球体的直径，所以超球体间相 互重叠很少，所以超球体实际所占体积即为超球体体积之和Α。3)微球数量的确定。微球体的确定为首先通过蒙特卡罗撒点法(属于随机 分布算法，应用了平均分布函数)在实体A空间内撒点，然后按照微球体直径范围按正态分 布给球体直径赋值。球体的数量受到超微球体比(即配位数)和PNM骨支架孔隙率参数的控 制。根据渗流理论，大球体作为孔隙，小球体作为喉道，配位数越大，贯通性越好。而微球体 个数及在实体A中所占实际体积确定方式如下由于球心采用蒙特卡洛撒点法撒点，球体在空间随机分布，球体集实际所占体积 (球体间有重叠部分)符合随机分布概率，现采用迭代方法来倒推孔隙率和球体数量的关 系。A.球体数计算如下
设微球体的体积代数和为实体V体积的P，实体V的总体积为V mm3,球体直径按 正态分布，球平均直径为中间值，根据公式(1)取整得微球体数量。


本发明涉及一种基于孔隙网络模型的仿生骨支架构建方法。其操作步骤为首先使用Micro-CT技术获得人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，进行阈值处理获得二值化的图像数据，抽取其松质骨部分，使用Mimics软件测量得到孔隙率和贯通率、孔径等。利用得到的人骨外形尺寸数据和内部围观尺寸数据，根据PNM模型原理，规划出PNM骨支架参数，然后采用编程工具C++和OPENGRIP语言编程得到骨支架生成程序，并借助UG二次开发平台，生成PNM仿生骨支架的三维模型，最终导入PNM骨支架到Mimics软件中进行验证其孔隙率、贯通率等参数。本发明得到的骨支架很好地模仿了自然骨，具有与自然骨相似的良好性能，其良好的多孔结构和高贯通率有利于骨源细胞的分化和流动。