骨组织梯度多孔支架参数化设计方法研究
发布时间：2022-02-05 02:56
我国每年因创伤、肿瘤、感染及先天性疾病等原因造成的骨缺损尤其是大段骨缺损的问题使得市场对个性化植入物的需求越来越大。随着增材制造技术与计算机辅助设计在医疗上的联合应用,越来越多的多孔支架设计方法被提了出来。最初提出的是基于周期性孔单元排列的多孔支架设计方法,该方法过程往往复杂、设计繁琐、耗费时间,即使有学者提出参数化建模和自动化装配的算法来提高设计效率,但是所建立的多孔模型仅仅具有表面形态特征,内部孔结构单一且与真正的骨组织内部结构有一定的差距。基于这种问题,在前人研究的基础上,通过三周期极小曲面（Triply Periodic Minimal Surface,TPMS）的造型特点,提出了具有创新性的骨组织梯度多孔支架参数化设计方法,这种连续性的梯度变化使得多孔支架的生物和机械性能更加具有规律性;同时,提出常规梯度多孔支架参数化设计方法,这使得计算效率高,可生成结构更加复杂的多孔支架。论文主要从以下几个方面展开的工作:首先,利用MC算法重建TPMS曲面,每种隐式曲面可生成两种孔单元,成型孔单元库,定义孔单元孔隙率,探究单元阈值与其孔隙率的关系,最后在此基础上提出TPMS均质多孔支架参数...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
P单元1的拓扑结构与阈值变化(a)C=-0.7，(b)C=0，(c)C=0.7；D单元1的拓扑结构与周期变化(d)T=1，(e)T=2，(f)T=4
15均质多孔支架设计对于骨组织TPMS均质多孔支架设计而言，单元类型、周期、阈值都保持不变，如下图2-4所示以G_单元1为例阐述该设计方法，输入的参数为阈值C=0，周期T=1，设定MC算法采样点间距为res=0.02，由上式可知孔隙率与阈值呈线性相关，可视为同一个参数输入，此处可得到孔隙率约为50.23%的多孔结构模型，其定义如下。下文中若没有特殊说明则使用的都是TPMS单元1类型。Pφ(r)=φ(x,y,z)={φ(x,y,z)≤C|C=0,T=1,x,y,z∈R且x,y,z∈[0,5]}图2-4均质多孔结构a：正视图，b：轴测图在实际应用中，骨组织多孔支架的外形设计除了使用骨组织精准解剖外形外，还会使用人工设计的模型结构，在骨置换领域，后者其实更为普遍的，由于二者几乎一样，故本文仅以骨组织精准解剖外形来阐述多孔支架设计算法。为了得到骨组织精准解剖外形下的TPMS均质多孔支架，存在两种设计方法，方法一是求解骨组织模型的OBB包围盒，在该OBB中进行TPMS多孔结构的求解，最后将TPMS多孔结构与骨组织模型进行布尔求交即可得到最终的均质多孔支架；方法二是直接在骨组织模型中进行TPMS多孔结构的求解，然后运用拉普拉斯光顺算法对多孔支架进行表面光顺，该方法减少了布尔运算的操作。上述两种方法利用MC算法求解TPMS多孔结构中，首要的任务是判断采样点Pi与OBBbone或者Bone_mesh的拓扑位置关系，实际上也是判断采样点Pi与空间中复杂多面体之间的拓扑位置关系，目前最主要的判断方法有射线法、叉积判断法、角度和法、体积法等，本文主要依照文献[53-56]来进行判断，且在下文中也会涉及到该算法的使用，在此不做过多的研究。以下图2-5为骨组织TPMS均质多孔支架参数化设计算法流程图，其中主要的参数输入为TPMS单元类型、
16阈值（或者孔隙率）、周期、MC采样分辨率。图2-5骨组织TPMS均质多孔支架参数化设计算法本章小结本章首先利用TPMS曲面设计孔单元，并成型为孔单元库，为下文的参数化设计算法提供重要参数输入；而后着重研究了四种常规TPMS孔单元的阈值和周期对其孔隙率的影响，发现了阈值与其孔隙率基本呈线性相关，并得到拟合函数曲线，周期与孔隙率基本无关，但周期与孔径相关，因此将阈值与周期作为后文参数化设计算法的重要参数输入；最后在此基础上提出了基于骨组织的TPMS均质多孔支架参数化设计算法，算法可生成任意外形的TPMS多孔支架。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光3D打印制备多孔结构不锈钢的组织及压缩性能研究[J]. 王健飞,陈长军,王晓南,张敏,陈文刚,李洋,卢冠辰,文凤. 机械工程学报. 2016(21)
[2]骨组织支架的计算机辅助设计方法综述[J]. 姚亚洲,谢劲松,范树迁. 图学学报. 2016(03)
[3]点与多边形或多面体的拓扑关系判断[J]. 翟艳,徐卫亚,张强. 计算机工程与设计. 2015(04)
[4]Computer aided modeling and pore distribution of bionic porous bone structure[J]. 李虎,杨建宇,苏鹏程,王宛山. Journal of Central South University. 2012(12)
[5]组织工程研究进展[J]. 曹谊林,刘伟,张文杰,周广东. 上海交通大学学报(医学版). 2012(09)
[6]生物医用多孔钛及钛合金的研究进展[J]. 胡海波,刘会群,王杰恩,易丹青,傅上,孙武令. 材料导报. 2012(S1)
[7]仿生骨支架微观孔结构的构建与评价[J]. 尤飞,姚远,胡庆夕. 机械工程学报. 2011(01)
[8]骨组织工程支架材料修复骨缺损的特性[J]. 俞猛. 中国组织工程研究与临床康复. 2010(47)
[9]骨组织工程相关研究新进展[J]. 许建中. 中国修复重建外科杂志. 2010(07)
[10]骨组织工程支架研究现状及面临的问题[J]. 杨春蓉. 中国组织工程研究与临床康复. 2009(08)
本文编号：3614430
【文章来源】：武汉理工大学湖北省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：87 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
P单元1的拓扑结构与阈值变化(a)C=-0.7，(b)C=0，(c)C=0.7；D单元1的拓扑结构与周期变化(d)T=1，(e)T=2，(f)T=4
15均质多孔支架设计对于骨组织TPMS均质多孔支架设计而言，单元类型、周期、阈值都保持不变，如下图2-4所示以G_单元1为例阐述该设计方法，输入的参数为阈值C=0，周期T=1，设定MC算法采样点间距为res=0.02，由上式可知孔隙率与阈值呈线性相关，可视为同一个参数输入，此处可得到孔隙率约为50.23%的多孔结构模型，其定义如下。下文中若没有特殊说明则使用的都是TPMS单元1类型。Pφ(r)=φ(x,y,z)={φ(x,y,z)≤C|C=0,T=1,x,y,z∈R且x,y,z∈[0,5]}图2-4均质多孔结构a：正视图，b：轴测图在实际应用中，骨组织多孔支架的外形设计除了使用骨组织精准解剖外形外，还会使用人工设计的模型结构，在骨置换领域，后者其实更为普遍的，由于二者几乎一样，故本文仅以骨组织精准解剖外形来阐述多孔支架设计算法。为了得到骨组织精准解剖外形下的TPMS均质多孔支架，存在两种设计方法，方法一是求解骨组织模型的OBB包围盒，在该OBB中进行TPMS多孔结构的求解，最后将TPMS多孔结构与骨组织模型进行布尔求交即可得到最终的均质多孔支架；方法二是直接在骨组织模型中进行TPMS多孔结构的求解，然后运用拉普拉斯光顺算法对多孔支架进行表面光顺，该方法减少了布尔运算的操作。上述两种方法利用MC算法求解TPMS多孔结构中，首要的任务是判断采样点Pi与OBBbone或者Bone_mesh的拓扑位置关系，实际上也是判断采样点Pi与空间中复杂多面体之间的拓扑位置关系，目前最主要的判断方法有射线法、叉积判断法、角度和法、体积法等，本文主要依照文献[53-56]来进行判断，且在下文中也会涉及到该算法的使用，在此不做过多的研究。以下图2-5为骨组织TPMS均质多孔支架参数化设计算法流程图，其中主要的参数输入为TPMS单元类型、
16阈值（或者孔隙率）、周期、MC采样分辨率。图2-5骨组织TPMS均质多孔支架参数化设计算法本章小结本章首先利用TPMS曲面设计孔单元，并成型为孔单元库，为下文的参数化设计算法提供重要参数输入；而后着重研究了四种常规TPMS孔单元的阈值和周期对其孔隙率的影响，发现了阈值与其孔隙率基本呈线性相关，并得到拟合函数曲线，周期与孔隙率基本无关，但周期与孔径相关，因此将阈值与周期作为后文参数化设计算法的重要参数输入；最后在此基础上提出了基于骨组织的TPMS均质多孔支架参数化设计算法，算法可生成任意外形的TPMS多孔支架。
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光3D打印制备多孔结构不锈钢的组织及压缩性能研究[J]. 王健飞,陈长军,王晓南,张敏,陈文刚,李洋,卢冠辰,文凤. 机械工程学报. 2016(21)
[2]骨组织支架的计算机辅助设计方法综述[J]. 姚亚洲,谢劲松,范树迁. 图学学报. 2016(03)
[3]点与多边形或多面体的拓扑关系判断[J]. 翟艳,徐卫亚,张强. 计算机工程与设计. 2015(04)
[4]Computer aided modeling and pore distribution of bionic porous bone structure[J]. 李虎,杨建宇,苏鹏程,王宛山. Journal of Central South University. 2012(12)
[5]组织工程研究进展[J]. 曹谊林,刘伟,张文杰,周广东. 上海交通大学学报(医学版). 2012(09)
[6]生物医用多孔钛及钛合金的研究进展[J]. 胡海波,刘会群,王杰恩,易丹青,傅上,孙武令. 材料导报. 2012(S1)
[7]仿生骨支架微观孔结构的构建与评价[J]. 尤飞,姚远,胡庆夕. 机械工程学报. 2011(01)
[8]骨组织工程支架材料修复骨缺损的特性[J]. 俞猛. 中国组织工程研究与临床康复. 2010(47)
[9]骨组织工程相关研究新进展[J]. 许建中. 中国修复重建外科杂志. 2010(07)
[10]骨组织工程支架研究现状及面临的问题[J]. 杨春蓉. 中国组织工程研究与临床康复. 2009(08)
本文编号：3614430
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shengwushengchang/3614430.html
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