骨组织梯度多孔支架参数化设计方法研究

• 作 者: 卢小龙
• 出 处: 武汉理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 多孔支架 三周期极小曲面 距离场 梯度 融合

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均质多孔支架参数化设计算法。其次,研究TPMS梯度多孔支架参数化设计方法,以孔隙率或者孔径的线性梯度分布为目标,基于距离场的思想,以梯度参考物件作为梯度设计的参考基准,并利用高斯函数优化线性梯度,可得到更为复杂的梯度多孔支架。再次,研究TPMS的分区融合多孔支架参数化设计方法,通过手动分区或者Voronoi3D剖分进行自动分区,并利用高斯函数计算子区域权重函数来实现空间任意分区下的复杂融合,可得到融合下的复杂功能梯度多孔支架。然后,针对周期性孔单元排列的多孔支架设计方法中存在的问题,研究常规梯度多孔支架参数化设计方法,方法基于距离场与高斯函数优化的思想,运用了体素化,等参单元映射、实体化线框算法,可用于生成更为复杂的梯度多孔支架。最后,结合临床设计需求,采用模块化设计思想在Rhino的GH平台上,利用RhinoCommonSDK工具包进行二次开发,搭建该骨组织参数化设计应用系统。