[發(fā)明專利]基于B樣條體的生物組織非均勻多孔支架的構(gòu)建存儲(chǔ)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910549404.9
• 申請(qǐng)日: 2019-06-24
• 公開（公告）號(hào): CN110377960B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 藺宏偉;胡傳豐
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06T17/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發(fā)明公開了基于B樣條體的生物組織非均勻多孔支架的構(gòu)建存儲(chǔ)方法。輸入B樣條體模型，將其參數(shù)域進(jìn)行網(wǎng)格離散，為每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)設(shè)置一個(gè)標(biāo)量值，選取三變量B樣條函數(shù)進(jìn)行迭代擬合，構(gòu)建C值分布場(chǎng)C(u,v,w)；選取三周期極小曲面定義隱式曲面隱函數(shù)表達(dá)式并生成參數(shù)域多孔結(jié)構(gòu)；將參數(shù)域多孔結(jié)構(gòu)映射到B樣條體內(nèi)，生成非均勻多孔支架，判斷支架是否滿足實(shí)際需求，若不滿足，對(duì)C值分布場(chǎng)進(jìn)行局部修改重新生成非均勻多孔支架；以TDF文件格式保存并打印非均勻多孔支架模型。本發(fā)明利用C值分布場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多孔結(jié)構(gòu)孔隙率的精確控制以及孔隙率的局部調(diào)整，保證了支架模型在內(nèi)部光滑連續(xù)及表面單元完整，同時(shí)TDF格式相比傳統(tǒng)STL格式大幅降低了存儲(chǔ)空間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一般的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和組織工程技術(shù)，尤其涉及基于B樣條體的生物組織非均勻多孔支架的構(gòu)建存儲(chǔ)方法。

背景技術(shù)

組織工程技術(shù)是一種醫(yī)學(xué)生命科學(xué)領(lǐng)域的熱門技術(shù)之一，標(biāo)志著復(fù)制再生組織和器官時(shí)代的來臨，為再生醫(yī)學(xué)的崛起開辟了新的天地。隨著細(xì)胞核分子生物學(xué)的深入研究，以及材料科學(xué)和生物技術(shù)的高速發(fā)展，醫(yī)學(xué)家借助生長因子的幫助，將人體細(xì)胞培養(yǎng)在組織工程支架上，再移植體內(nèi)用以修復(fù)或替代病損組織或器官，隨著種子細(xì)胞的不斷增值和分化，支架的生物材料不斷被降解吸收，最終形成了與相應(yīng)組織或器官形態(tài)和功能相一致的組織或器官，實(shí)現(xiàn)了修復(fù)或重建病損器官的目的，生物組織的多孔支架，例如骨組織支架、軟骨組織支架，血管支架，肝臟組織支架等。

組織工程支架制造傳統(tǒng)方法，如粒子洗出法、熱致相分離法、發(fā)泡法，在支架結(jié)構(gòu)的連通性、孔隙率、比表面積等方面表現(xiàn)的性能較差，且不能精確控制孔隙的形狀與大小，支架幾何形狀也不能和受損組織或器官形態(tài)相吻合，嚴(yán)重限制了支架的設(shè)計(jì)。受益于增材制造技術(shù)的發(fā)展與普及，實(shí)現(xiàn)了對(duì)支架幾何參數(shù)的精確控制，采用逐層累加的制造方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意復(fù)雜形狀幾何體的制造。

由于生物組織在本質(zhì)上是非均質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，所以多孔支架設(shè)計(jì)的研究工作大多集中在創(chuàng)建簡(jiǎn)單的多孔單元，在功能上等同于待修復(fù)組織的孔隙率等方面，其中三向周期極小曲面(Triply Periodic Minimal Surfaces(TPMS))以其連通性好、比表面積大、孔隙率易控制等優(yōu)勢(shì)，吸引了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。TPMS是一種在空間維度上無限周期延伸的極小曲面，在曲面上的任意點(diǎn)處平均曲率值為零，相比于其他多孔結(jié)構(gòu)，TPMS具有光滑、連通性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可通過控制TPMS隱函數(shù)表達(dá)式中的部分參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多孔模型的孔洞大小、形狀、分布以及孔隙率的精確控制。

非均勻有理B樣條曲線曲面是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型中曲線曲面的基本表示，B樣條體是B樣條曲面拓展到三維參數(shù)域空間的幾何實(shí)體的表示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維實(shí)體模型的精確表示。

為了克服在支架設(shè)計(jì)中，多孔單元幾何形狀的限制，研究者開始利用TPMS來設(shè)計(jì)骨組織支架，Rajagopalan和Robb首次提出利用P類型TPMS結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)組織支架(參見S.Rajagopalan and R.A.Robb.2006.Schwarz meets Schwann:design and fabricationof biomorphic tissue engineering scaffolds.Medical Image Analysis 10,5(2006),693–712.)，Melchels等通過使用K3DSurf軟件生成了G和D類型的TPMS結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)支架，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在孔隙率和孔大小的梯度變化(參見F.P.Melchels,K.Bertoldi,R.Gabbrielli,A.H.Velders,J.Feijen,and D.W.Grijpma.2010.Mathematically defined tissueengineering scaffold architectures prepared by stereolithography.Biomaterials31,27(2010),6909–6916.)。