[發明專利]一種基于維諾圖的類骨支架結構及其設計和制備方法

在審

• 申請號: 202110387204.5
• 申請日: 2021-04-09
• 公開（公告）號: CN113297688A
• 公開（公告）日: 2021-08-24
• 發明（設計）人: 崔承云;陳璐;馮森;姜高強;崔熙貴
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/25;G06T17/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種基于維諾圖的類骨支架結構及其設計和制備方法，包括以下步驟：創建三維空間，放置N個隨機離散點，提取各隨機點坐標值；轉換坐標值為0～1內唯一對應的特征值，利用貝塞爾曲線控制特征值在0～1區間內梯度分布，約束離散點呈現梯度分布；特征值轉換為實際坐標值，重建離散點空間坐標，生成維諾子空間；炸開子空間，設定縮放因子具體選定標志點，標志點形成標志面；關聯選定的標志面，重建子空間新邊界，包夾生成初始多面體支架；細分支架的網格表皮，柔化支架的表面和結節；本發明利用維諾圖設計類骨支架，通過對離散點添加分布約束，實現支架梯度分布，運用縮放因子控制支架的體積分數，柔化表面和結節，切實模擬骨小梁的自然結構。

技術領域

本發明屬于計算機輔助設計、3D打印、生物支架領域，尤其涉及一種基于維諾圖的類骨支架結構及其設計和制備方法。

背景技術

維諾圖(Voronoi Diagram)是利用在有限空間中隨機分布的離散點，以多邊形或多面體向外生長以恒定的速率膨脹以填充空間，當相鄰的多邊形或多面體相互碰撞時，生長結束，在二維空間中生成由直線組成的邊界，在三維空間中，這些邊界則為平面。從而分割一個整體，使其分割成多個形態各異的子面積或子空間。維諾圖在環境地圖、電子網絡等角度都有所應用。

輕量化支架在航天、建筑、醫療等多個領域均是應用熱點。輕量化支架的設計目標是通過結構分布的設計與優化，在減少材料使用和減輕重量的同時試圖提高力學性能。對于生物支架，另需考慮支架內部支架分布情況，關系到成骨細胞的附著與長入。由于維諾圖中邊界的交織和結節情形與骨骼中骨小梁的相似度高，故三維維諾圖在類骨支架的設計與制造上有較好的適用性。而骨小梁的密度分布實則具有梯度分布的特征，將無序不規則分割的維諾圖應用于類骨支架的設計制造時，需要進行進一步優化調整，且現有技術暫未發現通過約束維諾圖中離散點分布以設計制造梯度類骨支架結構的方法。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種基于維諾圖的類骨支架結構及其設計和制備方法，利用維諾圖設計類骨支架，運用約束離散點分布的思路控制梯度分布，通過對離散點添加分布約束，實現支架由芯向殼的可調控梯度分布，運用縮放因子的思路控制支架的體積分數，運用細分曲面的思路柔化表面和結節，切實模擬骨小梁的自然結構，充分體現維諾圖在仿生支架設計上的優勢。

本發明的技術方案是：一種基于維諾圖的類骨支架結構設計方法，包括以下步驟：

S1：創建三維空間，放置N個隨機離散點，提取各隨機點坐標值(X_n,Y_n,Z_n)，n＝1,2…,N-1,N；

S2：轉換坐標值為0～1內唯一對應的特征值，利用貝塞爾曲線控制特征值在0～1區間內梯度分布，約束離散點呈現梯度分布；

S3：特征值轉換為實際坐標值，重建離散點空間坐標，接入Voronoi3D計算器，分割原空間生成維諾子空間；

S4：炸開子空間，提取各子空間的邊界線，在邊界線上自動捕捉均等距離的多份標志點，設定縮放因子具體選定標志點，標志點形成標志面；

S5：關聯選定的標志面，重建子空間新邊界，包夾生成初始多面體支架，調整縮放因子能夠控制支架整體的體積分數；

S6：細分支架的網格表皮，柔化支架的表面和結節。

上述方案中，所述S1具體為：創建三維空間，在空間中隨機放置離散點，設置離散點數量N和種子數S，提取所有離散點的坐標值(X_n,Y_n,Z_n)，n＝1,2…,N-1,N。