我國每年因創(chuàng)傷、腫瘤、感染及先天性疾病等原因造成的骨缺損尤其是大段骨缺損的問題使得市場對個性化植入物的需求越來越大。隨著增材制造技術(shù)與計算機(jī)輔助設(shè)計在醫(yī)療上的聯(lián)合應(yīng)用,越來越多的多孔支架設(shè)計方法被提了出來。最初提出的是基于周期性孔單元排列的多孔支架設(shè)計方法,該方法過程往往復(fù)雜、設(shè)計繁瑣、耗費(fèi)時間,即使有學(xué)者提出參數(shù)化建模和自動化裝配的算法來提高設(shè)計效率,但是所建立的多孔模型僅僅具有表面形態(tài)特征,內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)單一且與真正的骨組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定的差距�；谶@種問題,在前人研究的基礎(chǔ)上,通過三周期極小曲面（Triply Periodic Minimal Surface,TPMS）的造型特點(diǎn),提出了具有創(chuàng)新性的骨組織梯度多孔支架參數(shù)化設(shè)計方法,這種連續(xù)性的梯度變化使得多孔支架的生物和機(jī)械性能更加具有規(guī)律性;同時,提出常規(guī)梯度多孔支架參數(shù)化設(shè)計方法,這使得計算效率高,可生成結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的多孔支架。論文主要從以下幾個方面展開的工作:首先,利用MC算法重建TPMS曲面,每種隱式曲面可生成兩種孔單元,成型孔單元庫,定義孔單元孔隙率,探究單元閾值與其孔隙率的關(guān)系,最后在此基礎(chǔ)上提出TPMS均質(zhì)多孔支架參數(shù)... 

【文章來源】：武漢理工大學(xué)湖北省211工程院校教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：87 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

P單元1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與閾值變化(a)C=-0.7，(b)C=0，(c)C=0.7；D單元1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與周期變化(d)T=1，(e)T=2，(f)T=4

15均質(zhì)多孔支架設(shè)計對于骨組織TPMS均質(zhì)多孔支架設(shè)計而言，單元類型、周期、閾值都保持不變，如下圖2-4所示以G_單元1為例闡述該設(shè)計方法，輸入的參數(shù)為閾值C=0，周期T=1，設(shè)定MC算法采樣點(diǎn)間距為res=0.02，由上式可知孔隙率與閾值呈線性相關(guān)，可視為同一個參數(shù)輸入，此處可得到孔隙率約為50.23%的多孔結(jié)構(gòu)模型，其定義如下。下文中若沒有特殊說明則使用的都是TPMS單元1類型。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]}圖2-4均質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)a：正視圖，b：軸測圖在實際應(yīng)用中，骨組織多孔支架的外形設(shè)計除了使用骨組織精準(zhǔn)解剖外形外，還會使用人工設(shè)計的模型結(jié)構(gòu)，在骨置換領(lǐng)域，后者其實更為普遍的，由于二者幾乎一樣，故本文僅以骨組織精準(zhǔn)解剖外形來闡述多孔支架設(shè)計算法。為了得到骨組織精準(zhǔn)解剖外形下的TPMS均質(zhì)多孔支架，存在兩種設(shè)計方法，方法一是求解骨組織模型的OBB包圍盒，在該OBB中進(jìn)行TPMS多孔結(jié)構(gòu)的求解，最后將TPMS多孔結(jié)構(gòu)與骨組織模型進(jìn)行布爾求交即可得到最終的均質(zhì)多孔支架；方法二是直接在骨組織模型中進(jìn)行TPMS多孔結(jié)構(gòu)的求解，然后運(yùn)用拉普拉斯光順?biāo)惴▽Χ嗫字Ъ苓M(jìn)行表面光順，該方法減少了布爾運(yùn)算的操作。上述兩種方法利用MC算法求解TPMS多孔結(jié)構(gòu)中，首要的任務(wù)是判斷采樣點(diǎn)Pi與OBBbone或者Bone_mesh的拓?fù)湮恢藐P(guān)系，實際上也是判斷采樣點(diǎn)Pi與空間中復(fù)雜多面體之間的拓?fù)湮恢藐P(guān)系，目前最主要的判斷方法有射線法、叉積判斷法、角度和法、體積法等，本文主要依照文獻(xiàn)[53-56]來進(jìn)行判斷，且在下文中也會涉及到該算法的使用，在此不做過多的研究。以下圖2-5為骨組織TPMS均質(zhì)多孔支架參數(shù)化設(shè)計算法流程圖，其中主要的參數(shù)輸入為TPMS單元類型、

16閾值（或者孔隙率）、周期、MC采樣分辨率。圖2-5骨組織TPMS均質(zhì)多孔支架參數(shù)化設(shè)計算法本章小結(jié)本章首先利用TPMS曲面設(shè)計孔單元，并成型為孔單元庫，為下文的參數(shù)化設(shè)計算法提供重要參數(shù)輸入；而后著重研究了四種常規(guī)TPMS孔單元的閾值和周期對其孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)了閾值與其孔隙率基本呈線性相關(guān)，并得到擬合函數(shù)曲線，周期與孔隙率基本無關(guān)，但周期與孔徑相關(guān)，因此將閾值與周期作為后文參數(shù)化設(shè)計算法的重要參數(shù)輸入；最后在此基礎(chǔ)上提出了基于骨組織的TPMS均質(zhì)多孔支架參數(shù)化設(shè)計算法，算法可生成任意外形的TPMS多孔支架。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3614430