一种基于tpms设计个性化医用下颌骨模型的建模方法
阅读说明：本技术 一种基于tpms设计个性化医用下颌骨模型的建模方法 (Modeling method for designing personalized medical mandible model based on TPMS ) 是由 王心彧 宿玉成 秦欣玉 宋颐函 郑晓晓 孙子惠 于 2021-09-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于TPMS设计个性化医用下颌骨模型的建模方法,包括：数据提取；逆向建模；布尔运算。根据患者真实的待修复下颌骨的影像数据,阈值分离出待修复下颌骨,经网格化处理后进行逆向建模,得到对应的实体模型；将其于TPMS中典型的Gyriod结构进行布尔运算,得出Gyriod结构的仿生骨支架,再将其髁状突实心化,为了便于后续3D打印支撑的去除,也增强了待修复下颌骨下缘处的强度,设计紧贴多孔下颌骨下缘的预设厚度薄片。该建模方法以TPMS结构作为单胞,对待修复下颌骨进行多孔设计,从而将TPMS结构优良的力学性能和生物学性能与骨支架有机的结合起来,可成为临床上有效的骨支架设计。(The invention discloses a modeling method for designing an individualized medical mandible model based on TPMS, which comprises the following steps: extracting data; reverse modeling; and performing Boolean operation. Separating the mandible to be repaired by a threshold value according to the real image data of the mandible to be repaired of the patient, and carrying out reverse modeling after gridding treatment to obtain a corresponding solid model; boolean operation is carried out on a typical Gyriod structure in TPMS to obtain a bionic bone scaffold with the Gyriod structure, the condyloid process of the bionic bone scaffold is solidified, the strength of the lower edge of the mandible to be repaired is enhanced for removing subsequent 3D printing support, and a preset thickness sheet tightly attached to the lower edge of the porous mandible is designed. According to the modeling method, the TPMS structure is used as a unit cell, and the mandible to be repaired is subjected to porous design, so that the excellent mechanical property and biological property of the TPMS structure are organically combined with the bone scaffold, and the TPMS can become a clinically effective bone scaffold design.)
技术领域
本发明涉及医用假体技术领域，尤其涉及植入性修复体技术领域，特别涉及一种基于TPMS设计个性化医用下颌骨模型的建模方法。
背景技术
医用假体缺损后的修复重建一直医学外科领域的研究热点，比如人工全髋关节、人工颅骨、下颌骨等；以下颌骨修复重建为例是口腔颌面外科的研究热点，不仅要恢复医用假体的形态和面部轮廓，更重要的是恢复医用假体的生理功能。在医用假体缺损的修复重建中当前仍主要依靠骨移植，自体骨移植的应用历史悠久，迄今仍然在临床普遍采用，被认为是目前修复小段骨缺损最好的方法；其次在口腔内非血管化的自体块状骨移植也很多见，另外还有带血管蒂的自体骨移植也可修复医用假体缺损，但其手术损伤较大。
因此寻求自然骨的仿生替代物用于骨移植是目前普遍认为的更为理想的治疗方法。
近年来，学者们发现一些多孔金属如多孔钛、多孔镍钛等是人体骨的理想替代，多孔结构能有效地促进骨长入和骨结合，随着增材制造技术的发展，涌现出了一些关于多孔医用假体假体的设计。
相关技术中，三周期极小化曲面(Triply Periodic Minimal Surface,TPMS)是一种三维空间的三个独立方向均呈现出周期性的曲面，具有平均曲率为零的特点(又称极小化周期曲面)。TPMS能够在三个周期方向上进行无限扩展,提供了一种精确描述自然和人造世界里各种物理结构的模型，尤其可实现多孔结构的数字化表示。极小化曲面几何形状结构普遍存在于自然界中，如甲壳虫、蝴蝶羽翼和动物的骨骼等。
因此，如何将相关技术TPMS，应用于设计医用假体方面，成为一项全新突破，且如何克服或优化上述现有技术中医用假体缺损后的修复重建问题，同行从业人员亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种基于TPMS设计个性化医用下颌骨模型的建模方法，以TPMS结构作为单胞，对医用假体进行多孔设计，从而将TPMS结构优良的力学性能和生物学性能与骨支架有机的结合起来，有望作为临床上有效的骨支架设计，为支架的临床建模设计提供一种选择方法；可避免传统的修复医用假体缺损其手术损伤较大的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明实施例提供一种基于TPMS设计个性化医用下颌骨模型的建模方法，包括：
S10、获取患者对应的待修复下颌骨的影像数据，初步提取所述待修复下颌骨区域的模型；
S20、根据所述待修复下颌骨区域的模型，进行逆向建模，得到对应的实体模型；
S30、将所述实体模型进行合适单胞尺寸、孔隙率、网格精度的选择，以获得Gyriod结构的仿生骨支架；
S40、将两个所述实体模型分别设置不同的坐标系，进行布尔运算交集，得到预设厚度的待修复下颌骨薄片；
S50、设计实心髁状突结构及Gyriod结构的剩余待修复下颌骨部分，进行合并，得出个性化Gyriod结构的待修复下颌骨的仿生支架；
S60、将所述待修复下颌骨薄片、待修复下颌骨的仿生支架，进行拟合处理，获得所述患者对应的个性化医用下颌骨模型。
进一步地，所述S20步骤，包括：
将所述待修复下颌骨区域的模型，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片操作进行逆向建模，得到STL格式的实体模型。
进一步地，所述S30步骤，包括：
将所述实体模型导入到基于Matlab设计的LatticelT中，进行合适单胞尺寸、孔隙率、网格精度的选择，并与步骤S20的实体模型拟合，导出Gyriod结构的多孔仿生骨支架。
进一步地，所述S40步骤，包括：
将所述S20步骤的实体模型，设置空间坐标系为(0,0,0)，作为第一模型；
将所述S20步骤的实体模型，设置空间坐标系为(0,0,z)，作为第二模型；
将所述第一模型和第二模型进行布尔运算交集，得到待修复下颌骨残片；
对所述待修复下颌骨残片进行平滑处理，得到厚度为z的所述待修复下颌骨残片。
进一步地，所述步骤S50包括：
设置立方体，对比髁状突尺寸，延至乙状切迹，将其与所述S20步骤中所述实体模型进行布尔运算，导出实心髁状突结构；
再次设置立方体，对比髁状突尺寸，延至乙状切迹，将其与所述S30步骤中Gyriod结构的仿生骨支架进行布尔运算，导出Gyriod结构的剩余所述待修复下颌骨部分；
将所述实心髁状突结构与Gyriod结构的剩余所述待修复下颌骨部分，进行合并，得出个性化Gyriod结构的待修复下颌骨的仿生支架。
进一步地，所述S60步骤包括：
将所述S40步骤的待修复下颌骨薄片与S50步骤待修复下颌骨的仿生支架统一坐标系，进行合并或布尔运算交集，获得所述患者对应的个性化医用下颌骨模型STL格式文件。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
一种基于TPMS设计个性化医用下颌骨模型的建模方法，包括：数据提取；逆向建模；布尔运算。根据患者真实的待修复下颌骨的影像数据，阈值分离出待修复下颌骨，经网格化处理后进行逆向建模，得到对应的实体模型；将其于TPMS中典型的Gyriod结构进行布尔运算，得出Gyriod结构的仿生骨支架，再将其髁状突实心化，为了便于后续3D打印支撑的去除，也增强了待修复下颌骨下缘处的强度，设计紧贴多孔下颌骨下缘的预设厚度薄片。该建模方法以TPMS结构作为单胞，对待修复下颌骨进行多孔设计，从而将TPMS结构优良的力学性能和生物学性能与骨支架有机的结合起来，有望作为临床上有效的骨支架设计，为支架的临床建模设计提供一种选择方法。另外，该建模方法不仅适用于全下颌骨置换术，也适用于肿瘤囊肿、外伤等术后，区段性下颌骨切除支架设计，并且还能用于全身骨骼的TPMS设计。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于TPMS设计个性化医用下颌骨模型的建模方法流程图。
图2为本发明实施例提供的下颌骨模型建模方法流程图。
图3为本发明实施例提供的下颌骨模型效果图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
相关技术中，TPMS通过数学函数描述支架结构，通过改变其参数可以调整孔隙参数，实现支架的结构和力学性能的改变。TPMS方法生成的连续曲面结构本身便具有良好的拓扑优化性，在激光选区熔融工艺成形过程中能够提供更好的自支撑性。其表面积与体积比非常高，这种高比表面积的TPMS支架有助于增强细胞的粘附、迁移和增殖。许多细胞和生物功能，如离子交换、氧扩散和营养运输都发生在其表面，因此，TPMS支架可以为在其上培养的细胞提供更好的生物学信号。与规则的晶格结构支架相比，具有光滑接头的无限连续的表面确保了更少的应力集中和更高的机械性能。TPMS函数更简易的实现结构参数的变化，克服了传统桁架晶胞结构设计中的缺点，可以自动获得复杂微结构和高质量表面的多孔骨支架数字化模型。
参照图1所示，本发明实施例提供一种基于TPMS设计个性化医用下颌骨模型的建模方法，包括：
S10、获取患者对应的待修复下颌骨的影像数据，初步提取所述待修复下颌骨区域的模型；
S20、根据所述待修复下颌骨区域的模型，进行逆向建模，得到对应的实体模型；
S30、将所述实体模型进行合适单胞尺寸、孔隙率、网格精度的选择，以获得Gyriod结构的仿生骨支架；
S40、将两个所述实体模型分别设置不同的坐标系，进行布尔运算交集，得到预设厚度的待修复下颌骨薄片；
S50、设计实心髁状突结构及Gyriod结构的剩余待修复下颌骨部分，进行合并，得出个性化Gyriod结构的待修复下颌骨的仿生支架；
S60、将所述待修复下颌骨薄片、待修复下颌骨的仿生支架，进行拟合处理，获得所述患者对应的个性化医用下颌骨模型。
其中，该步骤S10中，比如获得患者颌骨的CBCT数据影像数据，可将影像数据比如导入Mimics19.0软件中，进行模型的初步提取。Mimics19.0软件作为医学影像分割处理工具，软件可以帮助用户模仿三维医学的图像，并对其进行快速的分割，从而将患者的图像进行高精度的三模模仿等，内置了MRI、三维超声、MRI等图像的模仿功能。
上述步骤S20中，比如将步骤S10初步提取的模型导入Geomagic Wrap2017软件中，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片操作进行逆向建模，得到STL格式的实体模型。
Geomagic Wrap是Geomagic公司带来的3D模型数据转换应用工具，包含了点云和多边形编辑功能以及强大的造面工具，可根据任何实物零部件通过扫描点云自动生成准确的数字模型。使用Geomagic Wrap将扫描数据和3D文件轻松转换为完美的逆向工程3D模型。
上述步骤S30中，Gyriod结构的处理；将步骤S20中STL格式的实体模型，导入到基于Matlab设计的LatticelT中选择合适的单胞结构、单胞尺寸、孔隙率、网格精度，将二者拟合，导出Gyriod结构的多孔医用假体支架。
上述步骤S40中，薄片的设计；比如在Magics 23.0软件中导入2个步骤S20的实体模型，确定坐标系后进行布尔运算交集，获得一定厚度(比如0.5mm)的待修复下颌骨薄片；
具体地，在STL文件编辑软件比如Magics 23.0软件中，导入步骤S20的实体模型，确定空间坐标系(0,0,0)；再次导入步骤S20的实体模型，确定空间坐标系(0,0,0.5)，两二者进行布尔运算交集，得到待修复下颌骨残片，手动划分不需要的范围比如升支部分进行删除，尽量保留待修复下颌骨下缘的薄片，并对其进行平滑处理，得到0.5mm厚度的待修复下颌骨薄片。
上述步骤S50中，为了避免在医用假体置换术(比如下颌骨置换手术或关节置换术)过程中打开关节下腔后，愈合过程中软组织长入，将髁状突实心化；比如在Magics 23.0软件中，设置立方体，对比髁状突尺寸，延至乙状切迹，将其与步骤S20中实体模型进行布尔运算，导出实心髁状突结构；再按照同理，用该立方体与步骤S30中的Gyriod结构的支架进行布尔运算，导出Gyriod结构的剩余待修复下颌骨部分；将二者进行“合并零件”或者“布尔运算交集”，得出个性化Gyriod结构待修复下颌骨。
步骤S60中，拟合数据，将步骤S40的待修复下颌骨薄片、步骤S50的待修复下颌骨的仿生支架，统一坐标系后进行进行“合并零件”或者“布尔运算交集”，获得所述患者对应的待修复下颌骨的个性化医用假体模型，导出最终STL格式文件。
本发明实施例提供的基于TPMS设计的个性化医用假体模型的建模方法，首次设计出基于TPMS的医用假体模型，这种医用假体模型对比传统建模方式具有以下优点：①TPMS函数更简易的实现结构参数的变化，克服了传统桁架晶胞结构设计中的缺点，可以自动获得复杂微结构和高质量表面的多孔骨支架数字化模型。②与规则的晶格结构支架相比，具有光滑接头的无限连续的表面确保了更少的应力集中和更高的机械性能，并且还具有良好的拓扑优化性，在打印过程中提供了自支撑性。③高比表面积的TPMS支架有助于增强细胞的粘附、迁移和增殖，为在其上培养的细胞提供更好的生物学信号。④多孔结构的设计降低了弹性模量，减少了应力屏蔽。
下面以患者所需下颌骨医用假体建模为例进行详细说明：
参照图2所示，为下颌骨模型建模方法流程图，图中，NX端截骨是指，如不整个下颌骨置换，只需要置换一部分，则可以在NX软件中，对感兴趣的区域进行截骨设计。具体步骤包括：
1)取一名患者CBCT数据导入Mimics19.0软件中，进行阈值分割，单独提取出其下颌骨的数据，获得下颌骨三角面片模型。
2)将经过Mimics19.0软件初步提取的下颌骨导入Geomagic Wrap 2017软件中，经平滑去噪、编辑轮廓线、构造曲面片、拟合曲面片操作进行逆向建模，得到STL格式的实体模型。如不整个下颌骨置换，只需要置换一部分，则可以在NX软件中，对感兴趣的区域进行截骨设计后导出。
3)以Gyriod结构的处理，将实体模型，导入到基于Matlab设计的LatticelT中选择Gyriod结构充填、单胞尺寸6mm、孔隙率65％、网格精度30，将二者拟合，导出Gyriod结构的多孔下颌骨支架。
4)为了避免在3D打印过程中Gyriod下颌骨结构因为没有支撑设计引起翘起变形、支撑进入多孔结构里影响产品质量、后续支撑的方便去除、以及增强下颌骨下缘的强度，设计下颌骨薄片。在Magics 23.0软件中，导入步骤2)下颌骨实体模型，确定空间坐标系(0,0,0)；再次导入步骤2)下颌骨实体模型，确定空间坐标系(0,0,0.5)，两二者进行布尔运算交集，得到下颌骨残片，手动划分不需要的范围比如升支部分进行删除，尽量保留下颌骨下缘的薄片，并对其进行平滑处理，得到0.5mm厚度的下颌骨薄片；
5)为了避免在下颌骨置换手术过程中打开关节下腔后，愈合过程中软组织长入，将髁状突实心化。在Magics 23.0软件中，设置立方体，对比髁状突尺寸，延至乙状切迹，将其与步骤2)中实心下颌骨(实体模型)进行布尔运算，导出实心髁状突结构；再按照同理，用该立方体与步骤3)中的Gyriod结构的支架进行布尔运算，导出Gyriod结构的剩余下颌骨部分统一坐标系，将二者进行“合并零件”或者“布尔运算交集”，得出个性化Gyriod结构下颌骨；
6)拟合数据，将上述下颌骨薄片以及髁突实心化的gyriod结构下颌骨，统一坐标系后，进行“合并零件”或者“布尔运算交集”，导出最终STL格式文件；参照图3所示。
本发明不仅适用于下颌骨整体或者部分提取，也适用于人体其他部分金属假体的TPMS设计,并且还适用于除了Gyriod结构以外的TPMS结构。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，例如可将该方法运用于全身骨骼的多孔化设计抑或是选择不同的结构的TPMS，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
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