颅骨组织工程Mosaic结构血管网参数化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种颅骨组织工程Mosaic结构血管网参数化设计方法，包括步骤一、板障静脉血管特征提取，颅骨模型重建后，通过模型预处理，比较空腔结构半径大小，区分出多孔结构与静脉血管结构，然后，提取板障静脉血管特征，所述板障静脉血管特征包括拓扑特征和几何特征，所述拓扑特征反映血管在空间中的分布，所述几何特征包括血管分支角度和血管半径；步骤二、血管结构参数化模型设计，首先，Mosaic结构参数化设计，然后，定义血管路径；最后生成具有多级特征的参数化血管模型。本发明专利技术中，通过调整Mosaic结构参数，可以调整血管网疏密程度，并可针对某一区域进行血管结构调整。能使血管均匀、充分地分布在设定空间中，作为颅骨血管支架是可行的。

【技术实现步骤摘要】
颅骨组织工程Mosaic结构血管网参数化设计方法
本专利技术属于组织工程
，本专利技术涉及一种颅骨组织工程Mosaic结构(马赛克结构)血管网参数化设计方法。
技术介绍
骨组织工程技术研制出的具有生命活性的人工骨替代物，可对损伤的颅骨组织进行修复和重建，从而维持或改善颅骨的功能和结构，在临床上具有很好的应用前景。但在颅骨多孔支架的体外细胞整合研究中，发现骨细胞的存活率低，成骨缓慢，特别是对大面积支架，在植入的第1周中心处就有大量的细胞死亡，其主要原因是未在支架中考虑血管化问题，支架中没有血管结构，细胞的供血和供氧受到限制，以致骨细胞不能深入支架内部，造成成骨能力下降。解剖学研究表明，在颅骨外板和内板中间的板障空间中存在有血管组织，称为板障静脉。因此，为了给骨细胞生存提供充足的营养物质和氧气，理想的颅骨支架应具有与天然板障静脉相似的血管结构，才能实现血液与代谢物的传输，从而提高细胞存活率。对于血管结构，现有研究大多数是针对人体软组织部位，例如肺部血管、肝脏血管。而颅骨板障静脉，由于它所处的位置特殊，形态复杂，尺度微小，目前还没有研究人员进行该组织血管的设计工作。具有血管结构的颅骨支架对细胞的生长很重要，为此本专利技术通过显微CT扫描天然颅骨样本，重建板障中的静脉血管结构，提取静脉血管空间结构、分叉、管径等形态特征，据此建立血管的参数化模型，可快速、灵活地对血管的结构进行设计，使其适用于任意大小的支架，可为颅骨组织工程支架血管化的实现奠定基础。
技术实现思路
针对颅骨组织工程支架由于缺乏血管结构从而限制了细胞的生长及成骨量的形成等问题，提出了一种基于人体颅骨板障静脉血管特征的Mosaic结构血管网参数化设计方法。本专利技术提出的一种颅骨组织工程Mosaic结构血管网参数化设计方法，包括以下步骤：步骤一、板障静脉血管特征提取，包括：1-1)颅骨模型重建，对一颅骨样本进行显微CT扫描；采用三维可视化软件Avizo对扫描数据进行颅骨模型三维重建；对该颅骨模型采用阈值分割，提取板障中的空腔结构，该空腔结构至少包括骨组织间的孔洞和静脉血管；1-2)模型预处理，比较空腔结构半径大小，区分出多孔结构与静脉血管结构；采用Avizo软件提取所述空腔结构的中心线，进而计算统计出自该中心线到空腔结构边界的距离ri即半径，在所述空腔结构中，将ri＜0.4mm的结构定义为多孔结构，将ri≥0.4mm的结构为静脉血管结构；按照静脉血管结构半径ri的不同将血管结构分为1～4级，自1级血管结构至4级血管结构依次为高级血管结构至低级血管结构；所述静脉血管结构对应的中心线为板障静脉血管中心线；1-3)提取板障静脉血管特征，所述板障静脉血管特征包括拓扑特征和几何特征，所述拓扑特征反映血管在空间中的分布，所述几何特征包括血管分支角度和血管半径；其中：提取拓扑特征的过程是：将板障静脉血管中心线投影到血管网具有最大投影面积的平面，进行曲线直线化处理后，在该投影中，低级别的静脉血管结构镶嵌在高级别的静脉结构中，且所述静脉血管结构在投影区域内均为封闭多边形，将该封闭多边形定义为Mosaic结构；Mosaic结构的面积范围为0.3～1256mm2；提取几何特征的过程是：通过抽样统计得出血管分支角度α＝80°～100°；血管横截面内接圆半径ri的范围为0.4～1.3mm，所述血管横截面内接圆半径ri即为血管半径；步骤二、血管结构参数化模型设计，包括：2-1)Mosaic结构参数化设计，设：颅骨空间大小为X＝a×b×c，依据步骤1-3)中板障静脉血管特征，在平面区域大小为a×b内利用power图生成第一级Mosaic结构参数化模型；其中power图中控制圆的面积大小和比例与步骤1-3)中Mosaic结构的面积大小和所占比例一致；在第一级Mosaic结构参数化模型的每个Mosaic结构中再利用power图生成第二级Mosaic结构，直至生成最高4级相互嵌套的Mosaic结构；对上述Mosaic结构参数化模型进行干涉判断，即，当两节点间距离小于1.2倍血管半径时，则认为生成的新节点为干涉点，将其删除；2-2)血管路径的定义，内容如下：①三维Mosaic结构的生成：采用分层逼近法将步骤2-1)获得的Mosaic结构参数化模型转换为三维空间结构，即为三维Mosaic结构；过程是：以Mosaic结构参数化模型所在平面P的中心点Oc为圆心，在所述平面P的垂直方向做nc个同心圆，设定相邻同心圆之间的半径差为zc；根据颅骨样本空间弯曲曲率Rc，平面区域大小a×b，则半径差zc为：对位于半径最小的同心圆内的节点，在范围[0,zc]内随机赋予Z坐标；自半径最小至半径最大的同心圆内的节点，分别在范围[zc,2×zc]，[zc,3×zc]，……，[zc,nc×zc]中随机赋予Z坐标；同时保证X,Y坐标相同的节点，Z坐标也保持相同，从而完成了Mosaic结构从二维到三维的转换；②血管路径生成：将上述得到的三维Mosaic结构的顶点定义为血管节点，将拟定的血流流向定义为血流矢量vci，将处于边界的血管节点作为血管起始点；定义当前节点指向下一节点的矢量为va-b，依据血流矢量vci与矢量va-b的最小夹角确定下一节点，依次生成血管路径；③血管中心线参数化模型建立：通过B样条曲线对上述生成的血管路径进行拟合，定义拟合曲线中第一点为起始点，最后一点为末端点，若拟合曲线起始点位于高一级血管路径上，则保证拟合曲线起始点切矢与高一级血管路径夹角在80°～100°之间，且除端点之外的其它节点均满足二阶连续可导，即得血管中心线参数化模型；2-3)参数化血管模型生成，结合上述建立的血管中心线参数化模型以及步骤1-3)中提取的几何特征，并采用三维制图软件对各级血管进行批量扫掠，完成各级血管求和布尔运算后根据设定的血管壁厚进行抽壳操作，即可生成具有多级特征的参数化血管模型。进一步讲，在步骤1-2)模型预处理中，按照静脉血管结构半径ri的不同将血管结构分为如下4级：本专利技术中，所述颅骨空间尺寸X＝a×b×c＝100mm×100mm×3mm，空间曲率半径Rc为125mm。血管壁厚与血管半径之比为相对厚度，取值范围为0.04～0.1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：为了验证本专利技术方法的可行性，以血管空间尺寸X＝100mm×100mm×3mm为例，构建两组不同参数的血管实例，来评价本专利技术的效果。实例一：具有四级血管结构的血管网参数取值如表1所示，设计结果如图1(a)和图1(b)所示。该模型中主血管体积为1074mm3，血管总体积为2877mm3，该空间内血管密度为1.6％。表1血管设计参数实例二：为了表明Mosaic结构面积S大小对血管网形态的影响，在合理范围内将S减小至8mm2-1700mm2，其他参数如实例一保持不变，设计结果如图1(c)和图1(d)所示。实例二中血管总体积为4270mm3，空间内血管密度为2.1％。由上述两实例可看出，两组参数所得到的血管网分布均匀，小血管也都能充分地填充主血管之间的空隙，有效地提高了空间中的血管密度。通过调整Mosaic结构参数，可以调整血管网疏密程度，并可针对某一区域进行血管结构调整。由此可见，该Mosaic结构血管网参数化设计方法能使血管均匀、充分地分布在设定空间中，作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种颅骨组织工程Mosaic结构血管网参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、板障静脉血管特征提取，包括：1‑1)颅骨模型重建，对一颅骨样本进行显微CT扫描；采用三维可视化软件Avizo对扫描数据进行颅骨模型三维重建；对该颅骨模型采用阈值分割，提取板障中的空腔结构，该空腔结构至少包括骨组织间的孔洞和静脉血管；1‑2)模型预处理，比较空腔结构半径大小，区分出多孔结构与静脉血管结构；采用Avizo软件提取所述空腔结构的中心线，进而计算统计出自该中心线到空腔结构边界的距离ri即半径，在所述空腔结构中，将ri＜0.4mm的结构定义为多孔结构，将ri≥0.4mm的结构为静脉血管结构；按照静脉血管结构半径ri的不同将血管结构分为1～4级，自1级血管结构至4级血管结构依次为高级血管结构至低级血管结构；所述静脉血管结构对应的中心线为板障静脉血管中心线；1‑3)提取板障静脉血管特征，所述板障静脉血管特征包括拓扑特征和几何特征，所述拓扑特征反映血管在空间中的分布，所述几何特征包括血管分支角度和血管半径；其中：提取拓扑特征的过程是：将板障静脉血管中心线投影到血管网具有最大投影面积的平面，进行曲线直线化处理后，在该投影中，低级别的静脉血管结构镶嵌在高级别的静脉结构中，且所述静脉血管结构在投影区域内均为封闭多边形，将该封闭多边形定义为Mosaic结构；Mosaic结构的面积范围为0.3～1256mm2；提取几何特征的过程是：通过抽样统计得出血管分支角度α＝80°～100°；血管横截面内接圆半径ri的范围为0.4～1.3mm，所述血管横截面内接圆半径ri即为血管半径；步骤二、血管结构参数化模型设计，包括：2‑1)Mosaic结构参数化设计，设：颅骨空间大小为X＝a×b×c，依据步骤1‑3)中板障静脉血管特征，在平面区域大小为a×b内利用power图生成第一级Mosaic结构参数化模型；其中power图中控制圆的面积大小和比例与步骤1‑3)中Mosaic结构的面积大小和所占比例一致；在第一级Mosaic结构参数化模型的每个Mosaic结构中再利用power图生成第二级Mosaic结构，直至生成最高4级相互嵌套的Mosaic结构；对上述Mosaic结构参数化模型进行干涉判断，即，当两节点间距离小于1.2倍血管半径时，则认为生成的新节点为干涉点，将其删除；2‑2)血管路径的定义，内容如下：①三维Mosaic结构的生成：采用分层逼近法将步骤2‑1)获得的Mosaic结构参数化模型转换为三维空间结构，即为三维Mosaic结构；过程是：以Mosaic结构参数化模型所在平面P的中心点Oc为圆心，在所述平面P的垂直方向做nc个同心圆，设定相邻同心圆之间的半径差为zc；根据颅骨样本空间弯曲曲率Rc，平面区域大小a×b，则半径差zc为：...

【技术特征摘要】
1.一种颅骨组织工程Mosaic结构血管网参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、板障静脉血管特征提取，包括：1-1)颅骨模型重建，对一颅骨样本进行显微CT扫描；采用三维可视化软件Avizo对扫描数据进行颅骨模型三维重建；对该颅骨模型采用阈值分割，提取板障中的空腔结构，该空腔结构至少包括骨组织间的孔洞和静脉血管；1-2)模型预处理，比较空腔结构半径大小，区分出多孔结构与静脉血管结构；采用Avizo软件提取所述空腔结构的中心线，进而计算统计出自该中心线到空腔结构边界的距离ri即半径，在所述空腔结构中，将ri＜0.4mm的结构定义为多孔结构，将ri≥0.4mm的结构为静脉血管结构；按照静脉血管结构半径ri的不同将血管结构分为1～4级，自1级血管结构至4级血管结构依次为高级血管结构至低级血管结构；所述静脉血管结构对应的中心线为板障静脉血管中心线；1-3)提取板障静脉血管特征，所述板障静脉血管特征包括拓扑特征和几何特征，所述拓扑特征反映血管在空间中的分布，所述几何特征包括血管分支角度和血管半径；其中：提取拓扑特征的过程是：将板障静脉血管中心线投影到血管网具有最大投影面积的平面，进行曲线直线化处理后，在该投影中，低级别的静脉血管结构镶嵌在高级别的静脉结构中，且所述静脉血管结构在投影区域内均为封闭多边形，将该封闭多边形定义为Mosaic结构；Mosaic结构的面积范围为0.3～1256mm2；提取几何特征的过程是：通过抽样统计得出血管分支角度α＝80°～100°；血管横截面内接圆半径ri的范围为0.4～1.3mm，所述血管横截面内接圆半径ri即为血管半径；步骤二、血管结构参数化模型设计，包括：2-1)Mosaic结构参数化设计，设：颅骨空间大小为X＝a×b×c，依据步骤1-3)中板障静脉血管特征，在平面区域大小为a×b内利用power图生成第一级Mosaic结构参数化模型；其中power图中控制圆的面积大小和比例与步骤1-3)中Mosaic结构的面积大小和所占比例一致；在第一级Mosaic结构参数化模型的每个Mosaic结构中再利用power图生成第二级Mosaic结构，直至生成最高4级相互嵌套的Mosaic结构；对上述Mosaic结构参数化模型进行干涉判断，即，当两节点间距离小于1.2倍血管半径时，则认为生成的新节点为干涉点，将其...

【专利技术属性】
技术研发人员：亓剑，郑淑贤，李佳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12