计算机辅助组织工程在组织支架仿生建模和设计中的应用

医用生物力学年月第卷第期,,文章编号一一!一·讲座·计算机辅助组织工程在组织支架仿生建模和设计中的应用孙伟德莱克西大学工程学院机械工程与力学系计算机辅助组织工程研究室,费城,,美国摘要计算机辅助组织工程犯可以帮助进行复杂组织支架的建模,设计和制造,使很多用于改善替代材料力学及生物学性能的新方法得以实施。通过获取组织的生物学、生物力学及生物化学信息,进行界面的设计、模拟和组织的制作。本文将讲述在骨组织工程支架仿生设计中的应用介绍运用进行仿生建模,解剖结构重建,组织支架设计,定量分析,有限元分析和支架的自由挤压沉积制作。关键词计算机辅助设计计算机辅助组织工程组织工程骨组织支架组织支架设计中图分类号文献标识码刚。砂呷以嗯叩以卿嗒口刀冠,、动苏风,一,,!一一,,!∀∀#∃∀%&∋(∃∋可tointerfaeedesi即,simulationandtissuefabrieation.ThispaperpresentsastudyofaPplyingCATEapproaehforthebiomimetiedesignofbonetissueseal狡,ld.AgeneralCATE一basedProeessforbiomimetiemodeling,anatomiereeonstruetion,CADmodelbasedtissuescallblddesign,quantitativeeomputedtomograPhyeharaeterization,fi-niteelementanalysisandfreeformextrudingdepositionforfabrieationofsea月bld15Presented.Keywords:Computer一aidedtissueengineering;Tissueengineering;Boneseaffeld;Tissueseaff(〕lddesign:Computeraideddisign(CAD)计算机辅助组织工程(CATE)是一个新兴的研究领域,它主要分三个方面:(l)计算机辅助组织建模;(2)计算机辅助组织信息采集、分析;(3)计算机辅助组织支架设计、制造[1,2]。通过使用CATE我们可以探索许多新的设计、制作方法以改善组织工程支架的各种性能。特别对于结构复杂的骨组织支架,在设计时要同时考虑生物学及生物力学两方面的性能,如支架的孔隙率、孔径及孔隙间的相通性,这是细胞生长及周围骨组织长人的前提;负重部位支架的力学强度,降解速度,以保证在负重的同时,伴随新骨的长入支架可以同步降解[3-Fl。因此,无论从生物学还是在力学角度,支架的制作都是一个非常复杂的过程,应尽可能模仿天然骨结构来制作。CATE的核心就是在计算机的辅助下建立一个可以体现相关组织生物学、生物力学及生物化学信息的组织模型。生物学家和工程师可以通过这种模型合作设计、制作组织支架。本文重点介绍了使用非侵人影像收稿日期:2004一12一06作者简介:孙伟,男,机械工程学博士,副教授,现供职于美国德莱克西大学机械工程与力学系,计算机辅助组织工程研究室主任通讯作者:PJ\伟,3141ChestnutStreet,philadelphia,PA1904,UsA215一895一5810:E一mail:sunwei@drexel·edu医用生物力学2005年12月第20卷第4期JoumalofMediealBiomeehanies,Vol.20No.4,Deeember2005学方法进行CATE建模,三维重建,计算机辅助的组织信息转化、处理,组织支架的设计、制作及在三维器官印刷中的应用。目的是讨论CATE在骨组织支架仿生设计中的应用。在“基于CATE的骨组织支架仿生建模”一节中,将介绍仿生建模在非均质骨结构中的应用,定量CT对于骨组织特性的描述及几种运用计算机辅助设计(CAD)进行非均质组织建模的方法。在“骨组织支架和代表性单位晶格”一节中,将介绍代表性单位晶格的设计、分析和应用。在“组织支架的自由制作”中将介绍组织支架的制作计划及挤压沉积方法。1基于CA丁E的骨组织支架仿生建模骨组织支架在生物学、力学及几何形态上必须具备以下特点:(l)要便于细胞的粘附和扩散,便于再生组织的长人和营养因子及信号的传输。通过选择生物相容好的材料并控制材料的孔隙率,孔隙间的相通性可以满足上述要求;(2)要具备足够的强度和硬度;(3)几何形态要合适l6-8]。首先采集和处理待重建组织的影像学信息,然后根据这些信息运用医学重建和反求软件(MIMICS[0】和Geomagicllo])重建组织的三维结构。再通过均化技术表现组织的非均质性,明确组织的解剖特点,以便于用CAD(Pro/ENGINEER[l’])技术构建单位晶格。对构建好的单位晶格行有限元分析(ABAQUSllz]),并与定量CT测得的被替代组织的力学性能相比较,从中筛选出符合条件的单位晶格。再根据单位晶格的内部结构和所要求的生物学条件进行二次筛选。将筛选出的单位晶格按照内部结构和力学特性通过基于CAD实体建模的Boolean手术替代与其对应的骨组织,形成整体支架的设计。一旦整个骨组织支架结构的CAD数据库建立,即可运用实体一自由一制造技术构建组织支架。图1描述了基于CATE的仿生建模及支架设计的全过程。Fig.1overallProceduresofmodelinganddesignofbiomimeticbonescanbld第一步影像学信息采集:对68mm长的股骨近端行CT扫描,层厚2mm。扫描层面按上下、前后的顺序输人MIMICS软件中。第二步分割和特征化处理:MIMICS根据输人的信息,制作骨的三维模型,并建立合适的阐值范围,以便尽可能多地捕捉股骨的相关信息。在阂值范围内的所有像素被覆一种有色障板(Cdourmask),分割处理即通过软件内的这种区域被覆技术完成。有两种分割方法,其目的各不相同。一种是整个股骨近端包括在一孙伟.计算机辅助组织工程在组织支架仿生建模和设计中的应用SUNWei.C二Putera记edtissue即gine雨ng:apPlieationtobiomimetiemodelinganddeoignoftissueseal五〕ld249个闽值范围内,被覆一种有色障板。因此可以获得整个结构的平均阂值。该平均值与定量CT值相关。关系式如下:QCT#=初始值一1024另一种称为均化技术,即将股骨近端分层,每层有一个平均QCT值。不同的节段被覆不同的有色障板。层厚大约romm,总共7层。QCT值的不同表明了组织结构的非均质性(图2)。通过内插法可以建立QCT值与骨密度的关系式,再根据骨密度与弹性模量的关系式,可以求出骨的非均质弹性模量。关系式如下【13.14]:若QCTsl6:p=l.gxlo刁QCT+0.105E二0.06+0.9P2若QCT816:p=7.69xl0件1.028E=O.09P7A骨结构的非均质性即通过杨氏模量表示,结果见表1。最后一行QCT值为整体结构的平均值。E值基本上在0.5一l.SGPa之间,与公认的松质骨E值范围一致。应当注意的是,按这种方法计算时,并没有将每一层的松质骨与皮质骨分开,因此,求得的值可能略偏高。图之通过匕!侧得的半均UUI值Fig.2AverageQCTvalvesmeasuredfromCT骨空间非均质性:7层模型BonesPatialheterogeneity一7layermodelQCT#密度(岁cm勺E(MPa)l234567整个骨1.48821.25071.01510.83650.81560.84600.78711.00562053146798769065870461797000八JO了一、’40QZ4C†,产只U,JO产”、„,者7zD4,、”,、飞†,j月冲第三步制作CAD模型:一旦获取了骨的结构特征,即需建立一个完整的CAD数据库。在完成三维重建后,我们通过三种不同的界面完成了基于CAD的组织建模。这三种界面是:(1)MedCAD界面(通过MIM-ICS内的医学影像数据建立的直接界面[0]);(2)反求界面(使用Geomagic完成从点到线,从线到面最后到体的重建过程[I’]);(3)立体平板印刷(STL)界面(使用来自MIMICS的STL)。三种处理的流程见图3。界面1:MedCAD界面这种界面在医学影像学与CAD设计软件之间起到一种桥梁作用,可以实现影像学系统与CAD系统之间的数据传换。用于建模的IGES(CAD文件转换格式)被输入CAD中,然后再以STL格式从CAD输入到MedCAD系统中。使用这种方法不能将骨的所有影像学信息输入到CAD系统中。只将骨的基本特征以圆柱、球面等几何形态的方式表现出来。界面2:反求界面反求法可能是目前最好的建模方法,它是一种基于“点”的数据输人法。三维体素数据信息被转化为点数据形式,然后“点”数据被输人到反求软件(如GeomagiC)中,反求软件用这些“点”进行表面重建和加工。因此这种方法尽管较为耗时,但效果更好。过程如图4所示。界面3:STL界面三维体素模型也可以以STL的格式输人到GeomagicS软件中进行表面处理。与“点”数据法不同的是它以三角形式输人。尽管耗时短,但只能用于某些表面的重建。图5显示了用三种方法获得的CAD模型。用STL法获得的CAD模型形态较差。用反求法获得的模型准确,光滑,而且股骨近端7层重建的CAD文件仅roMB(见图5)。各种方法的比较见表2。2骨组织支架和组织代表性单位晶格的设计带有不同孔隙和内部结构的单位晶格具有不同的力学和生物学性能。单位晶格中每一个基元体的要素都模拟被替代组织的微观结构,通过这些要素的组合,可形成理想的孔径,孔形及孔隙率。因此,在构建单位晶格时要根据支架的力学及生物学要求,选择合适的要素作为其内部结构,再通过非均质性CAD建模技术医用生物力学2005年12月第20卷第4期JoumalofMediealBiomeehanies,Vol.20No.4,Deeeml〕er20()5MedCAD界面模型轮文职的多线滤波三角骨模型表面光滑简洁化处理表面处理加工以减少最终CAD模型文件的大小以ZGES曲线形式输人多线NURBS补片的滤波一层多线B一样面上的滤波IGES格式每条}CAD模型}图3基于影响学的CAO建模流程图Fig.3Floehartfor加agingbasedCADmodel邵neraU0n图5基于CAO的分层滑结构模型Fig.5CADbasedbonestructuremodel孙伟.计算机辅助组织工程在组织支架仿生建模和设计中的应用SUNWei.Computeraidedtissueengineering:apvlieationtobiomimetiemodelinganddesignoftissueseaffold251表2三程基于CAO三维重建方法的比较TahZe咖阳r七onor3nre七onstruetiveme切。山rorgeneratingeAnba益dremurmode-三维重建方法MedCAD法过程更容易,更迅速,但不适合复杂结构的重建质量反求法耗时长,但在每一个水平上都得到了控制适合复杂结构的重建STL法耗时短,但不适合复杂结构重建;几何图形无法编辑文件大小文件大小:中IGES转换耗时:长IGES:266kBCAD(pr。/ENGINEER):309kB最初始点文件不大,但最终CAD文件可能相对较大point:256kB(均7732个点)IGE:266kBCAD(pro/IMGINEER):298kB初始STL文件大,致使CAD模型的IGES文件也大STL:1.82MBTGES:9.83MBCADCAD(pro/IMGINEER):10.3MB一般Fig.6SamPlesofthedesignedseaffoldunitcells进行构建。图6显示了已构建的基于CAD的单位晶格。图7显示了单位晶格的有限元分析(ABAQUSIJzJ)包括特征性几何参数(图7a),应用的边界条件(图