[发明专利]基于网格装配的多孔结构建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于网格装配的多孔结构建模方法，其适用于医学多孔介质以及活性骨模型的建立。 

背景技术

在人工骨制造方面,科研工作者用人工材料(塑料、金属、陶瓷等)制造成的替代骨植入人体,这种方法可以解决大块缺损骨的修复问题。人工活性骨的内部微细结构建模是快速成形技术制造人工活性骨的一个重要环节。人工活性骨的内部微细结构是一个多孔的结构,有较大的表面积与孔体积。它不仅考虑了微孔的大小、分布,而且还考虑了微孔的形状、结构,孔与孔的连通性，比较充分地体现了骨内部微细结构的特点,从而在结构上保证了人工骨的生物活性。本文利用正向思维建模方法通过实体模型和孔隙模型求布尔运算得到多孔结构模型，所以此建模方式可以分为两个过程，实体模型的构建和孔隙模型的构建。孔隙模型的设计思路是从多孔介质的局部结构通过装配局部特征来构建孔隙的全局特征。首先根据自然界多孔介质模型的局部分形结构来构建孔隙模型，我们设计孔隙单元模型为一个6领域的单元模型，其包含7个椭球体，并且中心椭球与周围6个椭球两两相交，其特征可描述为长轴的方向向量组l=｛l0,l1, l2, l3, l4, l5, l6｝，如图1，从图中可以看出，两个向量的夹角的大小决定了两个孔隙模型的相交面积，并且相交面积表征了多孔介质的连通性。由于骨内部微细结构和空间位置都是随机性的，所以本文采基于半监督学习方法来构建孔隙单元模型样本库， 

从概率上讲能使局部单元模型状态。一个单元模型中七个椭球之间的相交面积可以控制在一定的范围内，能够保证多孔隙结构的孔隙率和连通性。然而单元孔隙模型之间的连通性就无法很好的保证，针对这个问题本文提出了一种单元孔隙模型装配的算法，把多孔介质的局部孔隙模型装配成整体多孔介质模型，从而提高单元孔隙间的相关性。最后利用UG二次开发平台把装配好的参数化模型转化为孔隙实体模型，通过布尔运算得到多孔介质模型。

发明内容

本发明的目的在于针对现有多孔介质建模存在的缺陷，如孔隙结构不是随机的，连通性难以控制，以及孔隙率较低等，提供一种基于网格装配的多孔结构建模方法，该方法采用机器学习来处理数据集，利用迭代优化方法优化整个多孔介质模型，从而实现从局部结构装配成为整体的多孔介质模型。 

为达到上述目的，本发明的构思是： 

1.建模方法的整体框架.利用学习到的关联模型装配任意尺寸的多孔隙结构。为适应不同的单元结构，这个装配步骤被设计成为一个可扩展的框架，如图2，通过设计需求制定好模型的尺寸规模、特征大小及评估标准，然后制定装配策略，对孔隙模型进行装配，最后借助CAD建模系统，构造多孔隙模型。

2.数据结构.为高效地处理空间数据, 必须对数据库建立索引机制以快速存取数据。对于单元孔隙的几何结构可以抽象具有方向的数学索引模型，{Node0（x，y，z），Node1（x+1，y，z），Node2（x-1，y，z），Node3（x，y+1，z），Node4（x，y-1，z），Node5（x，y，z+1），Node6（x，y，z-1）}。单元孔隙模型的几何结构和空间索引结构如图3所示. 

3. 本发明的具体实现过程.为了保证孔隙单元模型间的相关性，网格装配的过程分为以下3个过程，如图4：生成空间网格，建立高维空间查找最近领域的空间索引机制；选择合适的步长对已生成网格进行初始化填充；然后设定好填充机制对整个网格进行完全填充，以实现网格的初步装配。 

(1) 生成空间网格。设计要求模型所需尺寸为N( X *Y *Z),而生成网格时需要实际边界向外扩充一个网格，即为N1 {( X+2) *（Y+2）*（Z+2）}，边界不作为单元模型的中心，故在后面的填充及优化过程时不作为访问的对象。并对每一个正六面体网格体心进行编号，作为填充椭球的索引值，建立高维空间查找最近领域索引机制，以便后续的填充和优化。 

(2) 初始化填充。选取适当的步长，在已生成的空间网格中选取M个网格体心作为单元模型中心，同时从优样本库中随机选取M个优单元模型填充到网格中，初始化填充M个单元模型。其中M<N1,保证M个单元模型均匀的散落在整个网格中，有效的利用了样本数据库的优数据。 

(3) 完全填充网格，实现初步装配。首先对整个网格进行遍历，以某个网格作为中心( Node（x，y，z）)查询相邻的六个椭球，首先判断单元模型是否为空，如果为空，就从优样本库中取出一个单元模型，并按照一定规则把椭球体装配在相应的网格里，算法描述如下所示： 

算法1：完全填充网格，实现模型的整体装配

输入：样本库L