本發明涉及增材快速成型領域，具體涉及一種制備生物支架的自適應直接切片方法，是針對應用數字微鏡(DMD)投影式光固化快速成型方式制備具有復雜空間多孔單元結構及復雜自由曲面外輪廓生物支架的3D模型自適應直接切片方法。

背景技術：

生物支架作為組織工程三要素之一，在組織、器官修復或再生中起著十分重要的作用。生物支架的結構設計與最終制備工藝是除了材料因素以外影響其性能好壞的另一方面重要因素。合理的生物支架設計往往要求具有良好的連通性和孔隙率的微觀尺度的多孔結構，而其外部輪廓往往要求與原器官或組織結構具有相同的外形，通常為復雜的自由曲面。這為生物支架的設計和制造帶來了相當的困難。目前，應用專門的3D打印技術及相關設備制備具有特殊單元結構的生物支架方興正艾。

光固化3D打印技術作為快速成型(Rapid Prototyping)技術的一種，其加工材料往往是某類光敏樹脂，易通過改性獲得良好的生物相容性、無毒性、可降解性等生物材料所必須的性能，因此被廣泛用來制備生物支架。基于數字微鏡(DMD)器件的投影式光固化成型屬于面曝光成型技術，以其一次投影固化一整個截面輪廓，避免掃描式光固化成型方式的往復走刀過程，因而在固化成型效率上具有較大的優勢。

主流的3D打印數據處理軟件都是將目標三維模型轉化為STL文件作為中間媒介，再遍歷生成點表、邊表、面表以建立拓撲關系最終執行切片處理。而STL文件作為原始CAD模型的一次近似，會造成相當的精度損失；另外STL文件往往具有各種先天的缺陷，需要在切片前先進行復雜的修復處理。以上兩點在應用其打印宏觀尺寸結構簡單零件時尚可接受，而當其應用在制備具有復雜空間多孔結構單元及復雜外輪廓自由曲面的生物支架時，缺點被放大，效率極其低下甚至根本不能滿足要求。而直接切片技術，避開STL文件直接對原始CAD模型進行切片處理能夠有效避開上述問題，因此非常適合生物支架切片數據的獲取。

應用3D打印技術制備生物支架必須先有對應支架的三維模型。而實際上由于生物支架及其復雜、高要求的幾何結構，應用現有的商業三維軟件對其進行三維建模會涉及到大量復雜的布爾運算，消耗大量的系統資源，因此對硬件要求非常苛刻甚至變得不能實現。如何避開上述復雜的布爾運算獲得切片數據也成為亟待解決的技術問題。

應用3D打印技術制備復雜生物支架往往需要相當數量的切片，打印過程非常耗時。厚度自適應切片技術在保證打印的精度要求的前提下，通過減少切片數量，減少打印層數從而提高制備效率。目前各種厚度自適應切片技術的核心是如何表征三維模型的幾何變化情況和復雜程度，各種表征參數不斷被提出來，然而沒有專門針對生物支架結構特點的表征參數。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點和不足，提供一種制備生物支架的自適應直接切片方法。有效避開制備過程中耗費系統資源，消耗大量時間的算法或操作，能夠提高效率、保證精度。

本發明通過下述技術方案實現：

一種制備生物支架的自適應直接切片方法，其包括如下步驟：

本方法是應用VC++在SolidWorks2011平臺上進行的二次開發，本方法提出的核心思想和針對上述生物支架三維模型特點采用的特殊處理機制也可依托于其他軟、硬件平臺具體實現。其特征在于，包括以下步驟：

步驟A)：向SolidWorks輸入待切片處理的三維實體模型，保證模型坐標系方向與模型顯示區域三重軸方向一致；如不滿足應修改該三維實體模型，使其滿足上述要求；

步驟B)：輸入初始參數，包括：最大允許層厚layer_max，最小允許層厚layer_min，層厚自適應公差δ，數據保存路徑與位圖切片數據保存路徑；

步驟C)：獲得精確的輸入模型包容盒參數，包括：x_min，y_min，z_min，x_max，y_max，z_max；

其中，x_min,y_min,z_min為模型包容盒的左下角點坐標；x_max,y_max,z_max為模型包容盒的右上角坐標；SolidWorks里的模型為B-reps模型，將該B-reps模型的Surface顏色設置為白色RGB(255,255,255)，Body顏色設置為黑色RGB(0,0,0)；

步驟D)：根據實際需要選擇ESD模塊或IAD模塊，對外表面模型采用ESD模塊，對內部單元結構模型采用IAD模塊；第一步，以layer_min完成初始切片數據(raw data)提取，并保存至系統和文檔；

步驟E)：第二步，根據層厚自適應公差δ，動態計算每層初始切片數據的ESD值或IAD值，剔除模型幾何突變小的部分的切片層，保留模型幾何突變大的部分的切片層，完成自適應層厚處理；若需要修改δ，只需重新執行本步，即可得到對應于新公差δ的自適應層厚參數；

步驟F)：匹配硬件參數，包括：選擇對應快速成型系統DMD芯片的型號，選擇成形透鏡系統的放縮倍率，自動對模型視圖進行比例變化以滿足切片位圖邏輯單位與設備坐標的映射關系，對模型視圖進行平移、旋轉變換使其處于圖幅的合適位置；

步驟G)：干涉檢查，檢查該模型尺寸是否超出DMD芯片一次投影光固化的最大尺寸范圍；

步驟H)：執行直接切片操作，即直接對三維實體模型切片；將24位位圖的位圖切片數據保存至指定路徑；

步驟I)：設置灰度閾值，將24位位圖抖動成單色位圖。

上述步驟A)中輸入的三維實體模型指具有復雜空間多孔結構單元及復雜外輪廓自由曲面的生物支架三維模型；而且，為避免用商用三維軟件對上述生物支架模型進行實體建模時復雜布爾運算難以完成或實現的窘境，輸入的模型并非完整的上述生物支架模型，而是根據實際需要選擇的單外部自由曲面的三維模型或者內部單元結構的三維模型。

上述步驟B)中最大允許層厚layer_max，最小允許層厚layer_min依據對應快速成型系統的硬件指標；層厚自適應公差δ的理論取值范圍為(0.1)；大多數情況不操過0.2，其具體取值應根據具體三維模型決定。也可以先試切再做調整。

上述步驟C)中的Surface和Body分別指B-reps模型里的面和體；該顏色設置處理實際上是把輸入模型的表面設為白色，內里設為黑色。該操作能在不使用復雜的圖像識別、提取算法前提下，準確高效提取模型指定層的截面輪廓，過濾掉其他層的干擾。特別適合含有很多孤島、內部封閉環的模型截面。

上述步驟D)中IAD(Internal Architecture Dominate)因子與ESD(External Surface Dominate)因子均為生物支架三維模型的衡量其相鄰切片層幾何變化情況的表征量。

上述步驟D)與步驟E)所述的層厚自適應操作的“兩步”機制。首先，相對于其他自適應切片算法先以最大允許厚度切片，再在需要的地方插補一層或多層切片以保證精度的處理方式，步驟D)先以最小厚度切片能夠在硬件性能條件下，最大程度上提取模型的特征細節，全面分析模型相鄰切片層直接的幾何變化情況，避免某些關鍵細小特征的遺漏；步驟E)在步驟D)掌握模型全局情況的前提下，根據公差δ執行自適應操作，其處理對象不再是三維模型，而是步驟D)所提取的數字信息，大大提高數據處理的速度與效率。其最大的特點與優點在于可以動態的修改公差δ的值，重新計算層厚信息而不需要再次執行低效費時的切片操作，使得算法效率提高的同時也增強了魯棒性。

上述步驟F)所述的匹配DMD芯片與投影透鏡倍率，自動調整視圖大小。除此之外，對于硬件參數庫中沒有包含的工況，還可以手動輸入三維模型最大尺寸在1024×768圖幅中所占的像素點數目，從而調整位圖數據，以滿足更多更復雜的工況。

上述步驟H)所述直接切片指直接對三維實體模型進行切片，而不通過STL文件作為媒介。

本發明既能進行上述的自適應層厚的直接切片操作，也能進行均勻層厚的直接切片操作。該開關選項在步驟H)可選。

本發明是基于SolidWorks 2011平臺的二次開發，但本方法的主要思想和處理機制不限于SolidWorks平臺，亦可用于其他軟、硬件平臺。能夠直接對B-reps模型進行切片，避免以STL文件作為中間媒介造成的精度損失及復雜耗時的缺陷修復算法。

根據生物支架3D模型的特點，針對其外部曲面輪廓幾何變化情況采用ESD(External Surface Dominate)參數作為衡量標準，針對復雜內部單元結構幾何變化情況采用IAD(Internal Architecture Dominate)參數作為衡量標準，實現切片厚度自適應處理，在保證精度的前提下，通過減少切片數量提高打印效率；采用如下機制：第一步，以最小厚度對模型切片得到初始切片數據；第二步，根據IAD因子或ESD因子逐步增大模型幾何突變小于公差要求部分切片層的厚度。該“兩步”機制能夠在只對3D模型做一次切片操作的前提下，獲得任意自適應厚度公差值對應的切片數據，避免了重復切片，提高了效率。

將生物支架的外部曲面輪廓三維模型和內部單元結構的三維模型分開進行切片，分別以單色位圖作為切片數據格式存儲，再疊加生成完整的位圖切片數據，不僅可以直接輸入DMD芯片，更能避免應用商用三維軟件對具有極其復雜空間多孔結構的生物支架進行3D建模以及切片時復雜耗時的、占用大量系統資源的布爾運算，增強了切片方法的魯棒性。根據DMD芯片尺寸和投影透鏡的放縮倍率調節位圖分辨率以滿足邏輯單位與設備坐標的映射關系，以適應各種復雜的工況。

附圖說明

圖1是本發明具體實施方式的全局流程圖；

圖2是本發明ESD步驟中的算法流程圖；

圖3是本發明IAD步驟中的算法流程圖；

圖4是本發明直接切片步驟中的算法流程圖；

圖5是本發明實例對三維模型外表面輪廓進行切片圖之一；

圖6是本發明實例對三維模型外表面輪廓進行切片圖之二；

圖7是本發明實例對三維模型外表面輪廓進行切片圖之三；

圖8是圖1剖面圖。

圖9是本發明實例對三維模型外表面輪廓進行切片圖之四；

圖10是圖9剖面圖。

圖11是本發明實例對三維模型外表面輪廓進行切片圖之五；

圖12是圖11剖面圖。

圖13是本發明實例對一種單元空間結構切片圖；

圖14是單元空間結構切片層轉動慣量變化情況圖譜以及單元空間結構IAD因子變化情況圖譜。

圖15是對圖13切片的情況。因其具有周期性，故圖15僅為一個周期的情況。高度為18.82mm，以layer_min＝1mm對其切片，共19層。

具體實施方式

下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步具體詳細描述。

實施例

如圖1所示，本發明主要分為四部分，①預處理、②厚度自適應處理(ESD與IAD)、③直接切片以及④后處理。其中厚度自適應處理的兩個組成本分ESD子步驟與IAD子步驟是兩個完全獨立的步驟，沒有操作數和操作對象上的重疊。

厚度自適應處理②與直接切片步驟直接也是相互獨立，直接切片步驟可以接受厚度自適應處理步驟處理后的數據執行厚度自適應直接切片操作，也可以跳過厚度自適應處理步驟直接接受預處理步驟處理后的數據執行均勻厚度直接切片操作。這四個步驟構成一個基于對話框的應用程序，其用戶界面具有人機交互性。這個對話框類的繼承關系是”class Slicer_Dlg:public CDialog”，Slicer_Dlg類的public成員包含上述四個步驟運行過程中傳遞的各種數據，包括：厚度自適應處理的傳遞和存放三維模型信息和切片參數的數據變量，傳遞和存放每層切片IAD與ESD數據的結構體；直接切片步驟的傳遞和存放整個模型IAD與ESD數據的list容器，根據公差執行厚度自適應操作的list容器，直接切片步驟中的傳遞和存放切片層厚序列的vector容器。另外，這四個步驟在運行過程中會將自身數據設定格式寫入用戶指定的文件，作為日志文件。

如圖1所示，為用于表征三維模型外輪廓自由曲面變化情況的參數，即ESD因子。默認以Z軸為增材方向，用SolidWorks API提供的方法GetSectionProperties2提取當前層i截面相對于其形心軸的慣性矩以及形心軸相對于模型坐標的偏移。為比較模型不同層的二次矩值，需要將其放在統一的基準下。因此，對于某層i，其原始基準為C(X_C,Y_C,Z_i)其計算基準為D(X_min,Y_min,Z_i)，其中X_min，Y_min為整個模型包容盒左下角點，相對于模型為常值；Z_i為當前層高度。轉換關系如下：

其中，A為當前切片截面的面積；a,b,為坐標系變換參數；I,I'分別是移軸變換前后的慣性矩；L為角度變換后截面相對于基準D的二次矩。

則，第i層切片與第i+1層切片的ESD因子值為：

二次矩的本質是二維截面上的點到軸距離平方在整個截面區域內的積分，它本生能夠反映指定方向上截面形狀連續分布的情況。而ESD為相鄰兩層切片截面在同一基準下，同時考慮X,Y兩個方向二次矩變化情況的幾何平均值。因此，它具有反映三維模型外輪廓的自由曲面在二維截面上幾何分布及變化情況的理論依據。從實驗出發，該ESD因子經過許多具有代表性的三維模型的測試，在后文將具體敘述一個有代表性的實例。

如圖1所示，是用于表征三維模型內部結構幾何變化情況的參數，即IAD因子。默認以Z軸為增材方向，用SolidWorks API提供的IMassProperty接口，提取當前層i與i+1層所夾生成的厚板區域的主軸方向，及主軸慣性矩。為使不同層之間的慣性矩能夠相互比較，必須將其放在統一的基準下。記第i層與第i+1層之間的厚板為S_i,i+1，則其計算基準為整個模型包容盒左下角點在第i層切片平面上的投影，即D(X_min,Y_min,Z_i)，其中，其中X_min，Y_min為整個模型包容盒左下角點，相對于模型為常值；Z_i為當前層高度。轉換關系如下：

DC＝{(X_c-X_min),(Y_c-Y_min),(Z_c-Z_min)}

其中：為主軸的方向向量

其中：

α＝-arcsin(-z₁)

C(X_c,Y_c,Z_c),m分別為厚板S_i,i+1的質心和質量；D(X_min,Y_min,Z_min)是計算基準，DC,P_X,P_YP_Z為向量,P是主軸慣性矩，P'是P的移軸變換

α,θ,β分別是饒Y，X，Z軸的轉角,為角度變換因子

則，第i與i+1層所S_i,i+1夾厚板的IAD因子為：

慣性矩本質上是三維區域內的點到軸距離的平方在整個質量分布的三維區域內的積分。與ESD同理，IAD也具有反映三維模型內部幾何結構分布的變化情況的理論依據。不同點在于，ESD只反映兩個方向(X,Y)的面積分布情況，對于自由曲面在二維截面上的投影來說足夠；而IAD需要反映厚板體在三維空間質量分布情況，因此它需要同時考慮X,Y,Z三個方向的量。從實驗出發，該IAD因子經過許多具有代表性的三維模型的測試，在后文將具體敘述一個有代表性的實例。

在預處理階段將模型的Surface設置RGB(255，255，255)，將Body設置RGB(0,0,0)。其中，Surface和Body分別指B-reps模型里的面和體。該顏色設置處理實際上是把輸入模型的表面設為白色，內里設為黑色。該操作能在不使用復雜的圖像識別、提取算法前提下，準確高效提取模型指定層的截面輪廓，過濾掉其他層的干擾。特別適合含有很多孤島、內部封閉環的模型截面。

如圖2為ESD步驟中的算法流程圖。以Z軸為默認增材方向，算法運行過程敘述如下：

1.以“前視基準面”為參考插入一張參考基準面，偏移d＝layer_min*i，i為循環因子；

2.以第1步的參考基準面為修剪工具創建一個分割特征，將模型分割成多實體；

3.識別上述分割過程得到的多實體IBody集合，通過這些IBody集合獲得相應截面IFace集合；

4.提取上述IFace集合的形心坐標，位置，二次矩，根據變換算法，計算在新參考點的二次矩，并存入每層切片數據的結構體SectionFace_Info，并將其壓棧存入模型的切片數據list容器；

5.利用SolidWorks參數化建模的特點，進入下次循環，i++，動態修改第1步參考基準面的偏移d，進而分割特征也自動修改，跳到3、4步；

6.判斷參考平面是否達到模型最高點。是，結束循環；否，跳第5步；

7.建立新的list容器，將上述list容器復制到當前新建的list容器，并將數據存入文檔；

8.判斷當前數據是否滿足刪除條件。是，刪除；否，下一個；遍歷容器；

9.獲得厚度自適應處理以后的切片序列，存入文檔。

圖3為IAD步驟中算法流程圖。以Z軸為默認增材方向。其算法原理與上述ESD基本思想相同。不同處敘述如下：

1.以“前視基準面”為參考插入一張參考基準面，偏移d＝layer_min*i，i為循環因子；

2.以第1步創建的參考面為基準，再次插入一張參考基準面，偏移d1＝layer_min；

3.以上述2張基準面為剪裁工具，創建分割特征；

4.識別夾在兩剪裁面之間的實體IBody集合；

5.提取上一步IBody集合的重心坐標，主軸方向，轉動慣量，根據變換算法，計算在新參考點下的慣性矩，存入每層切片數據的結構體Sectionslab_Info，并壓棧入切片數據的list容器；

后面步驟與IAD模塊相似，不做累述。

圖4為直接切片模塊的算法流程圖。以Z軸為默認增材方向，算法運行過程敘述如下：

1.查看用戶選擇均勻切片/自適應切片的開關量S，為S＝1，執行均勻切片；為S＝0，執行自適應切片；

2.若S＝1，直接切片厚度序列vector容器壓入0-layer_sum的均勻序列；若S＝0，該vector容器壓入從ESD/IAD模塊日志文檔里讀取的厚度序列；

3.匹配DMD型號和透鏡倍率，調整視圖為“前視圖”，將視圖調整至合適位置；

4.自動/手動調整視圖大小，以滿足邏輯單位與設備坐標的映射關系；

5.將模型顯示方式設置為“上色”模式；

6.以“前視基準面”為參考，創建SectionView；

7.調用SaveBMP方法，以1024×768圖幅保存剖視圖與指定路徑；

8.判斷模型是否切完。是，結束；否，跳第9步；

9.按照vector容器里的厚度序列值修改SectionView的偏移量，跳第6步；

圖5是牙齒的三維模型。

圖6為應用本方法對牙齒模型進行切片的情況。默認沿Z軸為增材方向，該牙齒模型關于X-Y平面對稱。單邊高7.601mm，以layer_min＝0.1mm，共有76層切片，整個模型152層切片。圖中所示數字下標即為切片層的厚度序列。

圖7至圖12。其中圖7所示是測試ESD模塊性能的測試模型1，用來測試外輪廓有內凹區域的情況。由圖8(測試模型1-b)來反映，經ESD模塊成功識別內凹的有槽區域并將其切片厚度保留為最小厚度以保證精度，而對底部則采用大的切片厚度。圖9(測試模型2)用來測試外輪廓有內凹、外凸以及孔洞的情況。由圖10(測試模型2-b)反映，ESD模塊成功識別有孔區域、外凸的斜面區域以及內凹的弧面區域，并將其厚度保留為最小值。圖11(測試模型3)用來測試外輪廓曲面曲率連續變化的情況。由圖12(測試模型3-b)反映，ESD模塊對模型的脖頸部以及裙部保留最小的切片厚度，而上述區域也是整個模型曲率變化相對大的部分。因此，本發明方法的ESD模塊能夠滿足要求。

圖13是一種多孔的單元結構。通過觀察可以發現，圖13所示的模型實際沿Z軸方向具有周期性，共有3層，為3個周期。應用本方法提出的IAD模塊對其幾何信息進行提取，結果如圖14所示。IAD因子成功捕捉并反映了模型幾何變化上的周期性。圖15所示為本方法對其切片的情況。因其具有周期性，故圖15僅為一個周期的情況。高度為18.82mm，以layer_min＝1mm對其切片，共19層。

以上內容是結合具體的優選實施方式對對本發明所做的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于以上說明。本發明主要強調上述說明的實現厚度自適應切片操作的ESD、IAD因子的思想和數學原理；強調在上述說明所闡述的針對生物支架三維模型的特點，為避免因低能低效的算法耗費大量計算機資源而導致生物支架三維模型切片困難這種情況的發生，而提出的相應的機制和方法。

對于本發明所屬的技術領域的技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干等同替代或者明顯變型，而且性能或用途相同，如，在本發明構思上應用其他商用三維軟件(非SolidWorks)，將三維實體模型分成外部輪廓與內部結構分別進行切片，獲得單色位圖切片數據；亦如，用其他軟、硬件獲取本發明所提出的每層切片的二次矩，轉動慣量后再計算ESD/IAD因子。都應當視為屬于本發明的保護范圍。