基于三維掃描的骨骼矯形支具塑形方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于三維掃描的骨骼矯形支具塑形方法，其利用三維掃描技術(shù)，準確獲取人體部位表面點云數(shù)據(jù)，并進行三維建模。X光透視設備獲取骨骼信息，修正三維模型。再利用3D打印技術(shù)，分塊多線打印，制作出矯形支具，最后拼接成型。相較于石膏塑形。具有成本低、實施方便、速度快、建模精度高以及環(huán)保等特點。
【專利說明】基于三維掃描的骨骼矯形支具塑形方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種醫(yī)學矯形裝置的制造方法，尤其涉及基于三維掃描的骨骼矯形支 具塑形方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 脊椎側(cè)彎矯形與預防主要有運動矯正，支具矯形以及手術(shù)治療等方式。一般根據(jù) 側(cè)彎的程度選擇合適的方式。其中，支具矯形具有容易實施，效果好，療效穩(wěn)定等優(yōu)點，在脊 椎側(cè)彎等矯形中廣泛使用。傳統(tǒng)支具的定型采用石膏塑形的方式，塑形效果受支具師專業(yè) 水平限制，同時給患者帶來諸多不便，成本高昂。采用三維掃描的方法獲得支具三維模型， 再通過3D打印機打印，可以制成與患者待矯形部位完全吻合的支具?，F(xiàn)有技術(shù)公開的一些 三維掃描和3D打印技術(shù)，納入本案作為參考。201320401444. 7公開了一種人體三維模型快 速制造系統(tǒng)，該案為提高精度，采用雙重掃描的方式。201310351175. 2涉及一種利用3D打 印制備待修補顱骨骨瓣的方法，其采用3D打印機重塑顱骨骨瓣。現(xiàn)有技術(shù)沒有公開如何掃 描完肢體后，如何根據(jù)矯形的需要構(gòu)建支具模型的方法，有必要進一步改進。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有支具塑形存在的問題，提出一種基于三維掃描的骨骼矯形支具 塑形方法。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：一種基于三維掃描的骨骼矯形支具塑形方法， 其特征在于包括以下步驟：
[0005] 利用三維掃描設備獲取待矯形部位的三維點云數(shù)據(jù)；
[0006] 計算三維點云數(shù)據(jù)的頂點法向量；
[0007] 利用點云數(shù)據(jù)的頂點坐標與頂點法向量進行表面三維建模，得到表面三維模型；
[0008] 利用X光透視設備拍攝對應部位，獲取骨骼變形的信息；
[0009] 利用骨骼的變形信息和骨骼常規(guī)結(jié)構(gòu)信息，對表面三維模型進行形狀修正，添加 受力支點、增加厚度，得到輔助矯形的三維模型；
[0010] 將獲取的輔助矯形的三維模型分割成多個模塊；
[0011] 利用3D打印技術(shù)，制作出模塊的實體部件，拼裝部件制成矯形支具。
[0012] 本發(fā)明中，計算三維點云數(shù)據(jù)的頂點法向量包括以下步驟：
[0013] 對于任意點P，利用鄰域的點計算出掃描點云密度p =WUd2)，其中N為選取 N 的鄰域點數(shù)目，d表示點p到N個領(lǐng)域點的平均距離，d = 1/'ΣΙΙρ -Λ_ΙΙ， k 二I
[0014] 計算點p的局部曲率，κ =2μ/(12,其中μ是點p到一平面的距離，該平面滿足 條件：點P鄰域點Pi，i e {1，2，...，N}到該平面的距離平方和最小，該平面為最佳擬合最 小二乘平面，
[0015] 計算點p用于法向量計算的鄰域半徑^ = + ，其中，ε =〇. 1ση 為三維掃描設備誤差，即掃描精度，a，b是調(diào)節(jié)參數(shù)，為常數(shù)，
[0016] 利用鄰域半徑r獲取新的鄰域點個數(shù)Ni，并重復以上步驟重新計算鄰域半gri，如 此重復多次計算，獲得最優(yōu)鄰域半徑以及鄰域點 Pi，i e {1，2,...，N}，
[0017] 利用最優(yōu)鄰域點Pi，i e {1，2,...，N}，計算頂點P的法向量。
[0018] 本發(fā)明中，利用點云數(shù)據(jù)的頂點坐標與頂點法向量進行表面三維建模，包括以下 步驟：
[0019] 對點云數(shù)據(jù)進行采樣，減少點的數(shù)量，提高表面建模處理速度；
[0020] 利用Poisson表面重建算法，設置八叉樹劃分深度參數(shù)對數(shù)據(jù)進行建模，得到建 模結(jié)果；
[0021] 利用建模結(jié)果的三角面的邊長，對建模結(jié)果進行修整，當邊長大于設定閾值，將該 邊對應的所有三角面刪除，并刪除孤立的三角面；
[0022] 對生成三維模型進行孔洞修補，最終得到完整的表面三維模型。
[0023] 本發(fā)明中，所述矯形部位為人體的矯形部位。
[0024] 本發(fā)明中，每個模塊添加用于拼接的接口，各實體部件通過接口連接。
[0025] 本發(fā)明中，獲取三維點云數(shù)據(jù)后，對獲得的三維點云數(shù)據(jù)進行預處理，去除點云中 異常的點，并進行平滑去噪處理。
[0026] 本發(fā)明中，骨骼變形信息包括變形方向和變形角度。
[0027] 實施本發(fā)明的基于三維掃描的骨骼矯形支具塑形方法，具有以下有益效果：本發(fā) 明利用三維掃描技術(shù)，準確獲取人體部位表面點云數(shù)據(jù)，并進行三維建模，相較于石膏塑 形，具有成本低、實施方便、速度快、建模精度高以及環(huán)保等特點；在三維建模過程中，提出 新的點云的頂點法向量計算算法，計算結(jié)果更準確，提高了建模準確性；本發(fā)明利用3D打 印技術(shù)，分塊多線打印，制作出矯形支具，不僅制作速度快，而且能夠節(jié)約材料，降低成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明的骨骼矯形支具塑形方法的流程圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明的支具塑形方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030] 圖3本發(fā)明的三維掃描的一種實體結(jié)構(gòu)。

【具體實施方式】
[0031] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述。
[0032] 如圖1，本發(fā)明的這種基于三維掃描的骨骼矯形支具塑形方法，包括以下步驟：
[0033] S01 :利用三維掃描設備獲取人體部位的三維點云數(shù)據(jù)；
[0034] S02:對獲得的三維點云數(shù)據(jù)進行預處理，去除點云中異常的點，并進行平滑去噪 處理；
[0035] S03 :利用處理后的三維點云數(shù)據(jù)，計算三維點云數(shù)據(jù)的頂點法向量。主要步驟 為：
[0036] 1)對于任意點p，利用鄰域的點計算出掃描點云密度Ρ =ΝΛ π d2)，其中N為選 取的鄰域點數(shù)目，d表示點p到N個領(lǐng)域點的平均距離，

【權(quán)利要求】
1. 一種基于三維掃描的骨骼矯形支具塑形方法，其特征在于包括以下步驟： 利用三維掃描設備獲取待矯形部位的三維點云數(shù)據(jù)； 計算三維點云數(shù)據(jù)的頂點法向量； 利用點云數(shù)據(jù)的頂點坐標與頂點法向量進行表面三維建模，得到表面三維模型； 利用X光透視設備拍攝對應部位，獲取骨骼變形的信息； 利用骨骼的變形信息和骨骼常規(guī)結(jié)構(gòu)信息，對表面三維模型進行形狀修正，添加受力 支點、增加厚度，得到輔助矯形的三維模型； 將獲取的輔助矯形的三維模型分割成多個模塊； 利用3D打印技術(shù)，制作出模塊的實體部件，拼裝部件制成矯形支具。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼矯形支具塑形方法，其特征在于，計算三維點云數(shù)據(jù)的 頂點法向量包括以下步驟： 對于任意點P，利用鄰域的點計算出掃描點云密度P =W(Jid2)，其中N為選取的鄰 域點數(shù)目，d表示點p到N個領(lǐng)域點的平均距離，

計算點P的局部曲率，k =2ii/d2,其中y是點p到一平面的距離，該平面滿足條件： 點P鄰域點Pi，i e {1，2,...，N}到該平面的距離平方和最小，該平面為最佳擬合最小二乘 平面， 計算點P用于法向量計算的鄰域半徑 ，其中，e =0. l〇n為三 維掃描設備誤差，即掃描精度，a，b是調(diào)節(jié)參數(shù)，為常數(shù)， 利用鄰域半徑r獲取新的鄰域點個數(shù)&，并重復以上步驟重新計算鄰域半徑1^，如此重 復多次計算，獲得最優(yōu)鄰域半徑以及鄰域點Pi，i e {1，2,...，N}， 利用最優(yōu)鄰域點Pi, i G {1，2,. . .，N}，計算頂點p的法向量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的骨骼矯形支具塑形方法，其特征在于，利用點云數(shù)據(jù)的頂點 坐標與頂點法向量進行表面三維建模，包括以下步驟： 對點云數(shù)據(jù)進行采樣，減少點的數(shù)量，提高表面建模處理速度； 利用Poisson表面重建算法，設置八叉樹劃分深度參數(shù)對數(shù)據(jù)進行建模，得到建模結(jié) 果； 利用建模結(jié)果的三角面的邊長，對建模結(jié)果進行修整，當邊長大于設定閾值，將該邊對 應的所有三角面刪除，并刪除孤立的三角面； 對生成三維模型進行孔洞修補，最終得到完整的表面三維模型。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的骨骼矯形支具塑形方法，其特征在于，所述矯形 部位為人體的矯形部位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的骨骼矯形支具塑形方法，其特征在于，每個模塊 添加用于拼接的接口，各實體部件通過接口連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的骨骼矯形支具塑形方法，其特征在于，獲取三維 點云數(shù)據(jù)后，對獲得的三維點云數(shù)據(jù)進行預處理，去除點云中異常的點，并進行平滑去噪處 理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3任意一項所述的骨骼矯形支具塑形方法，其特征在于，骨骼變形 信息包括變形方向和變形角度。
【文檔編號】A61F5/01GK104282039SQ201410512835
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月29日
【發(fā)明者】樊曉莉, 樊曉東, 惠艷萍, 孟俊華, 唐文平, 劉家賓, 馮欣, 馮賓, 田明 申請人:樊曉莉