CN104282039A - 基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法，其利用三维扫描技术，准确获取人体部位表面点云数据，并进行三维建模。X光透视设备获取骨骼信息，修正三维模型。再利用3D打印技术，分块多线打印，制作出矫形支具，最后拼接成型。相较于石膏塑形。具有成本低、实施方便、速度快、建模精度高以及环保等特点。

Description

基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法

技术领域

本发明涉及一种医学矫形装置的制造方法，尤其涉及基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法。

背景技术

脊椎侧弯矫形与预防主要有运动矫正，支具矫形以及手术治疗等方式。一般根据侧弯的程度选择合适的方式。其中，支具矫形具有容易实施，效果好，疗效稳定等优点，在脊椎侧弯等矫形中广泛使用。传统支具的定型采用石膏塑形的方式，塑形效果受支具师专业水平限制，同时给患者带来诸多不便，成本高昂。采用三维扫描的方法获得支具三维模型，再通过3D打印机打印，可以制成与患者待矫形部位完全吻合的支具。现有技术公开的一些三维扫描和3D打印技术，纳入本案作为参考。201320401444.7公开了一种人体三维模型快速制造系统，该案为提高精度，采用双重扫描的方式。201310351175.2涉及一种利用3D打印制备待修补颅骨骨瓣的方法，其采用3D打印机重塑颅骨骨瓣。现有技术没有公开如何扫描完肢体后，如何根据矫形的需要构建支具模型的方法，有必要进一步改进。

发明内容

本发明为解决现有支具塑形存在的问题，提出一种基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法。

本发明的技术方案是这样实现的：一种基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于包括以下步骤：

利用三维扫描设备获取待矫形部位的三维点云数据；

计算三维点云数据的顶点法向量；

利用点云数据的顶点坐标与顶点法向量进行表面三维建模，得到表面三维模型；

利用X光透视设备拍摄对应部位，获取骨骼变形的信息；

利用骨骼的变形信息和骨骼常规结构信息，对表面三维模型进行形状修正，添加受力支点、增加厚度，得到辅助矫形的三维模型；

将获取的辅助矫形的三维模型分割成多个模块；

利用3D打印技术，制作出模块的实体部件，拼装部件制成矫形支具。

本发明中，计算三维点云数据的顶点法向量包括以下步骤：

对于任意点p，利用邻域的点计算出扫描点云密度ρ＝N/(πd²)，其中N为选取的邻域点数目，d表示点p到N个领域点的平均距离，

计算点p的局部曲率，κ＝2μ/d²，其中μ是点p到一平面的距离，该平面满足条件：点p邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}到该平面的距离平方和最小，该平面为最佳拟合最小二乘平面，

计算点p用于法向量计算的邻域半径其中，ε＝0.1σ_n为三维扫描设备误差，即扫描精度，a,b是调节参数，为常数，

利用邻域半径r获取新的邻域点个数N₁，并重复以上步骤重新计算邻域半径r₁，如此重复多次计算，获得最优邻域半径以及邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}，

利用最优邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}，计算顶点p的法向量。

本发明中，利用点云数据的顶点坐标与顶点法向量进行表面三维建模，包括以下步骤：

对点云数据进行采样，减少点的数量，提高表面建模处理速度；

利用Poisson表面重建算法，设置八叉树划分深度参数对数据进行建模，得到建模结果；

利用建模结果的三角面的边长，对建模结果进行修整，当边长大于设定阈值，将该边对应的所有三角面删除，并删除孤立的三角面；

对生成三维模型进行孔洞修补，最终得到完整的表面三维模型。

本发明中，所述矫形部位为人体的矫形部位。

本发明中，每个模块添加用于拼接的接口，各实体部件通过接口连接。

本发明中，获取三维点云数据后，对获得的三维点云数据进行预处理，去除点云中异常的点，并进行平滑去噪处理。

本发明中，骨骼变形信息包括变形方向和变形角度。

实施本发明的基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法，具有以下有益效果：本发明利用三维扫描技术，准确获取人体部位表面点云数据，并进行三维建模，相较于石膏塑形，具有成本低、实施方便、速度快、建模精度高以及环保等特点；在三维建模过程中，提出新的点云的顶点法向量计算算法，计算结果更准确，提高了建模准确性；本发明利用3D打印技术，分块多线打印，制作出矫形支具，不仅制作速度快，而且能够节约材料，降低成本。

附图说明

图1为本发明的骨骼矫形支具塑形方法的流程图；

图2为本发明的支具塑形方法的系统结构示意图；

图3本发明的三维扫描的一种实体结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1，本发明的这种基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法，包括以下步骤：

S01：利用三维扫描设备获取人体部位的三维点云数据；

S02：对获得的三维点云数据进行预处理，去除点云中异常的点，并进行平滑去噪处理；

S03：利用处理后的三维点云数据，计算三维点云数据的顶点法向量。主要步骤为：

1)对于任意点p，利用邻域的点计算出扫描点云密度ρ＝N/(πd²)，其中N为选取的邻域点数目，d表示点p到N个领域点的平均距离， $d=1/N\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|p-p_i\left|\right|.$

2)计算点p的局部曲率，κ＝2μ/d²，其中μ是点p到一平面的距离，该平面满足条件：点p邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}到该平面的距离平方和最小，该平面为最佳拟合最小二乘平面；

3)计算点p用于法向量计算的邻域半径其中，ε＝0.1σ_n为三维扫描设备误差，即扫描精度，a,b是调节参数，为常数。

4)利用邻域半径r获取新的邻域点个数N₁，并重复以上步骤重新计算邻域半径r₁，如此重复多次计算，获得最优邻域半径以及邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}；

5)利用最优邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}，计算顶点p的法向量。

S04：利用点云数据的顶点坐标与顶点法向量进行三维表面建模，得到三维模型。主要步骤如下：

1)对点云数据进行采样，减少点的数量，提高表面建模处理速度；

2)利用Poisson表面重建算法，设置八叉树划分深度参数对数据进行建模，得到建模结果；

3)利用建模结果的三角面的边长，对建模结果进行修整，当边长大于设定阈值，将该边对应的所有的三角面删除，并删除孤立的三角面；

4)对生成三维模型进行孔洞修补，最终得到完整的人体部位表面三维模型。

S05：利用X光透视设备拍摄对应人体部位，获取人体骨骼变形的方向以及变形角度等信息；

S06：利用上述获取的人体部位骨骼的变形信息，以及人体部位骨骼常规结构信息，对上述生成的人体部位表面三维模型进行形状修正，添加受力支点、增加厚度等处理，得到一个最优辅助矫形的三维模型；

S07：对获取的辅助矫形的三维模型进行分割成多个模块，并且每个模块添加用于拼接的接口；

S08：利用所述的带有拼接接口的模块，使用环保且具有韧性的材料，利用3D打印技术，制作出模块的实际物件。

S09：对上述打印制作出的实际物件进行打磨光滑处理，然后对各个模块物件按照S06中得到的三维模型结构进行拼装，最终得到辅助矫形的支具。

如图2，本发明的支具塑形方法可以通过该系统实现。三维扫描设备获取待矫形部位的三维数据，生成三维模型。X光透视设备获取待矫形的骨骼参数，根据待矫形的骨骼参数和系统预存的正常骨骼参数，数据处理设备对三维模型加以修正，生成完整的模型数据，经3D打印设备分模块制成，最后拼接成支具。本发明对三维扫描设备、X光透视设备以及3D打印设备的具体结构没有特别的限制，可以是现有的设备，例如X光透视设备可以是现有的胸透设备。三维扫描设备用于扫描矫形部位的三维形状，本发明不限制其具体结构，可以如图3所示的环形扫描装置或者垂直扫描装置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于三维扫描的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于包括以下步骤：

利用三维扫描设备获取待矫形部位的三维点云数据；

计算三维点云数据的顶点法向量；

利用点云数据的顶点坐标与顶点法向量进行表面三维建模，得到表面三维模型；

利用X光透视设备拍摄对应部位，获取骨骼变形的信息；

利用骨骼的变形信息和骨骼常规结构信息，对表面三维模型进行形状修正，添加受力支点、增加厚度，得到辅助矫形的三维模型；

将获取的辅助矫形的三维模型分割成多个模块；

利用3D打印技术，制作出模块的实体部件，拼装部件制成矫形支具。

2.根据权利要求1所述的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于，计算三维点云数据的顶点法向量包括以下步骤：

对于任意点p，利用邻域的点计算出扫描点云密度ρ＝N/(πd²)，其中N为选取的邻域点数目，d表示点p到N个领域点的平均距离，

计算点p的局部曲率，κ＝2μ/d²，其中μ是点p到一平面的距离，该平面满足条件：点p邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}到该平面的距离平方和最小，该平面为最佳拟合最小二乘平面，

计算点p用于法向量计算的邻域半径其中，ε＝0.1σ_n为三维扫描设备误差，即扫描精度，a,b是调节参数，为常数，

利用邻域半径r获取新的邻域点个数N₁，并重复以上步骤重新计算邻域半径r₁，如此重复多次计算，获得最优邻域半径以及邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}，

利用最优邻域点p_i,i∈{1,2,...,N}，计算顶点p的法向量。

3.根据权利要求1所述的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于，利用点云数据的顶点坐标与顶点法向量进行表面三维建模，包括以下步骤：

对点云数据进行采样，减少点的数量，提高表面建模处理速度；

利用Poisson表面重建算法，设置八叉树划分深度参数对数据进行建模，得到建模结果；

利用建模结果的三角面的边长，对建模结果进行修整，当边长大于设定阈值，将该边对应的所有三角面删除，并删除孤立的三角面；

对生成三维模型进行孔洞修补，最终得到完整的表面三维模型。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于，所述矫形部位为人体的矫形部位。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于，每个模块添加用于拼接的接口，各实体部件通过接口连接。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于，获取三维点云数据后，对获得的三维点云数据进行预处理，去除点云中异常的点，并进行平滑去噪处理。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的骨骼矫形支具塑形方法，其特征在于，骨骼变形信息包括变形方向和变形角度。