CN106294949A - 一种脊柱矫形器的快速成型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脊柱矫形器的快速成型设计方法，包括：利用三维人体扫描系统对患者进行扫描获取患者体廓信息，拟合成精度较高的人体三维实体模型；将该模型导入三维软件中，依据矫形器设计原理对该三维实体模型进行修型；并将该三维实体模型的外轮廓向外偏移预设距离获得矫形器的初始模型；采用逆成形展平法对矫形器板材进行曲面展平，分析了展平过程中应力应变、厚度及成型极限等情况，为下料提供了精度较高的矫形器板材毛坯尺寸，且采用曲面多点卷曲成形方法制作出矫形器模型。本发明采用计算机设计矫形器模型，取代了传统石膏成形法，为临床脊柱侧弯的治疗节省了宝贵的时间。

Description

一种脊柱矫形器的快速成型设计方法

技术领域

本发明涉及脊柱矫形器领域，尤其涉及一种基于三维人体扫描系统精准设计脊柱矫形器的快速成型方法。

背景技术

目前，青少年脊柱侧弯分为先天性和特发性两种。先天性患者是由于在出生时伴有脊柱不正常生长，导致成长过程中脊柱发生严重畸形，需进行外科手术引导脊柱的正常生长。特发性脊柱侧弯是指在青少年时期由于不明原因引起的脊柱侧弯，此类患者占所有患者的80％左右，且数量逐年递增，是继近视眼和肥胖症两种疾病之后的又一大顽疾。脊柱侧弯不仅影响美观产生心理阴影，而且由于脊柱的侧弯压迫身体其他器官，甚至会威胁到生命。因此，就该研究成果的应用上，存在着巨大的潜在用户，市场应用前景广泛。

在矫形器的设计制造工艺上，传统的方法为利用石膏成型法制造出患者石膏模型，再利用手工塑形对患者石膏模型进行修型，最后在修整过的模型上真空低压拟合成矫形器。传统的方法对临床医师的手工水平要求较高，石膏成型时对患者体廓信息的采集时误差较大，且铸造成形的模型有收缩率影响后续矫形器设计的精度。在石膏模型修型时，修型技师需有丰富的修型经验，且不可量化，若修型存在较大误差则较难纠正直接影响了矫形器的矫正效果。真空低压成形的制作过程十分复杂，对加工环境要求高，且在成形过程中易产生翘曲和褶皱等缺陷，影响了矫形器与患者体廓的吻合性。这些缺点都是手工加工矫形器难以克服的缺点，严重影响了矫正效果。

矫形器的计算机设计技术，不仅关系到广大脊柱侧弯青少年患者的健康和美观，而且严重影响患者以后的生活质量，因此对青少年脊柱侧弯矫形器的设计研究具有重要意义。

发明内容

根据上述提出的矫形器设计制作过程中出现的患者模型构造困难，修型误差大，矫形器成形时易产生翘曲、褶皱等技术问题，而提供一种基于三维人体扫描系统的脊柱矫形器的快速成型设计方法。本发明主要利用三维人体扫描系统来实现患者体廓信息的快速扫描，从而克服了传统矫形器加工方法中患者体廓模型与实际体廓信息误差大的缺点，并采用曲面多点卷曲成形方法制作矫形器，降低了真空低压成形的困难，从而达到了节省材料，提高了矫形器的精度及矫正效果。

本发明采用的技术手段如下：

一种脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用三维人体扫描系统对患者体廓进行扫描，获取患者体廓信息；

S2、对上述患者体廓拟合成三维实体模型；

S3、对拟合而成的三维实体模型进行修型处理：

S4、将修整后的三维实体模型的外轮廓向外偏移预设的距离，拟合成脊柱矫形器的初始模型；

S5、利用逆成形展平法对矫形器板材进行曲面展平，分析其应力应变，获得矫形器板材毛坯件尺寸；

S6、利用曲面多点卷曲成形方法对矫形器板材毛坯件卷曲成矫形器模型。

进一步地，所述步骤S1中，被测量的患者需站立在扫描仪中间，且需要患者双臂远离躯干以方便体廓信息的获得，对患者体廓信息的三维扫描包括患者站立的位置及拍照动作和获取点云信息的处理。为可清楚反映患者脊柱侧弯的情况，在患者体廓信息采集过程中被测者需将手臂抬起远离躯干至少成85°左右，且使背部朝向一个方位的摄像镜头。

进一步地，对获得的患者体廓信息的点云信息进行精简、去噪、向量化处理。由于获得的患者体廓信息的点云数量庞大，会存在噪音点、跳点等误差，因此需对点云信息进行精简、去噪、向量化等处理，获得高质量的点云信息，大大减少噪音点对患者体表精度的影响。

进一步地，所述步骤S2中，所述拟合三维实体模型采用Croe软件。

进一步地，所述步骤S3中，是依据矫形器设计原理对三维实体模型划分修剪区域及释放空间，对相应位置进行修整处理，为下一步矫形器的设计做准备。

进一步地，所述步骤S4中，所述三维实体模型向外偏移预设的距离在4cm-8cm。

进一步地，所述步骤S5中，逆成形展平法对矫形器板材进行曲面展平，依据虚功方程展平即逆运算中不考虑中间变化，只考虑变化始末情况，其展平所依据的为最小功路径展平，由能量守恒可知该系统总和为零，则可列方程：

W-W_tnt-W_ext＝∫_vε^Tσdv-∫_vu^Tfdv＝0，

其中f为外力向量，u^T为虚位移向量，σ为应力向量，ε^T为应变向量。设U为节点位移向量，则可得W关于位移的函数：

$W=\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T(F_{tnt}^e-F_{ext}^e)=-\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T{R}^e=0,$

其中为单元内力，为单元外力，推导该方程得到：

R(U₁)＝F_ext(U_i)-F_int(U_i)，

该方程利用牛顿—拉格朗日法解得：

${\[\∂R\left(U\right)/\∂U\]}_t\mathrm{\Δ}U=-R\left(U_i\right).$

进一步地，所述步骤S6中，所述曲面多点卷曲成形方法包括如下步骤：

S61、利用CNC系统将矫形器设计曲面参数转化为材料的局部热弯角度与挤压变形量；

S62、将矫形器板材利用送料夹持机构进行夹持，导向机构及进给机构对所夹持的矫形器板材进行驱动，实进行间歇式进给；

S63、矫形器板材通过挤压成形夹持机构的热态夹持部夹持进入热弯机构，热弯机构在热恒温区对矫形器板材加热软化后进行弯曲，将矫形器板材弯曲成适宜穿戴的曲面形状；

S64、挤压机构根据步骤S61设定的参数对已加热弯曲的矫形器板材挤压成形；

S65、挤压成形夹持机构冷热态夹持部对挤压成形的矫形器板材夹持进行硬化处理，最终获得矫形器。

进一步地，所述热弯机构设置在热恒温区内，包括对矫形器板材加热的红外加热仪、弯曲压辊、与所述弯曲压辊配合的将所述矫形器板材压住的弯曲挡板以及按照数控程序实时调整角度的弯曲角度调节机构。

进一步地，所述挤压机构设置在所述热弯机构后用于对已加热弯曲的矫形器板材挤压成形，可沿曲面法线方向作直线运动，通过在曲面法线方向位移的不同实现复杂曲面的挤压成形。

与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：

本发明提供了一种脊柱侧弯矫形器的精准设计快速成型方法，可实现脊柱侧弯矫形器的设计制造。主要利用三维人体扫描系统来实现患者体廓模型的点云信息，克服了以往石膏成型法的缺陷，提高了人体模型的精确度及逼真度，为后续矫形器的设计提供了可靠的依据；针对人体模型修型过程中修整距离量化的要求，提出采用计算机对模型进行修整操作，即缩短了操作周期也保证了修整模型的精度；通过逆成形展平法对矫形器模型进行曲面展平，获得矫形器模型毛坯尺寸，可在成形时先裁剪坯料板后卷曲成矫形器实物，取代了传统矫形器成形方法；利用多点渐进卷曲成形的成形技术来实现脊柱侧弯矫形器板材的快速成型，克服了以往加工方法中对薄壁曲面板加工困难的缺陷，针对薄壁曲面板弯曲精度要求高的特定，提出采用CNC数控系统将薄壁曲面板设计曲面参数化转为材料的热弯角度及挤压变形量，既节省了材料也保证了薄壁曲面板的表面精度。

基于上述理由本发明可在脊柱侧弯矫形器技术领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的脊柱矫形器设计流程图。

图2是本发明人体点云信息实体化示意图，A为人体点云信息，B为人体三维实体模型。

图3是本发明脊柱矫形器曲面展平示意图。

图4是本发明脊柱矫形器毛坯尺寸示意图。

图5是本发明曲面多点卷曲成形方法示意图。

图中：1、送料夹持机构；2、矫形器板材；3、红外加热仪；4、弯曲压辊；5、挤压机构；6、热恒温区；7、弯曲挡板；8、导向机构；9、冷态夹持部。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种脊柱矫形器的快速成型设计方法，包括如下步骤：

S1、利用三维人体扫描系统对患者体廓进行扫描，获取患者体廓信息；所述步骤S1中，被测量的患者需站立在扫描仪中间，且需要患者双臂远离躯干以方便体廓信息的获得，对患者体廓信息的三维扫描包括患者站立的位置及拍照动作和获取点云信息的处理。为可清楚反映患者脊柱侧弯的情况，在患者体廓信息采集过程中被测者需将手臂抬起远离躯干至少成85°左右，且使背部朝向一个方位的摄像镜头。

S2、对上述患者体廓拟合成三维实体模型，所述拟合三维实体模型采用Croe软件。如图2A所示，为人体点云信息，由于获得的患者体廓信息的点云数量庞大，会存在噪音点、跳点等误差，因此需对点云信息进行精简、去噪、过滤、向量化等处理，获得高质量的点云信息，并拟合成具有精度较高的人体三维实体模型(如图2B所示)，大大减少噪音点对患者体表精度的影响。

S3、对拟合而成的三维实体模型进行修型处理，是依据矫形器设计原理对三维实体模型划分修剪区域及释放空间，本发明中扫描的患者为四侧弯类型。传统矫形器的设计过程中将人体划分为48个区域，依据其矫形原理利用计算机对其相应位置进行修整处理即在修剪位置进行去除材料，释放空间区域增加材料，为下一步矫形器的设计做准备。

S4、将修整后的三维实体模型的外轮廓向外偏移4cm-8cm的距离，该距离是为矫形器与人体配合时具有较高的吻合度。对偏移的曲面模型进行修整、处理拟合成与患者体廓向匹配的具有矫正效果的矫形器。

S5、如图3所示，本发明利用逆成形展平法，在通过软件立项工程进行展平UG软件钣金成形模块中将矫形器模型进行曲面展平，分析其应力应变、厚度及成型极限等情况，获得其毛坯轮廓，且得到相对应尺寸如图4所示，为下一步曲面卷曲成形做准备。

逆成形展平法对矫形器板材进行曲面展平，依据虚功方程展平即逆运算中不考虑中间变化，只考虑变化始末情况，其展平所依据的为最小功路径展平，由能量守恒可知该系统总和为零，则可列方程：

W-W_tnt-W_ext＝∫_vε^Tσdv-∫_vu^Tfdv＝0，

其中f为外力向量，u^T为虚位移向量，σ为应力向量，ε^T为应变向量。设U为节点位移向量，则可得W关于位移的函数：

$W=\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T(F_{tnt}^e-F_{ext}^e)=-\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T{R}^e=0,$

其中为单元内力，为单元外力，推导该方程得到：

R(U₁)＝F_ext(U_i)-F_int(U_i)，

该方程利用牛顿—拉格朗日法解得：

${\[\∂R\left(U\right)/\∂U\]}_t\mathrm{\Δ}U=-R\left(U_i\right).$

S6、利用曲面多点卷曲成形方法对矫形器板材毛坯件卷曲成矫形器模型。

如图5所示，所述曲面多点卷曲成形方法包括如下步骤：

S61、利用CNC系统将矫形器设计曲面参数转化为材料的局部热弯角度与挤压变形量；

S62、将矫形器板材2利用送料夹持机构1进行夹持，导向机构8及进给机构对所夹持的矫形器板材2进行驱动，实进行间歇式进给；送料夹持机构1的目的是保证矫形器板材与进给机构有效贴合，实现精确的进给。

S63、矫形器板材2通过挤压成形夹持机构的热态夹持部夹持进入热弯机构，热态夹持部作用在挤压成形加工区域矫形器板材的宽度方向的两侧，以抵御挤压压头对矫形器板材的挤压力，通过红外加热仪3的加热在此部分的矫形器板材由于加热处于软化状态，热弯机构在热恒温区6开始工作，在数控系统的控制下，两弯曲挡板7按照数控程序实时调整相应的角度，与所述弯曲压辊4配合以一定的压力f作用在所述矫形器板材2上进行弯曲，随着进给的进行及弯曲角度的变化，可以实现不同弯曲曲率的板材曲面；

S64、挤压机构5根据步骤S61设定的参数对已加热弯曲的矫形器板材2挤压成形，所述挤压机构5是一系列协同运动的挤压辊轮，挤压辊轮通过检测装置自动判断曲面弯曲角度，并调整挤压辊轮挤压面方向，使其始终与曲面法线方向垂直，挤压辊轮在数控系统的控制下按照曲面参数作纵向及垂向进给，最终实现复杂曲面的挤压成形。

所述热恒温区6为密闭环境，始终保持热弯机构的加工区域和挤压机构5的成形区域的温度，使材料始终处于软化的临界状态。

S65、挤压成形夹持机构冷热态夹持部9对挤压成形的矫形器板材夹持进行硬化处理，硬化处理后还可对矫形器板材2进行抛光打磨，直至达到技术要求，最终获得矫形器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、利用三维人体扫描系统对患者体廓进行扫描，获取患者体廓信息；

S2、对上述患者体廓拟合成三维实体模型；

S3、对拟合而成的三维实体模型进行修型处理：

S4、将修整后的三维实体模型的外轮廓向外偏移预设的距离，拟合成脊柱矫形器的初始模型；

S5、利用逆成形展平法对矫形器板材进行曲面展平，分析其应力应变，获得矫形器板材毛坯件尺寸；

S6、利用曲面多点卷曲成形方法对矫形器板材毛坯件卷曲成矫形器模型。

2.根据权利要求1所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，被测量的患者需站立在扫描仪中间，且需要患者双臂远离躯干以方便体廓信息的获得，对患者体廓信息的三维扫描包括患者站立的位置及拍照动作和获取点云信息的处理。

3.根据权利要求2所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，对获得的患者体廓信息的点云信息进行精简、去噪、向量化处理。

4.根据权利要求1所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述拟合三维实体模型采用Croe软件。

5.根据权利要求1所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，是依据矫形器设计原理对三维实体模型划分修剪区域及释放空间，对相应位置进行修整处理，为下一步矫形器的设计做准备。

6.根据权利要求1所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述三维实体模型向外偏移预设的距离在4cm-8cm。

7.根据权利要求1所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述步骤S5中，逆成形展平法对矫形器板材进行曲面展平，依据虚功方程展平即逆运算中不考虑中间变化，只考虑变化始末情况，其展平所依据的为最小功路径展平，由能量守恒可知该系统总和为零，则可列方程：

W-W_tnt-W_ext＝∫_vε^Tσdv-∫_vu^Tfdv＝0，

其中f为外力向量，u^T为虚位移向量，σ为应力向量，ε^T为应变向量。设U为节点位移向量，则可得W关于位移的函数：

$W=\underset{e}{\Σ}{\left(u^e\right)}^T(F_{tnt}^e-F_{ext}^e)=-\underset{e}{\Σ}{\left(u^e\right)}^T{R}^e=0,$

其中为单元内力，为单元外力，推导该方程得到：

R(U₁)＝F_ext(U_i)-F_int(U_i)，

该方程利用牛顿—拉格朗日法解得：

${\[\∂R\left(U\right)/\∂U\]}_t\mathrm{\Δ}U=-R\left(U_i\right).$

8.根据权利要求1所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述曲面多点卷曲成形方法包括如下步骤：

S61、利用CNC系统将矫形器设计曲面参数转化为材料的局部热弯角度与挤压变形量；

S62、将矫形器板材利用送料夹持机构进行夹持，导向机构及进给机构对所夹持的矫形器板材进行驱动，实进行间歇式进给；

S63、矫形器板材通过挤压成形夹持机构的热态夹持部夹持进入热弯机构，热弯机构在热恒温区对矫形器板材加热软化后进行弯曲，将矫形器板材弯曲成适宜穿戴的曲面形状；

S64、挤压机构根据步骤S61设定的参数对已加热弯曲的矫形器板材挤压成形；

S65、挤压成形夹持机构冷热态夹持部对挤压成形的矫形器板材夹持进行硬化处理，最终获得矫形器。

9.根据权利要求8所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述热弯机构设置在热恒温区内，包括对矫形器板材加热的红外加热仪、弯曲压辊、与所述弯曲压辊配合的将所述矫形器板材压住的弯曲挡板以及按照数控程序实时调整角度的弯曲角度调节机构。

10.根据权利要求8所述的脊柱矫形器的快速成型设计方法，其特征在于，所述挤压机构设置在所述热弯机构后用于对已加热弯曲的矫形器板材挤压成形，可沿曲面法线方向作直线运动，通过在曲面法线方向位移的不同实现复杂曲面的挤压成形。