CN107260370A - 基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法及系统 - Google Patents

基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法及系统 Download PDF

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    • A61F2/50—Prostheses not implantable in the body
    • A61F2/78—Means for protecting prostheses or for attaching them to the body, e.g. bandages, harnesses, straps, or stockings for the limb stump
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Abstract

本发明的一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，具体包括以下步骤：对患者残肢的不同部位用不同的颜色标记；根据残肢情况设定不同颜色对应的偏移数据；采用三维扫描技术对患者残肢进行扫描，得到带顶点颜色的三维数据；根据设定的偏移数据对所述三维数据进行偏移处理得到偏移曲面；对所述偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型。对扫描后得到的三维数据处理方法简单，无需操作人员较高的三维数字建模技术水平，省时，并且制作出来的三维模型是根据患者的患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度等方面做了适应性调整，制作出来的假肢接受腔三维模型，无需反复试制修改。

Description

基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法及系统
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法及系统。
背景技术
目前的假肢制作方法主要为手工制作，制作过程主要有手工测量关键数据(长度、周长等)，然后制作模具，根据模具制作义肢，安装测试后后二次调整。其主要缺点有周期长、数据不精确、依靠制作者经验、成本高、无法重复制作等。而借助3D打印及三维扫描技术可以解决绝大部分问题，其主要流程是通过三维扫描获取患者三维数据，然后用3D打印机技术快速生成义肢，目前三维扫描数据精度可以做到0.1mm以下，打印精度也可以做到0.1mm左右，这样就能保证义肢的适配性从而解决目前假肢制作的绝大部分问题。
但是以3D打印及三维扫描技术实现假肢制作其中有一个重要环节目前还没有高效的解决方案，就是三维扫描的数据处理成义肢所需的数据，因为三维扫描的数据是如实的反应患者的实际情况，但假肢的制作过程中需要根据患者的受损位置、受力情况、松紧程度等做必要的调整才能完成接下来的义肢制作。而其中的三维数字模型处理工作以目前的技术手段需要操作人员较高的三维数字建模技术水平，且比较耗费精力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的之一在于提供一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，方法简单，降低对三维模型数据处理人员的技术要求，降低工作量，简化工作环节。
第一方面，本发明提供的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，具体包括以下步骤：对患者残肢的不同部位用不同的颜色标记；根据残肢情况设定不同颜色对应的偏移数据；采用三维扫描技术对患者残肢进行扫描，得到带顶点颜色的三维数据；根据设定的偏移数据对所述三维数据进行偏移处理得到偏移曲面；对所述偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型。
可选地，所述步骤还包括3D打印步骤，所述3D打印步骤在对偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型的步骤之后，所述3D打印步骤根据假肢接受腔三维模型打印出假肢接受腔。
可选地，所述安装前的处理包括对偏移曲面确定倾斜角度及水平面、重心、定位孔和安装孔的位置。
可选地，所述三维数据包括点的三维坐标、点的法向量和点的颜色。
可选地，所述残肢情况包括但不限于患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度。
第二方面，本发明提供的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统，包括三维扫描仪、数据库、数据处理模块和显示模块，所述三维扫描仪对采用不同颜色标记不同部位的患者残肢进行扫描，获取患者残肢带顶点颜色的三维数据并将三维数据发送到数据处理模块；所述数据库中存储有不同体型、受损部位、受力情况、受损部位松紧程度及不同颜色对应的偏移数据，所述数据处理模块接收三维数据，根据患者的体型、受损部位、受力情况、受损部位的松紧程度对三维数据进行偏移处理，得到偏移曲面，对偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型数据，将假肢接受腔三维模型数据发送到显示模块，显示模块接收假肢接受腔三维模型数据并显示出假肢接受腔的三维模型。
可选地，还包括3D打印机，所述数据处理模块将假肢接受腔三维数据模型数据发送给3D打印机，3D打印机接收假肢接受腔三维模型数据并打印出假肢接受腔的三维模型。
可选地，所述三维数据包括点的三维坐标、点的法向量和点的颜色。
可选地，所述安装前的处理包括对偏移曲面确定倾斜角度及水平面、重心、定位孔和安装孔的位置。
本发明的有益效果：
本发明的一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，根据残肢的情况设定不同颜色对应的偏移数据，根据设定的偏移数据对扫描后得到的三维数据作偏移处理实现三维数据定向定量的选择性变形。三维数据处理方法简单，无需操作人员较高的三维数字建模技术水平，省时，并且制作出来的三维模型是根据患者的患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度等方面做了适应性调整，制作出来的假肢接受腔三维模型，无需反复试制修改。
本发明的一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统，通过预先在患者残肢上标记颜色，用不同颜色代表不同的部位，便于根据不同颜色做不同的偏移处理，实现根据设定的偏移数据对三维数据作偏移处理实现三维数据定向定量的选择性变形。系统中的数据处理模块根据患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度等方面做了适应性调整，得到的假肢接受腔三维模型数据更适合患者，无需反复试制修改。采用该系统，操作人员无需具有较高的三维数字建模技术水平，操作简单，节省时间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1示出了本发明第一实施例提供的一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法的流程图；
图2示出了本发明的第一实施例中用三维扫描仪扫描标示后的小腿得到的三维模型；
图3示出了对图2进行偏移后得到的三维曲面模型；
图4示出了图3进行安装前处理得到的小腿假肢接受腔三维模型；
图5示出了本发明第三实施例所提供的一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
图1示出了本发明第一实施例所提供的一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法的流程图，具体包括以下步骤：S1.对患者残肢的不同部位用不同的颜色标记；S2.根据残肢情况设定不同颜色对应的偏移数据；S3.采用三维扫描技术对患者残肢进行扫描，得到带顶点颜色的三维数据；S4.根据设定的偏移数据对所述三维数据进行偏移处理得到偏移曲面；S5.对所述偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型。残肢情况包括但不限于患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度。安装前的处理包括在偏移曲面上设置定位孔和安装孔，定位孔和安装孔的位置和形状根据实际需求设置。
先对患者残肢的部位用不同的颜色标记，做颜色标记有利于在三维扫描后对不同颜色标记的部位进行不同的偏移处理，根据残肢的情况设定不同颜色对应的偏移数据，预先根据残肢的不同情况设有不同颜色对应的偏移数据，根据设定的偏移数据对三维数据作偏移处理实现三维数据定向定量的选择性变形。三维数据处理方法简单，无需操作人员较高的三维数字建模技术水平，省时，并且制作出来的三维模型是根据患者的患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度等方面做了适应性调整，制作出来的假肢接受腔三维模型，无需反复试制修改。
基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法的步骤还包括3D打印步骤，所述3D打印步骤在对偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型的步骤之后，3D打印步骤根据假肢接受腔三维模型打印出假肢接受腔。在假肢接受腔三维模型通过3D打印机打印出来，与现有技术中依靠技师的经验和手法进行的手工制作，简化了制备步骤，缩短了定制时间，且降低了成本。假肢接受腔打印材料采用ABS塑料、PC塑料、PA尼龙或PLA塑料等。
通过三维扫描技术扫描后得到的三维数据包括点的三维坐标、点的法向量和点的颜色，通过点的颜色区分判断是人体的什么部位，根据点的法向量定义偏移的方向，根据预先设定的不同颜色对应的偏移数据，偏移分为向内偏移和向外偏移，完成在点的三维坐标上完成偏移，实现对三维数字模型的定向定量的选择性变形，实现根据患者的患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度等方面做适应性调整。
应用场景，根据上述方法为某失去小腿的患者制作小腿假肢接受腔，患者体型偏瘦，患者的小腿只有一小段。给患者的残肢穿上白色袜子，髌骨是大腿和小腿分界的部位，在白色袜子上用黑色笔或颜料沿髌骨画出大腿和小腿的分界限，在腓骨小头、腓骨末端、胫骨嵴、胫骨粗隆、胫骨末端处用红色标记，胫骨前肌用蓝色标记，用三维扫描仪对患者残肢扫描，得到三维模型，如图2所示，从三维模型中得到三维数据。三维数据格式如下：
ply
format ascii 1.0
comment meshmixer generated
element vertex 187191
property float x
property float y
property float z
property float nx
property float ny
property float nz
property uchar red
property uchar green
property uchar blue
property uchar alpha
element face 374498
property list uchar int vertex_indices
end_header
-0.170293 0.0405109 -0.115827 -0.683879 -0.080814 -0.725106 255 255255 255
0.196612 0.114174 -0.130674 0.746381 -0.125652 -0.653549 255 255 255255
0.19171 -0.0470229 -0.105261 0.74635 -0.12572 -0.653572 255 255 255255
0.159968 -0.0252528 -0.145706 0.74645 -0.125737 -0.653455 255 255 255255
0.19337 0.101667 -0.131971 0.746326 -0.125794 -0.653585 255 255 255255
0.17428 0.0511445 -0.144056 0.746463 -0.12574 -0.653439 255 255 255255
上述三维数据中，-0.170293、0.0405109、-0.115827分别为点坐标x、y和z的值，-0.683879、-0.080814、-0.725106分别为点的法向量nx、ny和nz的值，255.255.255分别代表点在RGB色系中的颜色，可以在三维软件中定义RGB三个颜色数据的范围，实现颜色的区分，如在RGB色系中，255.255.255代表白色，0.0.0代表黑色，255.0.0代表红色。通过x、y、z的值确定偏移的起点，通过nx、ny、nz确定偏移的方向，通过定义好的RGB颜色对应的值来确定偏移的距离。
设定红色表示向外填补，蓝色表示向内削减，在三维数据的基础上找到代表腓骨小头、腓骨末端、胫骨嵴、胫骨粗隆的颜色的点在法向量上分别增加3mm，对代表胫骨末端颜色的点的法向量增加4mm，对代表胫骨前肌颜色的点的法向量减少4mm，如图3所示，得到新的偏移后的曲面模型，再对偏移后的曲面进行安装前的处理，包括确定倾斜角度及水平面、重心、定位孔和安装孔的位置，如图4所示，得到小腿假肢接受腔三维模型。
如图5所示提供了本发明的另一实施例，一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统，包括三维扫描仪1、数据库2、数据处理模块3和显示模块4，所述三维扫描仪1对采用不同颜色标记不同部位的患者残肢进行扫描，获取患者残肢带顶点颜色的三维数据并将三维数据发送到数据处理模块；所述数据库2中存储有不同体型、受损部位、受力情况、受损部位松紧程度及不同颜色对应的偏移数据，所述数据处理模块3接收三维数据，根据患者的体型、受损部位、受力情况、受损部位的松紧程度对三维数据进行偏移处理，得到偏移曲面，对偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型数据，将假肢接受腔三维模型数据发送到显示模块，显示模块4接收假肢接受腔三维模型数据并显示出假肢接受腔的三维模型。在三维扫描前，对患者残肢部位用不同的颜色标记，三维扫描仪对患者残肢进行扫描，获取患者残肢带定点颜色的三维数据。在数据库中预先存储有不同体型、受损部位、受力情况、受损部位松紧程度及不同颜色对应的偏移数据，数据处理模块对接收的三维数据进行处理，根据患者的体型、受损部位、受力情况、受损部位松紧及不同颜色对应的偏移数据，对三维数据进行偏移调整，得到符合患者残肢的假肢接受腔的偏移曲面，再对偏移曲面做安装前需要处理，安装前的处理包括对偏移曲面确定倾斜角度及水平面、重心、定位孔和安装孔的位置，得到假肢接受腔三维模型数据，再将三维模型数据发送到显示模块显示出来。在对偏移曲面确定倾斜角度及水平面、重心、定位孔和安装孔的位置，便于在后期安装组合方便。通过预先在患者残肢上标记颜色，用不同颜色代表不同的部位，便于根据不同颜色做不同的偏移处理，实现根据设定的偏移数据对三维数据作偏移处理实现三维数据定向定量的选择性变形。系统中的数据处理模块根据患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度等方面做了适应性调整，得到的假肢接受腔三维模型数据更适合患者，无需反复试制修改。采用该系统，操作人员无需具有较高的三维数字建模技术水平，操作简单，节省时间。
系统还包括3D打印机5，所述数据处理模块3将假肢接受腔三维数据模型数据发送给3D打印机5，3D打印机5接收假肢接受腔三维模型数据并打印出假肢接受腔的三维模型。通过3D打印机打印出假肢接受腔三维模型，与现有技术中依靠技师的经验和手法进行的手工制作，简化了制备步骤，缩短了定制时间，且降低了成本。
三维数据包括点的三维坐标、点的法向量和点的颜色。通过点的颜色区分判断是人体的什么部位，根据点的法向量定义偏移的方向，根据预先设定的不同颜色对应的偏移数据，偏移分为向内偏移和向外偏移，完成在点的三维坐标上完成偏移，实现对三维数字模型的定向定量的选择性变形，实现根据患者的患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度等方面做适应性调整，使制作出是假肢接受腔三维模型更适合患者。
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，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，其特征在于：具体包括以下步骤：对患者残肢的不同部位用不同的颜色标记；根据残肢情况设定不同颜色对应的偏移数据；采用三维扫描技术对患者残肢进行扫描，得到带顶点颜色的三维数据；根据设定的偏移数据对所述三维数据进行偏移处理得到偏移曲面；对所述偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型。
2.如权利要求1所述的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，其特征在于：所述步骤还包括3D打印步骤，所述3D打印步骤在对偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型的步骤之后，所述3D打印步骤根据假肢接受腔三维模型打印出假肢接受腔。
3.如权利要求1或2所述的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，其特征在于：所述安装前的处理包括对偏移曲面确定倾斜角度及水平面、重心、定位孔和安装孔的位置。
4.如权利要求1所述的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，其特征在于：所述三维数据包括点的三维坐标、点的法向量和点的颜色。
5.如权利要求1所述的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作方法，其特征在于：所述残肢情况包括但不限于患者的体型、受损部位、受力情况和受损部位的松紧程度。
6.一种基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统，其特征在于：包括三维扫描仪、数据库、数据处理模块和显示模块，所述三维扫描仪对采用不同颜色标记不同部位的患者残肢进行扫描，获取患者残肢带顶点颜色的三维数据并将三维数据发送到数据处理模块；所述数据库中存储有不同体型、受损部位、受力情况、受损部位松紧程度及不同颜色对应的偏移数据，所述数据处理模块接收三维数据，根据患者的体型、受损部位、受力情况、受损部位的松紧程度对三维数据进行偏移处理，得到偏移曲面，对偏移曲面做安装前的处理得到假肢接受腔三维模型数据，将假肢接受腔三维模型数据发送到显示模块，显示模块接收假肢接受腔三维模型数据并显示出假肢接受腔的三维模型。
7.如权利要求6所述的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统，其特征在于：还包括3D打印机，所述数据处理模块将假肢接受腔三维数据模型数据发送给3D打印机，3D打印机接收假肢接受腔三维模型数据并打印出假肢接受腔的三维模型。
8.如权利要求6所述的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统，其特征在于：所述三维数据包括点的三维坐标、点的法向量和点的颜色。
9.如权利要求6所述的基于三维扫描技术的假肢接受腔三维模型制作系统，其特征在于：所述安装前的处理包括对偏移曲面确定倾斜角度及水平面、重心、定位孔和安装孔的位置。
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