CN108959761A - 一种新型假肢接受腔制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型假肢接受腔制造方法，具体步骤包括：使用深度相机对残肢进行非接触式扫描；使用三维重建算法对残肢的深度相片进行三维重建；建立残肢‑接受腔装配模型；采用有限元分析方法对残肢‑接受腔装配模型进行辅助修型；利用3D打印机将假肢接受腔快速打印成型。本发明具有精度高、速度快的特点；有限元仿真的结果可靠，可以有效对接结合医师经验平台对接受腔进行修型，使残疾人患者的穿戴更舒适；3D打印快速成型用料少、时间短、成本低，便于个人使用和康复医院推广。

Description

一种新型假肢接受腔制造方法

技术领域

本发明涉及康复医学中假肢学技术领域，具体说是一种新型假肢接受腔制造方法。

背景技术

残疾人数量逐年增多，残疾人的生活水平提高，对假肢的舒适度，轻便程度都有更高的要求，石膏定制法工艺较为复杂，价格昂贵，成型时间长，已逐渐不适应发展趋势。

专利CN102920538A提出一种改进的接受腔制造方法，一定程度上改进了石膏定制法手工抽真空树脂成型的问题。专利CN1262919提出一种利用聚乙烯材质的小腿接受腔制造方案，具有价格低廉的优势，便于普及。专利CN101478936提出不采用石膏定型的直接成型方法，具有一定的可行性。专利CN1442207提出优化假肢接受腔硅胶内衬套效果的方法。专利CN101700412A研究了一种基于纳米材料的硅胶内衬套制作方法。专利CN1608589提出了基于超声波测量的假肢接受腔制造方法，一定程度上实现了骨骼和皮肤取型的问题。以上专利具备一定的应用价值，但都没有解决残肢受力的优化问题，为了明确残肢与接受腔之间接触压力的分布，专利CN106726031A提出一种在接受腔内壁安装传感器的方法，进行实时测量和评估，具备一定的应用价值，不足之处是该设备在实际应用中还存在问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中的不足，提供一种新型假肢接受腔制造方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种新型假肢接受腔制造方法，具体包括以下步骤：

步骤1，使用深度相机对残肢进行非接触式扫描，得到残肢的深度图像；

步骤2，使用三维重建算法对残肢的深度相片进行三维重建，三维重建算法过程为：深度相机标定、点云滤波、特征计算、点云配准和表面构造，得到残肢的点云数据；深度相机扫描残肢，得到一帧点云深度图像，利用深度相机扫描残肢的各个角度，可以得到若干帧残肢不同角度的点云深度图像，利用步骤2描述的步骤，可以通过这些点云深度图像重建残肢的表面。

步骤3，根据步骤2的残肢三维重建的结果，建立残肢-接受腔装配模型，残肢-接受腔装配模型包括残肢骨骼模型、残肢软组织模型、衬套模型和接受腔模型；

步骤4，采用有限元分析方法对残肢-接受腔装配模型进行辅助修型，得到残肢-接受腔定制模型；

步骤5，利用3D打印机将假肢接受腔快速打印成型。

本发明进一步的设计方案中，步骤1中，使用深度相机对残肢进行非接触式扫描时，深度相机在环绕残肢一周的周期内采集不少于10副深度点云图像，从深度相机环绕残肢扫描不少于3圈。

本发明进一步的设计方案中，步骤2中，深度相机标定采用张正友标定方法，点云滤波采用中值滤波进行滤波，特征计算采用FPFH特征子。

本发明进一步的设计方案中，步骤2中，点云配准包括初始配准与精确配准，初始配准首先计算两帧需要配准的点云集的FPFH特征，利用RANSAC算法抽取源点云中一定数量的样本，在目标点云中选择FPFH特征相似的目标点，以最优值作为初始配准的结果；精确配准采用ICP算法。

本发明具有以下突出的有益效果：

本发明实现了基于深度相机的非接触式扫描，提出算法重建了残肢表面，具有精度高、速度快的特点；有限元仿真的结果可靠，可以有效对接结合医师经验平台对接受腔进行修型，使残疾人患者的穿戴更舒适；3D打印快速成型用料少、时间短、成本低，便于个人使用和康复医院推广。

附图说明

图1是实施例中使用三维重建算法对残肢的深度相片进行三维重建的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例

一种新型假肢接受腔制造方法，具体包括以下步骤：

步骤1，使用深度相机对残肢进行非接触式扫描，得到残肢的深度图像；

残疾人患者平躺于检查床上，抬起残肢，通过自身固定保持静止；假肢技师手持深度相机环绕残肢进行扫描，扫描要求环绕残肢一周的周期内采集不少于10副深度点云图像，从而满足三维重建的要求，环绕残肢不少于3圈，可以一定程度上起到平滑和平均的作用。

步骤2，使用三维重建算法对残肢的深度相片进行三维重建，三维重建算法过程为：深度相机标定、点云滤波、特征计算、点云配准和表面构造，得到残肢的点云数据；具体流程如图1，具体说明各流程的实现方法：

1）用于测量的深度相机标定

深度相机标定采用张正友标定方法，通过标定板中的角点标定内参数；外参数通过调整标定板和相机的相对位置进行标定，为了降低误差，提高精度，内参数标定时选择角点数目不低于20个，外参数标定时标定板的相对位置调整20次以上。同时利用标定板进行径向畸变系数的标定。

1）点云滤波

点云的滤波采用中值滤波进行，中值滤波可以滤除椒盐噪声，适合用于深度相机点云。

1）点云特征计算

特征计算采用FPFH特征子，FPFH特征子需要计算点云法向量和k邻域。k邻域通过构造点云KD树数据结构实现；点云的法向量采用曲面拟合的方法实现；基于特定点k邻域和该点与k邻域点法向量之间的角度、距离关系，计算该点的FPFH特征，基于此方法计算点云中所有点的FPFH特征。

1）点云配准与重建

点云特征计算是为了相邻帧的点云配准，点云配准即将点云拼接，转换至同一坐标系的过程。点云配准包括初始配准与精确配准，初始配准将两帧点云配准到相对准确的位置，提升精确配准的鲁棒性。初始配准首先计算两帧需要配准的点云集的FPFH特征，针对点云数据量庞大的问题，利用RANSAC(采样一致性)算法抽取源点云中一定数量的样本，在目标点云中选择FPFH特征相似的目标点，以最优值作为初始配准的结果。精确配准采用ICP(迭代最近点)算法，基于初始配准的结果通过迭代的方法进行匹配点均方差计算，均方差最小的结果即精确配准结果，至此完成相邻帧点云配准，将深度相机扫描的所有点云帧进行配准后，统一到同一坐标系中，实现残肢点云的重建。

表面构造基于残肢点云重建结果实现残肢表面重建，具体方法应用Delaunay三角化算法快速进行有序点云构造，从而实现重建。

步骤3，根据步骤2的残肢三维重建的结果，建立残肢-接受腔装配模型，残肢-接受腔装配模型包括残肢骨骼模型、残肢软组织模型、衬套模型和接受腔模型；

步骤4，采用有限元分析方法对残肢-接受腔装配模型进行辅助修型，得到残肢-接受腔定制模型；

残肢三维重建实现了高精度非接触式扫描，解决了接受腔形状适配的问题。为了改善残疾人穿戴假肢接受腔后出现的不良反应，需要通过科学的方法进行假肢接受腔修型，本实施例利用有限元分析辅助修型，首先根据残肢三维重建的结果，建立残肢-接受腔装配模型，包括残肢骨骼模型，残肢软组织模型，衬套模型，接受腔模型，为了方便有限元仿真和分析，可以将这四个部分都简化为各向同性的线弹性实体模型。具体实现方式为：

由于人类的骨骼外形基本相似，对大腿残疾人患者而言，区别最大的是残疾人股骨的长度，股骨的粗细的影响不是很大，因此，首先通过志愿者CT影像建立股骨通用模型，根据残疾人各自的情况，通过假肢技师对残疾人残肢的检查，利用股骨通用模型进行长度变换，匹配残疾人的实际情况。

残疾人软组织形状通过基于深度相机测量，三维重建的方法构造，利用建模技术建立软组织模型。

根据康复医院使用的实际情况，衬套采用4mm厚度的硅胶作为材料，在建模软件中对软组织模型加厚4mm，建立衬套实体模型；在实际应用中假肢接受腔厚度大约为5mm，则在软件中将衬套加厚5mm，建立假肢接受腔实体模型。至此，完成了残肢-接受腔模型的建立，衬套和接受腔完美匹配了残肢的形状。

为了避免有限元仿真中可能出现的异常和建模过程中曲率过大的问题，首先通过曲面修复等操作优化骨骼和软组织模型，将其表面转换为NURBS曲面，具体实现方法包括：模型细节修理；曲率检测；轮廓线修复；构造格栅；拟合曲面。建立NURBS曲面后，通过建模软件缝合，形成各个部分实体模型，实现残肢-接受腔装配模型的曲面修复和实体化。

有限元分析的目标是分析残肢-接受腔装配模型的受力情况，包括正应力和剪应力，基于有限元分析，结合假肢技师以往的经验平台，对假肢接受腔进行合理的修型。残肢-接受腔模型的建立和优化为有限元分析打下了基础，有限元分析的主要步骤如下：

1）材料设定

本专利将残肢-接受腔装配模型的四个组成部件骨骼，软组织，衬套，接受腔都视为各向同性的线弹性实体模型。各部分材质定义如表1，定义材质后，为四个部件赋予截面属性。

表1 各部件材质定义

部件	杨氏模量(MPa)	泊松比	备注
				骨骼	10000	0.3
软组织	0.3	0.49
				衬套	2	0.48	硅胶
接受腔	2000	0.4	ABS

2）网格划分

四个部件均几何不规则，故采用四面体自由曲面划分每个部件，网格单元选择修正二次四面体网格，及C3D10M，具备较高的精度，同时不会出现体积自锁。主从面的设定根据有限元分析和实际情况设定，具体尺寸参考表2。

表2 网格尺寸

部件	尺寸(mm)
		骨骼	6
软组织	4
		衬套	6
接受腔	8

3）接触定义

残肢-接受腔装配模型中具备三种接触，即骨骼与软组织，软组织与衬套，衬套与接受腔。其中骨骼与软组织不可分离，因此设置为绑定约束。另两种接触法相作用定义为硬接触，切向作用为库伦摩擦，根据实际情况设定罚摩擦，摩擦系数设定为0.5。

4）步态周期设定

为了分析残肢受力的极值点，分析在步态周期内可能出现极值点的三个时相，定义穿戴接受腔的腿一侧为患侧，正常行走的一侧为健侧，则步态周期中受力极值点分别是：健侧脚尖离地相；直立相；健侧脚尖着地相；

5）分析步定义

选择静力学分析进行三个步态时相的有限元仿真。由于残肢受力来源于自身重力引起的地面反作用力，属于大变形范畴，因此在有限元分析中定义几何非线性分析，分析步的初始值设定为1E-5，最小值1E-5。

6）载荷与边界条件设定

根据三个步态受力极值时相，根据志愿者的体重和行走力矩设定载荷，行走力矩根据志愿者在各时相时重心与地面支点的向量计算。本专利提出利用接受腔底部的集中力载荷模拟真实受力，同时设定骨骼与软组织的固定边界条件，并利用小刚度弹簧避免不可控刚体位移。

完成以上步骤后，进行三个步态时相的有限元分析，分别得出正应力和剪应力分布情况。

步骤5，利用3D打印机将假肢接受腔快速打印成型。

利用深度相机扫描残肢并实现残肢三维重建，建立残肢-接受腔装配模型，基于有限元仿真的结论辅助修型后，得到假肢接受腔定制模型。为了解决传统假肢接受腔制造工艺定制周期长，成本高等不方便残疾人使用的问题，本专利提出利用3D打印机实现假肢接受腔快速成型，具备成型速度快，用料少，成本低，耐用等特点。具体实现方法如下：

1）修复接受腔STL模型

STL为3D打印机支持的文件格式，通过三维重建和修型后，将定制假肢接受腔模型导出为STL，并手工排除错误。

2）切片

通过切片软件对STL模型切片，得到gcode文件，其中定义了3D打印机的相关参数和打印机的打印路线。

本发明提出利用深度相机测量残肢表面，重建高精度残肢模型，通过实体建模和曲面修复等步骤建立并优化残肢-接受腔装配模型，利用有限元仿真分析残肢-接受腔模型受力情况，得到残肢形状规则情况下普遍的受力分布，结合假肢技师的经验平台进行修型，最后利用3D打印技术实现假肢接受腔快速成型。本发明对假肢接受腔的取型，修型和成型都给出了相应的解决方案。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种新型假肢接受腔制造方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，使用深度相机对残肢进行非接触式扫描，得到残肢的深度图像；

步骤2，使用三维重建算法对残肢的深度相片进行三维重建，三维重建算法过程为：深度相机标定、点云滤波、特征计算、点云配准和表面构造，得到残肢的点云数据；

步骤3，根据步骤2的残肢三维重建的结果，建立残肢-接受腔装配模型，残肢-接受腔装配模型包括残肢骨骼模型、残肢软组织模型、衬套模型和接受腔模型；

步骤4，采用有限元分析方法对残肢-接受腔装配模型进行辅助修型，得到残肢-接受腔定制模型；

步骤5，利用3D打印机将假肢接受腔快速打印成型。

2.根据权利要求1所述的新型假肢接受腔制造方法，其特征在于，步骤1中，使用深度相机对残肢进行非接触式扫描时，深度相机在环绕残肢一周的周期内采集不少于10副深度点云图像，从深度相机环绕残肢扫描不少于3圈。

3.根据权利要求1所述的新型假肢接受腔制造方法，其特征在于，步骤2中，深度相机标定采用张正友标定方法，点云滤波采用中值滤波进行滤波，特征计算采用FPFH特征子。

4.根据权利要求1所述的新型假肢接受腔制造方法，其特征在于，步骤2中，点云配准包括初始配准与精确配准，初始配准首先计算两帧需要配准的点云集的FPFH特征，利用RANSAC算法抽取源点云中一定数量的样本，在目标点云中选择FPFH特征相似的目标点，以最优值作为初始配准的结果；精确配准采用ICP算法。