CN109394410A - 基于病人个性化外固定3d打印模型设计方法及切片系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法及切片系统，该方法涵盖病人病区部位表面三维扫描数据到3D打印所需GCODE代码生成的整个过程；该系统包括：数据存取模块、空间姿态调整模块、模型分割模块、模型透气孔模块、模型提取模块、模型融合模块、模型切片模块和可视化显示模块。通过本发明提供的基于骨科病人病区部位表面扫描网格的骨科外固定的设计方法和系统，能方便、稳定地设计骨科个性化外固定的两个半剖模型，并基于包围盒的切片轨迹规划和优化系统，快速生成GCODE代码，自动化程度高，适用于临床医生用于异形打印头的骨科个性化外固定的3D实物打印。

Description

基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法及切片系统
技术领域
本发明涉及一种3D打印模型设计方法及切片系统，具体是一种骨科病人病区部位表面扫描网络的个性化外固定快速3D打印的模型设计方法及切片轨迹规划系统，属于医学技术领域。
背景技术
一般而言，医用的外固定是用来固定病人某一部分损伤的肢体，减少损伤肢体的运动，有助于患者损伤肢体的恢复。常见的有骨折患者打石膏或者夹板：一方面，石膏具有可塑性，能够较好地成型，干燥后比较坚固，但是临床实践表明，石膏固定的肢体部位无法清洗，在不同情况下，石膏固定可能会压迫血管，或局部压迫产生压疮；另一方面，小夹板固定无法满足个性化需求，固定松紧程度需要医生的经验。此外，近来出现的高分子化合物绷带具有重量轻、硬度高、防水透气等优点，但操作过程依旧依靠医生经验。针对这些存在的客观问题，个性化的外固定设计至关重要。
随着3D打印在医学领域应用的不断发展，能够解决外固定个性化设计与制造问题，但目前的模型设计需要依赖专业的CAD软件，并且设计与切片是分开的系统，无法适应临床医生的实际需求。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法及切片轨迹规划系统，其可以直接处理病人病区部位扫描得到的三维表面模型，快速得到合适的个性化外固定三维表面模型，通过包围盒切片，生成打印轨迹，并偏置和优化打印轨迹，生成GCODE代码，系统自动化程度高，操作简单，临床医生使用容易。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，该3D打印模型设计方法包括：
S1：对病人病区部位表面三维扫描数据进行处理；
S2：采用空间姿态矩阵变换方法，进行三维点云和面片的位姿调整，并自动对齐3D打印机的打印方位；
S3：获取三维扫描模型的包围盒，赋予包围盒三个方向的移动和旋转功能，通过包围盒的旋转和大小调整，与三维网格模型进行布尔减运算，快速得到合适大小的初始外固定三维网格模型；
S4：在适应3D打印方向上，将包围盒的大小缩小一半，进行布尔减运算，得到初始外固定的两个半剖、非封闭的三维网格模型；
S5：对外固定两个半剖三维网格模型，构建顶部和底部的卡扣模型，外固定两个半剖三维网格模型分别与顶部和底部的卡扣模型进行布尔减运算，得到四个网格模型；
S6：顶部和底部的卡扣模型分别与外固定两个半剖三维网格模型进行点云和面片的拓扑融合，得到外固定的两个带卡扣的半剖三维网格模型；
S7：利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与初始外固定的两个半剖的非封闭三维网格模型进行布尔减运算，获得含透气孔的外固定两个半剖三维网格模型；
S8：分别获取两个带卡扣的含透气孔外固定的半剖网格模型的包围盒，设定切片层高，循环定义不同大小的与原包围盒方位相同的包围盒，分别切割半剖网格模型，获取并存储每层相交求得的直线；
S9：针对分层相交求得的直线，依据拓扑关系进行相交点排序，判断边界点，相邻边界点之间为空轨迹，其余点连线为需要轨迹；
S10：依据异形打印头的尺寸，对轨迹进行偏置，并根据打印精度的要求，采用插补算法优化轨迹，生成3D打印机所需要的优化的GCODE代码，发送给打印机，进行外固定的快速实物打印。
优选的，在S3和S4步骤中，基于三维扫描模型的包围盒，及包围盒方位和大小的交互调整，通过包围盒与三维扫描模型的布尔运算，获得大小合适的初始外固定的两个半剖、非封闭的三维网格模型。
优选的，在S7步骤中，顶部和底部的卡扣模型分别与含透气孔的外固定两个半剖三维网格模型进行点云和面片的拓扑融合。
优选的，在S10步骤中，可以生成3D打印机所需要的优化的GCODE代码，发送给打印机，进行外固定的快速实物打印。
优选的，所述3D打印模型设计方法包括半剖模型的卡扣设计模型，以便使用过程中两半外固定的定位和固定，其中，对半剖模型的处理步骤包括：(a)自动创建顶部和底部卡扣；(b)融合：将卡扣模型分别与其切割的半剖模型进行合成，获得两个含卡扣的外固定半剖模型；(c)透气孔：基于含卡扣的半剖模型包围盒的长和高自动生成透气孔的位置和数目。
优选的，所述3D打印模型设计方法包括基于包围盒的快速切片模块，得到相交直线。
一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计与切片轨迹规划集成系统，所述系统包括：
数据存取模块，读取表面三维扫描数据，并采用链表存储点坐标、Mesh信息及拓扑关系，设计的个性化外固定三维表面模型的保存和输出，GCODE代码的保存和输出；
空间姿态调整模块，获取移动和转动模型的空间变换矩阵，乘以模型的点坐标，更新点坐标和网格关系，完成模型的空间坐标变换；
模型分割模块，通过调整模型包围盒的大小和方位，与模型进行求交，得到所需模型；
模型提取模块，保证外固定穿戴时能定位，自动创建顶部和底部卡扣的包围盒，与半剖模型进行布尔切割；
模型融合模块，将卡扣模型分别与其切割的半剖模型进行合成，依据链表存储结构，依次更新面片拓扑结构和点索引，得到两个含卡扣的外固定半剖模型；
模型透气孔模块，透气孔的位置和数目是基于半剖模型包围盒的长和高自动生成，透气孔可为定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与半剖模型布尔减运算获得；
模型切片模块，对两个含卡扣和透气孔的个性化外固定半剖模型进行切片；
可视化显示模块，模型设计和轨迹规划中的3D模型显示和交互操作。
优选的，所述分割模块步骤具体包括：(a)模型整形分割，通过调整包围盒控制图柄，改变包围盒的长、宽、高尺寸和其方向，与初始扫描模型进行布尔运算，生成初始外固定整体模型，并进行坐标变换，将初始外固定整体模型更新至打印中心；(b)沿打印方向的垂直方向，调整初始外固定整体模型的包围盒为初始一半，与初始外固定整体模型进行布尔运算，得到外固定的两个半剖模型。
优选的，所述切片模块的步骤具体包括：将顶部卡扣模型反转，切割方向沿z向上，包括：(a)切割：定制层高，由带卡扣外固定半剖模型包围盒z向高度，得到层数，形成一系列的包围盒，与带卡扣外固定半剖模型进行递归布尔交运算，得到每层的相交线集合；(b)排序：通过相交线段拓扑关系，寻找每层内部边界点和相邻两层外部边界点，获取每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，生成往复喷料的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹；(c)路径偏置：对每层轨迹的路径线段，求取法向向量，单位化后，每个分量乘偏置距离，该线段的两点分别加上这个向量，得到法向偏置后的两点坐标，循环并进行线段求交，得到偏置路径；(d)轨迹优化：首先根据轨迹线段的长度，剔除长度极小线段，更新线段拓扑关系，然后在一定精度下判断相邻两线段是否共线，如共线，剔除相邻线段的交点，将相邻线段首尾两点相连形成一条线段，更新拓扑关系。
优选的，外固定快速3D打印模型设计与切片轨迹规划集成的该系统还包括分层相交直线的拓扑排序模块，可判断边界点，相邻边界点之间为空轨迹，其余点连线为需要轨迹；以及轨迹偏置和基于精度的轨迹插补优化。
本发明的有益效果是：该3D打印模型方法是基于骨科病人病区部位表面扫描网格的个性化外固定3D打印方法，涵盖病区部位表面三维扫描数据到3D打印所需GCODE代码生成的整个过程；个性化外固定快速3D打印模型设计与切片轨迹规划集成系统，通过对病人病区部分表面扫描三维网格模型的方位调整、通过模型快速切割得到初始外固定模型、半剖模型、卡扣模型、透气孔，能方便、稳定地设计骨科个性化外固定的两个半剖模型，并基于包围盒的方法对两个半剖三维网格模型进行切片得到轨迹、轨迹偏置和优化，生成3D打印所需要的GCODE代码，用于配套3D打印机的快速实物打印。
该方法和系统具有自动性，集成系统自动化程度高，操作简单，简化设计流程，适用于临床医生用于异形打印头的骨科个性化外固定的3D实物打印。
附图说明
图1为本发明中切片轨迹规划系统示意图；
图2为本发明流程示意图。
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，显然，所描述的实施例仅仅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。
一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，该3D打印模型设计方法包括：
S1：对病人病区部位表面三维扫描数据进行处理(这种处理并不是传统的基于实体建模和三维切片打印)；
S2：采用空间姿态矩阵变换方法，进行三维点云和面片的位姿调整，并自动对齐3D打印机的打印方位；
S3：获取三维扫描模型的包围盒，赋予包围盒三个方向的移动和旋转功能，通过包围盒的旋转和大小调整，与三维网格模型进行布尔减运算，快速得到合适大小的初始外固定三维网格模型；
S4：在适应3D打印方向上，将包围盒的大小缩小一半，进行布尔减运算，得到初始外固定的两个半剖、非封闭的三维网格模型；
S5：对外固定两个半剖三维网格模型，构建顶部和底部的卡扣模型，外固定两个半剖三维网格模型分别与顶部和底部的卡扣模型进行布尔减运算，得到四个网格模型；
S6：顶部和底部的卡扣模型分别与外固定两个半剖三维网格模型进行点云和面片的拓扑融合，得到外固定的两个带卡扣的半剖三维网格模型；
S7：利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与初始外固定的两个半剖的非封闭三维网格模型进行布尔减运算，获得含透气孔的外固定两个半剖三维网格模型；
S8：分别获取两个带卡扣的含透气孔外固定的半剖网格模型的包围盒，设定切片层高，循环定义不同大小的与原包围盒方位相同的包围盒，分别切割半剖网格模型，获取并存储每层相交求得的直线；
S9：针对分层相交求得的直线，依据拓扑关系进行相交点排序，判断边界点，相邻边界点之间为空轨迹，其余点连线为需要轨迹；
S10：依据异形打印头的尺寸，对轨迹进行偏置，并根据打印精度的要求，采用插补算法优化轨迹，生成3D打印机所需要的优化的GCODE代码，发送给打印机，进行外固定的快速实物打印。
优选的，在S3和S4步骤中，基于三维扫描模型的包围盒，及包围盒方位和大小的交互调整，通过包围盒与三维扫描模型的布尔运算，获得大小合适的初始外固定的两个半剖、非封闭的三维网格模型。
优选的，在S7步骤中，顶部和底部的卡扣模型分别与含透气孔的外固定两个半剖三维网格模型进行点云和面片的拓扑融合。
优选的，在S10步骤中，可以生成3D打印机所需要的优化的GCODE代码，发送给打印机，进行外固定的快速实物打印。
优选的，所述3D打印模型设计方法包括半剖模型的卡扣设计模型，以便使用过程中两半外固定的定位和固定，其中对半剖模型的处理步骤包括：(a)自动创建顶部和底部卡扣；(b)融合：将卡扣模型分别与其切割的半剖模型进行合成，获得两个含卡扣的外固定半剖模型；(c)透气孔：基于含卡扣的半剖模型包围盒的长和高自动生成透气孔的位置和数目。
优选的，所述3D打印模型设计方法包括基于包围盒的快速切片模块，得到相交直线。
如图1所示：一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计与切片轨迹规划集成系统，所述系统包括：
数据存取模块，读取表面三维扫描数据，并采用链表存储点坐标、Mesh信息及拓扑关系，设计的外固定三维表面模型的保存和输出，GCODE代码的保存和输出；
空间姿态调整模块，获取移动和转动模型的空间变换矩阵，乘以模型的点坐标，更新点坐标和网格关系，完成模型的空间坐标变换；
模型分割模块，通过调整模型包围盒的大小和方位，与模型进行求交，得到所需模型；
模型提取模块，保证外固定穿戴时能定位，自动创建顶部和底部卡扣的包围盒，与半剖模型进行布尔切割；
模型融合模块，将卡扣模型分别与其切割的半剖模型进行合成，依据链表存储结构，依次更新面片拓扑结构和点索引，得到两个含卡扣的外固定半剖模型；
模型透气孔模块，透气孔的位置和数目是基于半剖模型包围盒的长和高自动生成，透气孔可为定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与半剖模型布尔减运算获得；
模型切片模块，对两个含卡扣和透气孔的个性化外固定半剖模型进行切片；
可视化显示模块，模型设计和轨迹规划中的3D模型显示和交互操作。
优选的，所述分割模块步骤具体包括：(a)模型整形分割，通过调整包围盒控制图柄，改变包围盒的长、宽、高尺寸和其方向，与初始扫描模型进行布尔运算，生成初始外固定整体模型，并进行坐标变换，将初始外固定整体模型更新至打印中心；(b)沿打印方向的垂直方向，调整初始外固定整体模型的包围盒为初始一半，与初始外固定整体模型进行布尔运算，得到外固定的两个半剖模型。
优选的，所述切片模块的步骤具体包括：将顶部卡扣模型反转，切割方向沿z向上，包括：(a)切割：定制层高，由带卡扣外固定半剖模型包围盒z向高度，得到层数，形成一系列的包围盒，与带卡扣外固定半剖模型进行递归布尔交运算，得到每层的相交线集合；(b)排序：通过相交线段拓扑关系，寻找每层内部边界点和相邻两层外部边界点，获取每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，生成往复喷料的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹；(c)路径偏置：对每层轨迹的路径线段，求取法向向量，单位化后，每个分量乘偏置距离，该线段的两点分别加上这个向量，得到法向偏置后的两点坐标，循环并进行线段求交，得到偏置路径；(d)轨迹优化：首先根据轨迹线段的长度，剔除长度极小线段，更新线段拓扑关系，然后在一定精度下判断相邻两线段是否共线，如共线，剔除相邻线段的交点，将相邻线段首尾两点相连形成一条线段，更新拓扑关系。
优选的，外固定快速3D打印模型设计与切片轨迹规划集成的该系统还包括分层相交直线的拓扑排序模块，可判断边界点，相邻边界点之间为空轨迹，其余点连线为需要轨迹；以及轨迹偏置和基于精度的轨迹插补优化。
实施例
如图2所示：本发明实施例提供基于骨科病人病区部分表面扫描网格的骨科个性化外固定快速3D打印模型设计方法和切片轨迹规划系统，包括以下设计和规划步骤：
1.空间姿态调整：
空间姿态调整主要是调整模型的空间位置，便于模型后期打印与模型切割。
(1)导入模型后，读取并采用链表存储vertices坐标信息，Mesh的点拓扑关系。
(2)调整模型姿态。移动和转动模型的实现均通过屏幕点击，捕捉鼠标的点击和释放信号，记录移动的方向和距离，转化为相应的X，Y，Z轴旋转角度及移动量。由鼠标交互生成的移动和旋转信息，转化为4×4的空间变换矩阵C[]。
(3)获取该模型Mesh的点云信息，将该模型中所有的点vertices的坐标乘以该空间变换矩阵C[]，得到新的点云坐标，更新Mesh点云坐标，完成模型的空间坐标变换。
2.模型整形分割：
(1)比较模型内vertices坐标值，获得Xmax、Xmin、Ymax、Ymin、Zmax、Zmin，并将已获取到值，存入两个点，b1＝(Xmax,Ymax,Zmax)，b2＝(Xmin,Ymin,Zmin)，创建模型包围盒。
(2)改变包围盒的大小。通过鼠标交互拖动包围盒控制图柄，调整包围盒的长、宽、高尺寸，更新b1＝(Xmax,Ymax,Zmax)，b2＝(Xmin,Ymin,Zmin)的值，创建出新的包围盒。
(3)旋转包围盒，旋转指定坐标轴，鼠标交互获得旋转角度，生成一个4×4旋转矩阵R[]。然后将网格Mesh内坐标所有vertices乘以旋转矩阵R[]，更新网格Mesh,将原来的网格转动到包围盒内部。
(4)截取模型。获取整体模型Mesh的面片triangles,点坐标vertices信息。进行网格求交。将mesh中的面片依次与box的-X平面求交，若存在交点，则两交点与该面片的点相连，构成新的面片，将属于-X平面左侧的面片、与mesh不相交的面片，赋以特殊索引号，添加进outsideMesh。将outsideMesh作为循环运算的mesh与box的+X平面求交，生成新的面片，将位于+X平面右侧的面片，与mesh不相交的面片一起更新存放到outsideMesh，再与-Y，+Y，-Z，+Z求交，即为模型与包围盒求交之后的网格insideMesh。由insideMesh生成的模型Mesh.section就是截取到的模型。
(5)截取到的模型后，将模型包围盒中心自动摆正到打印中心。
(6)获取Mesh.section的坐标vertices信息。获取包围盒中心坐标(XBX,YBY,ZBZ)，给定打印中心坐标值(Xp,Yp,Zp)，需要将包围盒中心移动到打印中心。由公式BM[]·T[]＝VP[],其中BM[]为包围盒中心坐标矩阵，VP[]为打印中心坐标矩阵。求得一个4×4的平移矩阵T[]，将模型Mesh.section的所有坐标值vertices乘以平移矩阵T[]后，更新Mesh.section，模型就摆正到打印中心。
(3)模型剖分：
截取到的整个模型，如果整体打印出来后，不方便佩戴。所以为了便于患者佩戴使用，需要将截取到的模型Mesh.section进行模型半剖分。
(1)获取到模型Mesh.section的网格信息，同样通过比较Mesh.section的坐标vertices信息，创建Mesh.section的包围盒。
(2)在交互界面上拖动包围盒控制图柄，通过该交互操作获得调整距离，调整包围盒的尺寸大小，生成新的包围盒信息。
(3)截取模型。获取整体模型Mesh.section的网格信息，面片triangles,点坐标vertices信息。进行网格求交。将mesh中的面片依次与box的-X平面求交，若存在交点，则两交点与该面片的点相连，构成新的面片，将属于-X平面左侧的面片、与mesh不相交的面片，赋以特殊索引号，添加进outsideMesh。将outsideMesh作为循环运算的mesh与box的+X平面求交，生成新的面片，将位于+X平面右侧的面片，与mesh不相交的面片一起更新存放到outsideMesh，再与-Y，+Y，-Z，+Z求交，模型与包围盒求交之后的网格为insideMesh。
(4)分别将outsideMesh与insideMesh分别保存为Mesh.section1与Mesh.section2.两部分，得到剖分后的两部分模型。
4.构建顶部和底部卡扣模型：
(1)构建卡扣过程中，选中剖分后的模型，获取该部分模型的包围盒中心，如果该部分模型中心位于剖分面左侧，判定该部分模型提取顶部卡扣。获取该部分模型包围盒坐标信息，创建卡扣包围盒。
如果剖分面为与XOZ轴平行的平面:包围盒中心X卡<X模；
X卡max＝X模max,X卡min＝X模max-a
Y卡max＝Y模max,Y卡min＝Y模min
Z卡max＝Z模max,Z卡min＝Z模max-h
如果剖分面为YOZ轴平行的平面：包围盒中心Y卡<Y模；
X卡max＝X模max,X卡min＝X模min
Y卡max＝Y模max,Y卡min＝Y模max-a
Z卡max＝Z模max,Z卡min＝Z模max-h
创建卡扣包围盒。
(2)网格求交。获取Mesh.section1的Mesh信息，与创建的卡扣包围盒各个平面求交。求交方法与截取模型的求交方法相同。最后求交获取到outsidemesh与insidemesh两部分网格，分别生成顶部卡扣模型Mesh.section1.section1与带有顶部卡扣定位孔的半剖模型Mesh.section1.section2。
(3)如果模型中心位于剖分面右侧,如果剖分面为与XOZ平行的平面:包围盒中心X卡<X模；
X卡max＝X模min+a,X卡min＝X模min
Y卡max＝Y模max,Y卡min＝Y模min
Z卡max＝Z模min+h,Z卡min＝Z模min
如果剖分面为YOZ轴平行的平面：包围盒中心Y卡>Y模；
X卡max＝X模max,X卡min＝X模min
Y卡max＝Y模min+a,Y卡min＝Y模min
Z卡max＝Z模min+h,Z卡min＝Z模min
创建底部卡扣包围盒。
(4)网格求交。获取Mesh.section2的Mesh信息，与创建的底部卡扣包围盒各个平面求交。提取底部与卡扣包围盒内部的网格信息。求交方法与截取模型的求交方法相同。最后求交获取到outsidemesh与insidemesh两部分网格，分别生成底部卡扣模型Mesh.section2.section1与带有底部卡扣定位孔的半剖模型Mesh.section2.section2。
5.模型融合：
卡扣模型生成后，两个模型的几何和拓扑关系是独立，需整合成一个模型，便于切割，生成正确的加工轨迹。
(1)获取两个模型Mesh1，Mesh2的面片、点数vertices1,vertices2的信息，分别采用链表存储；
(2)申请动态内存，创造新的对象Merged Mesh；
(3)将Mesh1的面片拓扑添加进Merged Mesh结构中；
(4)添加Mesh2时，首先添加面片信息，然后将对应面片的索引号加上
Mesh1的点数vertices1，更新点的索引。
6.自动构建透气孔：
(1)透气孔的作用是防止皮肤长时间不接触空气，细胞活性降低，严重时可能坏死。透气孔的大小为10*20的规格，每层两个，两孔分别位于当前层高的包围盒中线两侧，层数取决于打印模型的高度。模型高为0-7cm时不挖孔，7-9cm时挖一层孔，9-14cm挖两层孔，14-19cm挖三层孔。透气孔的位置和数目是基于包围盒的长和高自动生成。
(2)透气孔的实现：对选中的模型，获取包围盒信息，计算每个方形孔的空心位置，并创建一定大小的，深度为包围盒宽度的box1。利用box的六个平面依次与模型的求交，保留box1外部的mesh1，将它作为新的模型输入，与另一位置的box2求交，保留box1外部的mesh2，循环进行，直至完成所有box求交，最终mesh即为挖完透气孔的mesh。
(3)将mesh中的面片依次与box的-X平面求交，若存在交点，则两交点与该面片的点相连，构成新的面片，将属于-X平面左侧的面片、与mesh不相交的面片，赋以特殊索引号，添加进outsideMesh。将outsideMesh作为循环运算的mesh与box的+X平面求交，生成新的面片，将位于+X平面右侧的面片，与mesh不相交的面片一起更新存放到outsideMesh，再与-Y，+Y，-Z，+Z求交，最后保留下来的网格即为模型与包围盒求交之后的网格。
7.轨迹生成：
轨迹生成是为了生成3D打印所需要的优化的路径，其流程图如图2所示。
(1)切割：
切割方向沿z向上。获取模型的包围盒original_box信息，设定切割的层高h＝0.8mm，包围盒original_box的高度除以厚度得切割层数N,定义一个比original_box最小z坐标高0.8mm，其他参数大小不变的切割包围盒segment_box,用segment_box与模型求交。因segment_box其它五个面(-X，+X，-Y，+Y，+Z)与模型均不相交，segment_box的Zmin平面与模型的mesh相交，mesh的面片数量为tricount，与Zmin平面求交，若不存在交点，且位于包围盒内，则存入insideMesh；若不存在交点，且位于包围盒外，则存入outsideMesh；若面片的三个点中存在一个点z坐标大于Zmin，另两个点的z坐标均小于Zmin，或存在两个点z坐标大于Zmin，另一个点的z坐标均小于Zmin，则表示该面片与切割面相交，存在交点，切割生成的两交点分别与该面片的三个点相连，形成新的3个面片，按位于切割面的左右侧，存入outsideMesh和insideMesh。将相交的两点以线段的形式保存，遍历所有的三角面片，形成当前层的线段集合Lines。将insideMesh作为新的模型网格数据，定义segment_box2，它的最小Z值等于segment_box1的Zmin+0.8，完成第二层切割，循环进行，直至切至顶部，停止切割，将每层Lines保存，生成所有层数相交的TotalLines集合。
(2)排序：
对TotalLines第一层的Lines中的线段点提取出来，形成新的集合，统计每个点出现的次数，若出现2次，则为理想轨迹线的中间连接点，若出现1次，则为理想轨迹线的边界点，单独存放进边界点集bounding_verties，统计出每层排序点数num。以第一层中的第一个边界点(假设第一层只有两个边界点，不存在孔隙结构)为起始点P1，从第一层Lines中搜寻第m个线段存在该点，则该线段的另一点为轨迹线的第二个点P2，将第m线段从Lines中剔除，以P2为搜寻点，从Lines找所属线段，该线段另一点存为轨迹线点P3。对于搜寻到的轨迹点进行判断是否为边界点，若P3为边界点则从边界点集bounding_verties搜索最近的边界点B，存在，则以B为轨迹线点P4，以此规律搜寻所有线段直至当前层轨迹线点数等于num，结束循环，从第二层的bounding_verties中，搜寻离截止点最近的边界点最为第二层起始点，搜寻规律相同，直至存满点，进入下一层，即可生成往复喷料的高效打印轨迹。
(3)在保存边界点的同时，记录它在当前层轨迹线的序号n,假设有四个边界点Q1,Q2,Q3,Q4,他们位于轨迹线的第n1，n2,n3,n4点，n1<n2<n3<n4,顺序排列，以n1--n2,n3--n4分割存放，作为实际加工轨迹，而n2--n3为空走轨迹。
8.路径偏置与优化：
因喷头为方形，若以该轨迹直接进给，喷料的宽度会使实际加工的模型内径缩减，所以在得到每层轨迹的情况下，需对路径往外侧偏置一定距离d，使内壁与扫描模型表面更贴合。同时由于扫描模型的精度较高，每层切割的点数很多，每个线段都不长且存在线段共线的情况，在误差允许的范围内进行优化，可提高打印机的行走速度。
(1)路径偏置：
对每层的实际加工轨迹进行偏置，取第一条路径线段L1，求取法向向量，单位化后，每个分量乘偏置距离d，该线段的两点分别加上这个向量，得到法向偏置后的两点坐标C1,C2，取第二线段L2，同理得到偏置后的坐标C3,C4,求取两偏置线段的交点J1，将C1，J1保存为偏置轨迹点；取第二线段L3，同理得到偏置后的坐标C5,C6,求取C3-C4与C5-C6线段交点J2,将C1，J1，J2存为偏置轨迹点。直至所在加工轨迹线段完成，跳至下一加工轨迹线段，原理相同。
(2)轨迹优化：
由于切割所得线段存在大小相接的情况，甚至有些线段很小为0.01mm，为避免喷头没必要的判断和旋转，提高打印质量。对轨迹上顺序相邻的两线段，获取线段长度，若两线段长度之和不足0.5mm，则将两线段的交点剔除，形成新的线段L，将该线段与一下线段长度相加再与0.5比较，若大于，则保留L上的两点，若仍小于，继续剔除交点，直至大于0.5mm。所有保留下来的点，即作为优化的轨迹路线。
(3)两相邻线段，以中间点到前后两点形成的线段的距离小于0.05mm为判别是否共线的参考，若小于0.05mm，则剔除中间点，以前后两点形成相邻点与第三点再运算判定是否共线，不共线则保留中间点，直至当前层所有加工轨迹线走完，对于原始加工轨迹线的首尾两点，直接保留，不作删除，只对中间点进行优化。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，其特征在于，该3D打印模型设计方法包括：
S1：对病人病区部位表面三维扫描数据进行处理；
S2：采用空间姿态矩阵变换方法，进行三维点云和面片的位姿调整，并自动对齐3D打印机的打印方位；
S3：获取三维扫描模型的包围盒，赋予包围盒三个方向的移动和旋转功能，通过包围盒的旋转和大小调整，与三维网格模型进行布尔减运算，快速得到合适大小的初始外固定三维网格模型；
S4：在适应3D打印方向上，将包围盒的大小缩小一半，进行布尔减运算，得到初始外固定的两个半剖、非封闭的三维网格模型；
S5：对外固定两个半剖三维网格模型，构建顶部和底部的卡扣模型，外固定两个半剖三维网格模型分别与顶部和底部的卡扣模型进行布尔减运算，得到四个网格模型；
S6：顶部和底部的卡扣模型分别与外固定两个半剖三维网格模型进行点云和面片的拓扑融合，得到外固定的两个带卡扣的半剖三维网格模型；
S7：利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与初始外固定的两个半剖的非封闭三维网格模型进行布尔减运算，获得含透气孔的外固定两个半剖三维网格模型；
S8：分别获取两个带卡扣的含透气孔外固定的半剖网格模型的包围盒，设定切片层高，循环定义不同大小的与原包围盒方位相同的包围盒,分别切割半剖网格模型，获取并存储每层相交求得的直线；
S9：针对分层相交求得的直线，依据拓扑关系进行相交点排序，判断边界点，相邻边界点之间为空轨迹，其余点连线为需要轨迹；
S10：依据异形打印头的尺寸，对轨迹进行偏置，并根据打印精度的要求，采用插补算法优化轨迹，生成3D打印机所需要的优化的GCODE代码，发送给打印机，进行外固定的快速实物打印。
2.根据权利要求1所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，其特征在于：在S3和S4步骤中，基于三维扫描模型的包围盒，及包围盒方位和大小的交互调整，通过包围盒与三维扫描模型的布尔运算，获得大小合适的初始外固定的两个半剖、非封闭的三维网格模型。
3.根据权利要求1所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，其特征在于：在S7步骤中，顶部和底部的卡扣模型分别与含透气孔的外固定两个半剖三维网格模型进行点云和面片的拓扑融合。
4.根据权利要求1所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，其特征在于：在S10步骤中，可以生成3D打印机所需要的优化的GCODE代码，发送给打印机，进行外固定的快速实物打印。
5.根据权利要求1所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，其特征在于：所述3D打印模型设计方法包括半剖模型的卡扣设计模型，以便使用过程中两半外固定的定位和固定，其中对半剖模型的处理步骤包括：(a)自动创建顶部和底部卡扣；(b)融合：将卡扣模型分别与其切割的半剖模型进行合成，获得两个含卡扣的外固定半剖模型；(c)透气孔：基于半剖模型包围盒的长和高自动生成透气孔的位置和数目。
6.根据权利要求1所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计方法，其特征在于：所述3D打印模型设计方法包括基于包围盒的快速切片模块，得到相交直线。
7.一种基于病人个性化外固定3D打印模型设计与切片轨迹规划集成系统，其特征在于，所述系统包括：
数据存取模块，读取表面三维扫描数据，并采用链表存储点坐标、Mesh信息及拓扑关系，设计的外固定三维表面模型的保存和输出，GCODE代码的保存和输出；
空间姿态调整模块，获取移动和转动模型的空间变换矩阵，乘以模型的点坐标，更新点坐标和网格关系，完成模型的空间坐标变换；
模型分割模块，通过调整模型包围盒的大小和方位，与模型进行求交，得到所需模型；
模型提取模块，保证外固定穿戴时能定位，自动创建顶部和底部卡扣的包围盒，与半剖模型进行布尔切割；
模型融合模块，将卡扣模型分别与其切割的半剖模型进行合成，依据链表存储结构，依次更新面片拓扑结构和点索引，得到两个含卡扣的外固定半剖模型；
模型透气孔模块，透气孔的位置和数目是基于半剖模型包围盒的长和高自动生成，透气孔可为定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与半剖模型布尔减运算获得；
模型切片模块，对两个含卡扣和透气孔的个性化外固定半剖模型进行切片；
可视化显示模块，模型设计和轨迹规划中的3D模型显示和交互操作。
8.根据权利要求7所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计与切片轨迹规划集成系统，其特征在于：所述模型分割模块步骤具体包括：(a)模型整形分割，通过调整包围盒控制图柄，改变包围盒的长、宽、高尺寸和其方向，与初始扫描模型进行布尔运算，生成初始外固定整体模型，并进行坐标变换，将初始外固定整体模型更新至打印中心；(b)沿打印方向的垂直方向，调整初始外固定整体模型的包围盒为初始一半，与初始外固定整体模型进行布尔运算，得到外固定的两个半剖模型。
9.根据权利要求7所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计与切片轨迹规划集成系统，其特征在于：所述模型切片模块的步骤具体包括：将顶部卡扣模型反转，切割方向沿z向上，包括：(a)切割：定制层高，由带卡扣外固定半剖模型包围盒z向高度，得到层数，形成一系列的包围盒，与带卡扣外固定半剖模型进行递归布尔交运算，得到每层的相交线集合；(b)排序：通过相交线段拓扑关系，寻找每层内部边界点和相邻两层外部边界点，获取每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，生成往复喷料的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹；(c)路径偏置：对每层轨迹的路径线段，求取法向向量，单位化后，每个分量乘偏置距离，该线段的两点分别加上这个向量，得到法向偏置后的两点坐标，循环并进行线段求交，得到偏置路径；(d)轨迹优化：首先根据轨迹线段的长度，剔除长度极小线段，更新线段拓扑关系，然后在一定精度下判断相邻两线段是否共线，如共线，剔除相邻线段的交点，将相邻线段首尾两点相连形成一条线段，更新拓扑关系。
10.根据权利要求7所述的基于病人个性化外固定3D打印模型设计与切片轨迹规划集成系统，其特征在于：外固定快速3D打印模型设计与切片轨迹规划集成的该系统还包括分层相交直线的拓扑排序模块，可判断边界点，相邻边界点之间为空轨迹，其余点连线为需要轨迹；以及轨迹偏置和基于精度的轨迹插补优化。
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