CN110123495A - 一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统、方法和装置，涉及医疗器械与康复辅具技术领域，包括3D扫描仪，3D建模软件，有限元分析软件，3D打印机，所述3D扫描仪用于获取截肢患者残肢、单臂截肢患者健侧手臂、双臂截肢患者选择的参考手臂的原始3D模型，所述3D建模软件用于修整所述3D扫描仪获取的所述原始3D模型、集成仿生假肢的手指驱动装置及传动装置、设计仿生假肢的装配链与活动关节、建立并修整假肢接受腔的内外腔模型，通过本方案的实施，为截肢患者量身定制仿生假肢和接受腔，设计个性化、数字化的3D打印模型，提升假肢的美观度，降低患者的心理负担，降低接受腔制作对假肢技师的技术要求，简化工作环节且环保。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械与康复辅具技术领域，尤其涉及一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统、方法及装置。
背景技术
我国上肢截肢患者人口庞大，假肢是重要的民生装备。但市场上现有的假肢多为美容手，不具备实际操作功能，对患者的康复无益。功能性假肢主要为肌电假肢，分为单自由度和多自由度两种，其中单自由度假肢功能单一，只具备简单的张合功能，患者接受度不高；多自由度假肢具备多手指的操作功能，但价格昂贵，远超出了绝大多数截肢患者的经济承担能力。目前，所有的功能性假肢均是批量化生产，达不到患者对假肢外观、手型及仿生度的心理预期。
假肢接受腔是连接患者残肢和假肢的关键部件，其制作质量直接影响了假肢穿戴的舒适度和假肢操控效果。目前假肢接受腔的制作与装配环节主要为手工操作，过程繁琐、不环保，需要患者和假肢技师全程参与。取型环节需要在患者的残肢上打石膏绷带，增加了患者的负担。修型与试型环节，假肢技师则依靠经验反复的修整石膏模型，期间会产生石膏粉尘污染，且费时费力。在接受腔内腔和外腔抽树脂成型阶段，会产生刺鼻的气味，既污染了环境，又对假肢技师的健康产生不良影响。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统、方法及装置，结合患者自身情况，如手部尺寸、关节比例、手型等参数，为截肢患者量身定制个性化假肢，将显著提升患者对假肢的接受度和归属感，让患者获得重新回归社会的自信，降低接受腔制作对假肢技师的技术要求，简化工作环节且环保。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是利用三维扫描和打印技术，解决现有批量化生产的假肢不能满足截肢患者个性化的需求，无法为截肢患者量身定制仿生假肢和接受腔的问题，导致患者的心理负担高，并同时解决现有手工制作的接受腔制作对假肢技师的较高的技术要求以及繁琐的制作工序，并且解决了传统工艺导致的环保问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统，包括：3D扫描仪，3D建模软件，有限元分析软件，3D打印机，其中：
所述3D扫描仪用于获取截肢患者残肢、单臂截肢患者健侧手臂、双臂截肢患者选择的参考手臂的原始3D模型；
所述3D建模软件可以是Geomagic软件、Magics软件、SolidWorks软件、ProE软件、Unigraphics NX软件中的一种，用于修整所述3D扫描仪获取的所述原始3D模型、集成仿生假肢的手指驱动装置及传动装置、设计仿生假肢的装配链与活动关节、建立并修整假肢接受腔的内外腔模型；
所述有限元分析软件与所述3D建模软件交互，用于分析接受腔内腔、残肢和肌电传感器三者之间的受力情况，根据受力情况对所述接受腔内腔模型进行修整；
所述3D打印机将仿生假肢零部件、所述接受腔内腔、接受腔外腔快速打印成型，打印精度为0.1mm。
本发明还提供了一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统的仿生假肢的定制方法，包括如下步骤：
S1：对于单臂截肢患者，利用所述3D扫描仪扫描患者健侧手臂，获取截肢患者健侧手臂和手部信息；对于双臂截肢患者，利用所述3D扫描仪扫描患者选择的参考手臂，生成目标仿生假肢的所述原始3D模型；
S2：对于单臂截肢患者，通过对健侧手部3D模型的对称镜像，生成目标仿生假肢的所述原始3D模型；
S3：通过三维建模软件，嵌入标准化的手指驱动装置和传动装置，更新所述目标仿生假肢的所述原始3D模型；
S4：根据手指驱动传动机构的装配关系，设计装配链与活动关节，更新所述目标仿生假肢的3D模型；
S5：对比更新的仿生假肢3D模型与所述原始3D模型，进行细节修整；
S6：生成仿生假肢的3D模型零部件，将数字化的仿生假肢零部件进行3D打印；
S7：装配3D打印件与手指驱动装置和传动装置，完成仿生假肢手的定制。
进一步的，步骤S3中所述手指驱动装置可以是直流无刷电机、直线电机、步进电机、舵机中的一种或其组合。
进一步的，步骤S3中所述传动装置可以是齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、连杆传动中的一种。
进一步的，步骤S3中所述标准化的手指驱动装置和传动装置位于所述3D模型内部。
本发明还提供了一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统的假肢接受腔的定制方法，包括如下步骤：
A1：利用所述3D扫描仪扫描患者残肢，生成患者残肢3D模型；
A2：根据所述患者残肢3D模型，利用三维重构算法建立接受腔内腔3D模型；
A3：建立接受腔内腔-残肢-肌电传感器装配模型；
A4：利用有限元分析方法，对所述接受腔内腔-残肢-肌电传感器装配模型进行修整，确定所述接受腔内腔3D模型；
A5：根据所述接受腔内腔-残肢-肌电传感器装配模型，建立接受腔外腔3D模型；
A6：在三维软件中，集成控制器、电池、开关配件，修整所述接受腔内腔3D模型和所述接受腔外腔3D模型；
A7：导出所述接受腔内腔3D模型和所述接受腔外腔3D模型，通过所述3D打印进打印接受腔内外腔。
进一步的，步骤A2中所述的三维重构算法包括特征运算、特征点匹配、表面构造和口型构造过程。
进一步的，步骤A4中所述的有限元分析方法用于分析所述接受腔内腔、残肢和肌电传感器三者之间的受力情况，根据受力情况对所述接受腔内腔3D模型进行修整。
本发明还提供了一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统的假肢手指，包括：远指关节、第一销钉、第二销钉、掌指关节、第三销钉、传动装置和驱动装置，所述远指关节通过所述第一销钉与所述掌指关节相连，所述传动装置位于所述掌指关节内部，所述传动装置通过所述第二销钉与所述远指关节相连，所述传动装置通过所述第三销钉与所述掌指关节相连，所述掌指关节固定在手掌上，所述驱动装置和所述传动装置相连接，所述驱动装置位于手掌内部。
进一步的，所述掌指关节和所述远指关节的外观和尺寸与所述原始3D模型一致。
与现有技术相比，本发明带来的有益效果是：
1)满足了截肢患者对假肢的个性化需求，从根本上提高了仿生假肢的美观度，对截肢患者从精神上恢复自信起到了显著的促进作用；
2)明显降低了假肢的制备成本和周期，将假肢技师从繁重的体力劳动中解放出来，过程环保无污染；
3)由于存储了数字化的仿生假肢和接受腔模型，后期维护快速、方便。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的基于三维扫描打印的假肢量身定制方法流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的基于三维扫描打印的假肢量身定制系统组成示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的基于三维扫描打印的假肢量身定制系统和方法的假肢手指设计示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的基于三维扫描打印的假肢量身定制系统和方法的假肢与接受腔总装配示意图。
其中，110-3D扫描仪；120-3D建模软件；130-有限元分析软件；140-3D打印机；31-远指关节；32-第一销钉；33-第二销钉；34-掌指关节；35-第三销钉；36-传动装置；41-患者残肢；42-肌电传感器；43-接受腔内腔；44-接受腔外腔；45-控制器；46-假肢腕关节；47-仿生假肢手头；48-电池；49-开关。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1-图4所示，本发明提供的基于三维扫描打印的假肢量身定制系统、方法及装置的一种实施方式，以及基于三维扫描打印的假肢量身定制系统和方法的假肢手指设计示意图和假肢与接受腔总装配示意图。
基于三维扫描打印的假肢量身定制的系统包括：3D扫描仪110，3D建模软件120，有限元分析软件130，3D打印机140。
基于三维扫描打印的假肢量身定制系统和方法的假肢手指包括远指关节31、第一销钉32、第二销钉33、掌指关节34、第三销钉35、传动装置36和驱动装置，远指关节31通过第一销钉32与掌指关节34相连，传动装置36位于掌指关节34内部，传动装置36通过第二销钉33与远指关节31相连，传动装置36通过第三销钉35与掌指关节34相连，掌指关节34固定在手掌上，驱动装置位于手掌内部。
掌指关节34和远指关节31的外观和尺寸与目标仿生假肢的原始3D模型一致，传动装置36可以是齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、连杆传动中的一种。
基于三维扫描打印的假肢量身定制系统和方法的假肢与接受腔总装配包括以下结构：患者残肢41、肌电传感器42、接受腔内腔43、接受腔外腔44、控制器45、假肢腕关节46、仿生假肢手头47、电池48和开关49。
仿生假肢的定制方法包括如下步骤：
S1：对于单臂截肢患者，利用手持式3D扫描仪EinScan-Pro扫描患者健侧手臂，获取截肢患者健侧手臂和手部信息；对于双臂截肢患者，利用3D扫描仪110扫描患者选择的参考手臂，生成目标仿生假肢的原始3D模型；
S2：对于单臂截肢患者，通过对健侧手部3D模型的对称镜像，生成目标仿生假肢的原始3D模型；
S3：将目标仿生假肢的原始3D模型导入三维建模软件SolidWorks，嵌入标准化的手指驱动装置和传动装置36，更新目标仿生假肢的原始3D模型；在本实施例中，手指驱动装置采用直线电机，传动装置36为连杆传动；
S4：根据手指驱动传动机构的装配关系，设计装配链与活动关节，更新目标仿生假肢的3D模型；
S5：对比更新的仿生假肢3D模型与原始3D模型，进行细节修整；
S6：生成仿生假肢的3D模型零部件，转化为数字化的STL格式，导入3D打印机140，将仿生假肢零部件进行3D打印，打印精度为0.1mm；
S7：装配3D打印件与手指驱动传动装置36，完成仿生假肢手的定制。
假肢接受腔的定制方法包括如下步骤：
A1：利用手持式3D扫描仪110EinScan-Pro扫描患者残肢41，生成患者残肢41的3D模型；
A2：在3D建模软件120Geomagic中，根据患者残肢41的3D模型，利用三维重构算法建立接受腔内腔43模型，三维重构算法包括特征运算、特征点匹配、表面构造和口型构造过程；
A3：建立接受腔内腔43-患者残肢41-肌电传感器42装配模型；
A4：接受腔内腔43-患者残肢41-肌电传感器42装配模型导入有限元分析软件130ANSYS，利用有限元分析方法，分析接受腔内腔43、患者残肢41和肌电传感器42三者之间的受力情况，根据受力情况对接受腔内腔43-患者残肢41-肌电传感器42装配模型进行修整，确定内腔3D模型；
A5：根据所述接受腔内腔43-患者残肢41-肌电传感器42装配模型，建立接受腔外腔44模型；
A6：在Geomagic软件中，集成控制器45、电池48、开关49等配件，修整接受腔内外腔3D模型；
A7：导出接受腔内外腔3D数字模型，3D打印接受腔内外腔，打印精度为0.1mm。
需要注意的是，步骤A5中所述的建立接受腔外腔44模型和步骤A6中所述的修整接受腔内外腔3D模型过程要与步骤S1所述的3D扫描获得的截肢患者健侧手臂信息或参考手臂信息做对比修型。3D打印完成后，进行假肢手与接受腔的总装配，安装至患者截肢残端，完成仿生数字化假肢量身定制过程。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于三维扫描打印的假肢量身定制系统，包括：3D扫描仪，3D建模软件，有限元分析软件，3D打印机，其中：
所述3D扫描仪用于获取截肢患者残肢、单臂截肢患者健侧手臂、双臂截肢患者选择的参考手臂的原始3D模型；
所述3D建模软件可以是Geomagic软件、Magics软件、SolidWorks软件、ProE软件、Unigraphics NX软件中的一种，用于修整所述3D扫描仪获取的所述原始3D模型、集成仿生假肢的手指驱动装置及传动装置、设计仿生假肢的装配链与活动关节、建立并修整假肢接受腔内腔模型和接受腔外腔模型；
所述有限元分析软件与所述3D建模软件交互，用于分析接受腔内腔、残肢和肌电传感器三者之间的受力情况，根据受力情况对所述接受腔内腔模型进行修整；
所述3D打印机将仿生假肢零部件、所述接受腔内腔、接受腔外腔快速打印成型，打印精度为0.1mm。
2.一种应用权利要求1所述的基于三维扫描打印的假肢量身定制系统的仿生假肢的定制方法，包括如下步骤：
S1：对于单臂截肢患者，利用所述3D扫描仪扫描患者健侧手臂，获取截肢患者健侧手臂和手部信息；对于双臂截肢患者，利用所述3D扫描仪扫描患者选择的参考手臂，生成目标仿生假肢的所述原始3D模型；
S2：对于单臂截肢患者，通过对健侧手部3D模型的对称镜像，生成目标仿生假肢的所述原始3D模型；
S3：通过三维建模软件，嵌入标准化的手指驱动装置和传动装置，更新所述目标仿生假肢的所述原始3D模型；
S4：根据手指驱动传动机构的装配关系，设计装配链与活动关节，更新所述目标仿生假肢的3D模型；
S5：对比更新的仿生假肢3D模型与所述原始3D模型，进行细节修整；
S6：生成仿生假肢的3D模型零部件，将数字化的仿生假肢零部件进行3D打印；
S7：装配3D打印件与手指驱动装置和传动装置，完成仿生假肢手的定制。
3.如权利要求2所述仿生假肢的定制方法，其特征在于，步骤S3中所述手指驱动装置可以是直流无刷电机、直线电机、步进电机、舵机中的一种或其组合。
4.如权利要求2所述仿生假肢的定制方法，其特征在于，步骤S3中所述传动装置可以是齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、连杆传动中的一种。
5.如权利要求2所述仿生假肢的定制方法，其特征在于，步骤S3中所述标准化的手指驱动装置和传动装置位于所述3D模型内部。
6.一种应用权利要求1所述的基于三维扫描打印的假肢量身定制系统的假肢接受腔的定制方法，包括如下步骤：
A1：利用所述3D扫描仪扫描患者残肢，生成患者残肢3D模型；
A2：根据所述患者残肢3D模型，利用三维重构算法建立接受腔内腔3D模型；
A3：建立接受腔内腔-残肢-肌电传感器装配模型；
A4：利用有限元分析方法，对所述接受腔内腔-残肢-肌电传感器装配模型进行修整，确定所述接受腔内腔3D模型；
A5：根据所述接受腔内腔-残肢-肌电传感器装配模型，建立接受腔外腔3D模型；
A6：在三维软件中，集成控制器、电池、开关配件，修整所述接受腔内腔3D模型和所述接受腔外腔3D模型；
A7：导出所述接受腔内腔3D模型和所述接受腔外腔3D模型，通过所述3D打印进打印接受腔内外腔。
7.如权利要求6所述假肢接受腔的定制方法，其特征在于，步骤A2中所述的三维重构算法包括特征运算、特征点匹配、表面构造和口型构造过程。
8.如权利要求6所述假肢接受腔的定制方法，其特征在于，步骤A4中所述的有限元分析方法用于分析所述接受腔内腔、残肢和肌电传感器三者之间的受力情况，根据受力情况对所述接受腔内腔3D模型进行修整。
9.一种应用权利要求1所述的基于三维扫描打印的假肢量身定制系统的假肢手指，其特征在于，所述假肢手指包括：远指关节、第一销钉、第二销钉、掌指关节、第三销钉、传动装置和驱动装置，所述远指关节通过所述第一销钉与所述掌指关节相连，所述传动装置位于所述掌指关节内部，所述传动装置通过所述第二销钉与所述远指关节相连，所述传动装置通过所述第三销钉与所述掌指关节相连，所述掌指关节固定在手掌上，所述驱动装置和所述传动装置相连接，所述驱动装置位于手掌内部。
10.如权利要求9所述假肢手指，其特征在于，所述掌指关节和所述远指关节的外观和尺寸与所述原始3D模型一致。
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