CN110853136B

CN110853136B - 三维参数化建模方法、配合装置及其3d打印方法

Info

Publication number: CN110853136B
Application number: CN201911060424.6A
Authority: CN
Inventors: 白雪岭; 张鹏
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2039-11-01
Also published as: CN110853136A; WO2021083355A1

Abstract

本发明公开了一种三维参数化建模方法、配合装置及其3D打印方法。该三维参数化建模方法包括：获取实测对象的表面轮廓三维数据；根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对已构建的预设表面轮廓模型进行配准处理，以获取实测表面轮廓模型；根据获取的所述实测表面轮廓模型建立与所述实测对象匹配的配合模型。相比于现有技术，本申请的建模方法能快速且精准地构建配合装置的个性化配合模型，具有自动化程度高，对技术人员的技术要求较低，且有利于建立3D打印个性化医疗产品行业标准等特点。

Description

三维参数化建模方法、配合装置及其3D打印方法

技术领域

本发明属于3D打印技术领域，具体地讲，涉及三维参数化建模方法、配合装置及其3D打印方法。

背景技术

目前，医用固定支具是一种置于身体外部，旨在限制身体的某项运动，从而辅助手术治疗的效果，或直接用于非手术治疗的外固定。医用固定支具主要包括前臂固定支具、胫腓骨固定支具、颈托、胸腰椎固定支具等固定支具和可调式膝关节支具，可调性肘支具等跨关节固定的可调式固定支具，这些固定支具有力地促进骨与关节疾病、损伤等疾病治疗后的辅助康复和运动功能恢复，具有重要的经济和社会效益。

理想固定支具需要满足骨折部位的稳定固定或关节部位的活动限制固定要求。目前，临床上通常的做法是：(1)采用闭合复位配合石膏绷带、小夹板、可塑性高分子夹板固定肢体骨折；(2)采用不同型号的标准型颈托、胸腰椎支具固定颈椎及胸腰椎；(3)采用通用的可调式固定支具固定膝/肘关节，这些方法的缺点是固定支具不能完美匹配患者的个性化轮廓特征。

三维打印技术在临床中已经应用于固定支具的制作，通过“三维扫描—数字化建模—三维打印”3个流程完成，三维打印个性化固定支具完美匹配患者的个性化轮廓特征、更加美观、舒适、轻便、透气性好、穿戴式简单可靠。然而同时也面临着一些阻碍，其缺陷是：固定支具的数字化模型设计是基于商业软件进行的，需要建模人员根据以往经验基于患者的三维扫描轮廓对固定支具进行个性化设计并构建个性化的固定支具三维模型，建模过程依赖于技术人员的技术水平和经验，建模对技术能力要求很高，一般技术人员很难把握，且不同技术人员的个性化设计设计水准、精准性差异较大，导致三维打印个性化产品检测标准和医用三维行业标准难以制订，并且个性化支具设计建模时间较长。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何实现固定支具等配合装置的精准且快速的自动化建模。

(二)本发明所采用的技术方案

为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种三维参数化建模方法，包括：

获取实测对象的表面轮廓三维数据；

根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对已构建的预设表面轮廓模型进行配准处理，以获取实测表面轮廓模型；

根据获取的所述实测表面轮廓模型建立与所述实测对象匹配的配合模型。

优选地，根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对已构建的预设表面轮廓模型进行配准处理的方法包括：

根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对所述预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面进行初始大小配准和二次轮廓配准。

优选地，所述初始大小配准的具体方法包括：

根据所述表面轮廓三维数据获取所述实测对象的实际解剖特征；

根据所述实际解剖特征调整所述预设表面轮廓模型的预设解剖特征，以对所述基准轮廓曲面与所述实测对象的实际轮廓曲面进行初始大小配准。

所述二次轮廓配准的具体方法包括：

获取与初始大小配准后的所述基准轮廓曲面相交的基准曲线组，并获取与所述实测对象的实际轮廓曲面相交的实际曲线组；

将所述基准曲线组逼近所述实际曲线组，以使初始大小配准后的所述基准轮廓曲面逼近所述实测对象的实际轮廓曲面。

优选地，根据获取的所述实测表面轮廓模型建立与所述实测对象匹配的配合模型的方法包括：

获取已构建的配合模型参数化关系；

根据所述实测表面轮廓模型与所述配合模型参数化关系建立与所述实测对象匹配的配合模型。

优选地，所述配合模型参数化关系的构建方法包括：

构建所述预设表面轮廓模型；

构建与所述预设表面轮廓模型匹配的预设配合模型；

根据所述预设表面轮廓模型与所述预设配合模型构建所述配合模型参数化关系；

其中，所述配合模型参数化关系包括相对位置约束参数变量组、基准配合曲面节点群控制参数组和结构尺寸约束参数变量组。

优选地，所述相对位置约束参数变量组的构建方法包括：

根据所述预设表面轮廓模型获取预设解剖特征；

根据所述预设解剖特征构建相对位置约束参数变量组。

优选地，所述基准配合曲面节点群控制参数组的构建方法包括：

根据所述相对位置约束参数变量组、所述预设表面轮廓模型的曲面参数和所述预设配合模型的配合曲面参数构建基准配合曲面节点群控制参数组。

优选地，所述结构尺寸约束参数变量组的构建方法包括：

根据所述基准配合曲面节点群控制参数组、所述相对位置约束参数变量组和所述预设配合模型的拓扑结构参数构建结构尺寸约束参数变量组。

本发明还公开了一种配合装置的3D打印方法，包括：

采用上述的三维参数化建模方法构建配合模型；

根据构建的所述配合模型进行3D打印，以获得配合装置。

本发明还公开了一种配合装置，采用上述的3D打印方法制作形成。

(三)有益效果

本发明公开了一种三维参数化建模方法、配合装置及其3D打印方法，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)自动化程度较高。相对于现有技术中每次3D打印时都要重新进行3D建模，本申请由于预先构建好不同类型的预设表面轮廓模型，根据所要进行固定的固定对象的三维参数对相应的预设表面轮廓模型进行调整，即可完成配合装置的个性化配合模型的建立，并不需要每次都重新建立新的3D模型，相对于现有技术具有较高的自动化程度，同时建模过程也更加快速和精准。

(2)对技术人员的要求较低。由于现有的3D打印的商业软件主要是对被扫描的物体进行建模，而根据物体的3D模型构建出相应的配合装置的3D模型的过程对操作人员的要求很高，依赖于建模人员的技术水平和经验，一般的建模人员难以把握。本申请中的预设表面轮廓模型预先构建好，实际使用过程中，只需要根据实测对象的表面轮廓三维数据对预设表面轮廓模型进行适应性调整，即可自动化地完成个性化配合模型的建立。

(3)有利于建立行业标准。利用本申请的方案，可以按照统一的标准建立各种类型的匹配的预设表面轮廓模型和预设配合模型，不同的使用人员在实际操作过程中只需获取具体实测对象的实际表面轮廓的三维参数，根据三维参数调整预先构建的模型即可，可为3D打印个性化医疗产品行业标准制定提供有利条件。

附图说明

图1是本发明的实施例的三维参数化建模方法的流程图；

图2是本发明的实施例的构建配合模型的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

为了解决背景技术部分所提出的技术问题，本发明技术方案的基本思路是：作为说明示例，以正常人体的膝关节为对象，以及与膝关节所配合的膝关节固定支具为例，基于现有人体的膝关节，预先构建膝关节预设表面轮廓模型和匹配的固定支具的预设配合模型，其中膝关节固定支具的预设配合模型可随着膝关节预设表面轮廓模型进行参数化变换。当获取到其他人体的膝关节的实际轮廓数据时，可根据该实际轮廓数据三维配准调整预先构建好的预设表面轮廓模型，从而使得随膝关节预设表面轮廓模型参数化变换的膝关节固定支具的预设配合模型匹配该膝关节的实际轮廓，可快速且精准地建立膝关节固定支具的个性化立体模型。

具体来说，如图1所示，本发明实施例的三维参数化建模方法包括如下步骤：

步骤S10：获取实测对象的表面轮廓三维数据。

针对具体的实测对象，例如患者治疗后需要进行固定的部位，比如前臂，采用3D扫描的方式扫描实测对象的表面，从而获得实测对象的实际表面轮廓的三维参数，这里3D扫描为现有技术，在此不进行赘述。

步骤S20：根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对已构建的预设表面轮廓模型进行配准处理，以获取实测表面轮廓模型。

具体来说，预设表面轮廓模型是指将要利用配合装置进行固定或配合的对象的表面轮廓模型。以医学领域为例，对象主要是指需要利用医疗固定支具进行固定的人体的不同部位，例如前臂、肘关节、颈部、躯干、膝关节、小腿等，当然本申请并不限于此，在其他实施方式中，可以是动物的不同部位。

下面以人体对象为例进一步描述该步骤。基于正常人体影像数据，构建人体各个解剖功能部位的几何模型或者完整的人体几何模型，根据几何模型可获取相应部位的表面轮廓模型，即可得到不同类型的预设表面轮廓模型。本申请提到的配合装置以医学上的固定支具为例，固定支具是通过固定住关联肢体或躯干表面，改变患部骨骼或肌肉韧带的力学分布，从而辅助康复和运动功能恢复。因此，确定与固定支具相关联肢体或躯干表面轮廓模型，结合需要固定的辅助康复和运动功能恢复的要求，包括固定角度、限制的关节活动度等，可以构建相应的固定支具。

具体来说，作为基准的预设表面轮廓模型与实测对象的表面轮廓存在一定程度的差异，需要进行配准处理，使得获取到的实测表面轮廓模型与实测对象的表面轮廓较好地匹配。进一步地，配准处理的具体方法为根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对所述预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面进行初始大小配准和二次轮廓配准。

初始大小配准的具体方法包括：

首先根据预设表面轮廓模型构建预设解剖特征，根据获得的实测对象的三维参数建立实测对象的实际表面轮廓，并根据实际表面轮廓获取实测对象的实际解剖特征，并根据实际解剖特征调整基准解剖特征的相应参数使得预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面和实测对象的实际轮廓曲面进行初始大小配准。其中，调整基准解剖特征的相应参数的方法包括基于解剖特征点和特征轴线的平移变换、旋转变换，基于特征长度的比例变换等。

进一步进行二次轮廓配准步骤。作为优选实施例，对初始大小配准后的预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面和实测对象的实际轮廓曲面分别做若干等位置等距并垂直于解剖轴线的横截面，获得系列分别与预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面、实测对象的实际轮廓曲面相交的曲线集合，并进一步对这些曲线集合进行曲线拟合，分别获得基准曲线组和实际曲线组，通过基准曲线组逼近实际曲线组，实现预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面逼近实测对象的实际轮廓曲面，这样可实现预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面与实测对象的实际轮廓曲面二次轮廓配准。这样依次经过上述的初始大小配准和二次轮廓配准，可快速且精准地实现实测对象的实际轮廓曲面与预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面的配准。

在其他实施方式中，可以采用其他的算法。

步骤S30：根据获取的所述实测表面轮廓模型建立与所述实测对象匹配的配合模型。

具体来说，该步骤包括：

步骤S31：获取已构建的配合模型参数化关系。

进一步来说，配合模型参数化关系体现实测表面轮廓模型与将要构建的配合模型之间的参数化变换关系。配合模型参数化关系构建方法包括：构建所述预设表面轮廓模型；构建与所述预设表面轮廓模型匹配的预设配合模型；根据所述预设表面轮廓模型与所述预设配合模型构建所述配合模型参数化关系。其中，所述配合模型参数化关系包括相对位置约束参数变量组、基准配合曲面节点群控制参数组和结构尺寸约束参数变量组。

需要说明的是，利用现有技术可构建与预设表面轮廓模型匹配的预设配合模型，同时采用有限元分析和实际临床验证设计的准确性和有效性。其中，现有技术都是采用3D扫描等方式获取对象的表面数据并构建表面轮廓模型，基于表面轮廓模型，由工程师利用个人技术采用专用软件构建配合模型，每一个新的对象都需要重复这个过程。为此，我们的设计思路是基于配合模型的设计原则，把工程师设计建模过程，进行参数化关系建模，应用算法实现自动建模。

具体来说，首先构建相对位置约束参数变量组。根据所述预设表面轮廓模型获取预设解剖特征，其中预设解剖特征包括特征点、特征轴线、特征长度等特征，并且建立预设解剖特征与预设表面轮廓模型之间的关联关系，当预设表面轮廓模型变化时，与其相关联的预设解剖特征随之参数化变换。进一步根据预设解剖特征构建相对位置约束参数变量组，其中，相对位置约束参数变量组体现预设配合模型中各个空间特征点与预设表面轮廓模型的特征参数之间的变换关系，当预设表面轮廓模型的特征参数发生变化时，预设配合模型的相应空间特征点参数也随之进行适应性变化。

其次，构建基准配合曲面节点群控制参数组。具体是根据所述相对位置约束参数变量组、所述预设表面轮廓模型的曲面参数和所述预设配合模型的配合曲面参数构建基准配合曲面节点群控制参数组。作为优选实施例，做若干等距并垂直于解剖轴线的横断截面，获得系列与预设表面轮廓模型的基准轮廓表面、预设配合模型的配合曲面相交的曲线集合，并对这些曲线做曲线拟合，例如进行B样条曲线逼近拟合，以获得系列拟合曲线的控制参数群。进一步，基于相对位置约束参数组、系列拟合曲线的控制参数群，以及系列拟合曲线的控制参数群与配合模型基点之间的相对空间位置关系，构建基准配合曲面节点群控制参数组。该基准配合曲面节点群控制参数组体现所述预设表面轮廓模型的曲面参数与预设配合模型的配合曲面参数之间的变化关系，当预设表面轮廓模型的曲面参数发生变化时，预设配合模型的曲面参数也将进行适应性变化。

接着，构建所述结构尺寸约束参数变量组。具体地讲，根据所述基准配合曲面节点群控制参数组、所述相对位置约束参数变量组和所述预设配合模型的拓扑结构参数构建结构尺寸约束参数变量组。首先，基于基准配合曲面节点群控制参数组、预设配合模型的拓扑结构参数确定预设配合模型的结构尺寸常量和参数变量组，并进一步地基于结构尺寸的参数变量组和相对位置约束参数变量组构建配合模型的结构尺寸约束参数变量组。该结构尺寸约束参数变量组体现预设表面轮廓模型与预设配合模型的拓扑结构尺寸的变化关系，当预设表面轮廓模型发生变化时，预设配合模型的拓扑结构尺寸参数也将发生适应性变化。其中需要说明的是，预设配合模型的结构尺寸常量包括预设配合模型中不变的尺寸或者是设定值，例如预设配合模型的厚度、孔的直径等常量，以及在可调式固定支具的模型的关节活动度等常量。

通过构建相对位置约束参数变量组、基准配合曲面节点群控制参数组和结构尺寸约束参数变量组，即可建立预设表面轮廓模型的各项参数与预设配合模型的各项参数之间的参数化关系，当预设表面轮廓模型的参数发生变化时，预设配合模型的空间位置、配合曲面和结构尺寸也将发生相应改变。

步骤S32：根据所述实测表面轮廓模型与所述配合模型参数化关系建立与所述实测对象匹配的配合模型。

根据步骤S20可知，对预设表面轮廓模型进行配准处理之后，实质上调整了预设表面轮廓模型的各项参数，得到实测表面轮廓模型，根据步骤S31可知，由于预先构建了配合模型参数化关系，实测表面轮廓模型通过该配合模型参数化关系可对预设配合模型进行自动化调整，即可得到与实测对象匹配的配合模型。

本申请还公开了一种配合装置的3D打印方法，包括采用上述的三维参数化建模方法构建配合模型，根据配合模型进行3D打印，获得配合装置。这里3D打印采用现有的3D打印机进行打印即可，属于现有技术。

本申请还公开了一种配合装置，根据上述的打印方法制作形成。

本申请公开的三维参数化建模方法，预先构建好各种不同对象类型相应的预设表面轮廓模型，根据实测对象的类型选择相应的预设表面轮廓模型，并利用实测对象的实际表面轮廓的三维参数调整预设表面轮廓模型，从而生成与实测对象匹配的配合模型。相比于现有技术，本申请的技术方案具有如下优势：

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种三维参数化建模方法，其特征在于，包括：

获取实测对象的表面轮廓三维数据；

根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对已构建的预设表面轮廓模型进行配准处理，以获取实测表面轮廓模型，配准处理包括：

根据所述实测对象的表面轮廓三维数据对所述预设表面轮廓模型的基准轮廓曲面进行初始大小配准和二次轮廓配准；

所述初始大小配准的具体方法包括：

根据所述实际解剖特征调整所述预设表面轮廓模型的预设解剖特征，以对所述基准轮廓曲面与所述实测对象的实际轮廓曲面进行初始大小配准；

所述二次轮廓配准的具体方法包括：

将所述基准曲线组逼近所述实际曲线组，以使初始大小配准后的所述基准轮廓曲面逼近所述实测对象的实际轮廓曲面；

2.根据权利要求1所述的三维参数化建模方法，其特征在于，根据获取的所述实测表面轮廓模型建立与所述实测对象匹配的配合模型的方法包括：

获取已构建的配合模型参数化关系；

3.根据权利要求2所述的三维参数化建模方法，其特征在于，所述配合模型参数化关系的构建方法包括：

构建所述预设表面轮廓模型；

构建与所述预设表面轮廓模型匹配的预设配合模型；

4.根据权利要求3所述的三维参数化建模方法，其特征在于，所述相对位置约束参数变量组的构建方法包括：

根据所述预设表面轮廓模型获取预设解剖特征；

根据所述预设解剖特征构建相对位置约束参数变量组。

5.根据权利要求4所述的三维参数化建模方法，其特征在于，所述基准配合曲面节点群控制参数组的构建方法包括：

6.根据权利要求5所述的三维参数化建模方法，其特征在于，所述结构尺寸约束参数变量组的构建方法包括：

7.一种配合装置的3D打印方法，其特征在于，包括：

采用权利要求1至6任一项所述的一种三维参数化建模方法构建配合模型；

根据构建的所述配合模型进行3D打印，以获得配合装置。