CN111228012A - 一种变刚度矫形器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变刚度矫形器，矫形器由若干杆结构构成，若干杆结构相互连接构成网格状的矫形器，构成矫形器的所有杆结构均为完整结构，相邻杆结构之间形成孔隙，矫形器的所有接触区域的杆结构设置相同的密度，或是，矫形器上不同的接触区域的杆结构，设置不同的密度。本发明的矫形器具有较佳的整体佩戴性能。

Description

一种变刚度矫形器

技术领域

本发明涉及康复辅具技术领域，特别是指一种变刚度矫形器。

背景技术

矫形器是佩戴于人体四肢、躯干等部位的康复辅具，用于预防、矫正、固定四肢、躯干的畸形、骨折或治疗骨关节及神经肌肉疾病并补偿其功能。传统的矫形器制作方法包括手工取型、石膏模制作、修形、灌树脂等多个工序，所制作的矫形器自身重量大，透气性不佳，穿戴不舒适，难以满足佩戴性能要求，不利于患者矫正康复。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种变刚度矫形器，具有较佳的整体佩戴性能。

基于上述目的，本发明提供了一种变刚度矫形器，由若干杆结构构成，若干杆结构相互连接构成网格状的矫形器，相邻的杆结构之间形成孔隙。

可选的，所述矫形器的所有接触区域的杆结构设置不同的密度。

可选的，所述矫形器上不同的接触区域的杆结构，设置不同的密度。

可选的，所述矫形器为脊柱矫形器，具有与人体脊柱接触的第一接触区域，与人体腹部接触的第二接触区域，与人体两侧腰部接触的第三接触区域，所述第一接触区域的杆结构设置第一密度，所述第二接触区域的杆结构设置第二密度，所述第三接触区域的杆结构设置第三密度，所述第一密度大于所述第三密度，所述第三密度大于所述第二密度。

可选的，所述矫形器为足部矫形器，具有与人体小腿部位接触的第一接触区域，与人体后足部位接触的第二接触区域，与人体前足部位接触的第三接触区域，所述第一接触区域的杆结构设置第一密度，所述第二接触区域的杆结构设置第二密度，所述第三接触区域的杆结构设置第三密度，所述第一密度小于所述第二密度，所述第三密度小于所述第一密度；所述第一接触区域中的部分接触区域不设置所述杆结构。

可选的，所述杆结构的截面图形包括但不限于正方形、长方形、椭圆形、圆形。

可选的，所述杆结构为具有贯孔的杆结构。

可选的，相邻的所述杆结构的连接点处设置倒角。

可选的，相邻的所述杆结构的连接点处设置加固结构。

可选的，所述矫形器设置有装饰图案和/或装饰物。

从上面所述可以看出，本发明提供的变刚度矫形器，由若干非规则的杆结构构成，若干杆结构相互连接构成网格状的矫形器，构成矫形器的所有杆结构均为完整结构，相邻杆结构之间形成孔隙，本发明的变刚度矫形器具有较佳的整体佩戴性能和产品外观。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的杆结构脊柱矫形器模型的结构示意图；

图2A、2B为本发明实施例的杆结构足部矫形器模型的结构示意图；

图3A-3D分别为本发明实施例的截面图形示意图

图4为本发明实施例的矫形器制备方法流程示意图；

图5为本发明实施例的脊柱矫形器的接触面示意图；

图6为本发明实施例的调整后的面网格的结构示意图；

图7为本发明实施例的加固结构的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

一些实现方式中，利用布尔运算所设计出的矫形器，虽然具有多孔结构，具有透气性，但开孔的位置多依赖于经验，不符合生物力学原理，且由于孔的设计不合理，很容易导致矫形器力学性能较差。

为解决上述问题，受叶脉和竹编等工艺启发，本发明实施例提供一种变刚度矫形器，由若干结构完整的杆结构构成，自然形成了大小不同的孔隙，且局部的孔隙率、刚度、透气性可调，具有较佳的整体佩戴性能。

图1为本发明实施例的杆结构脊柱矫形器模型的结构示意图。如图所示，本实施例提供的变刚度矫形器由若干杆结构1构成，若干杆结构相互连接构成网格状的矫形器，构成矫形器的所有杆结构均为完整结构，相邻杆结构之间形成孔隙2，能够保证矫形器的整体佩戴性能。

本实施例中，矫形器的佩戴性能包括但不限于贴合度、透气性、力学性能(强度和/或刚度)、重量等影响佩戴效果的性能参数。

一些实施例中，根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，矫形器的所有接触区域的杆结构均设置相同的密度。或者，矫形器上不同的接触区域的杆结构，设置不同的密度。容易理解的是，杆结构的密度越大，力学性能越强，刚度越大，贴合度越高，重量越大，孔隙率越低，透气性能越差，相反，杆结构的密度越小，力学性能越低，刚度越小，贴合度越低，重量越小，孔隙率越高，透气性能越好。

例如，对于图1所示佩戴于脊柱部位的脊柱矫形器，对于接触人体脊柱的第一接触区域30，设置第一密度的杆结构，使得第一接触区域30具有较高的力学性能，能够有效的支撑脊柱，达到脊柱矫形效果；对于接触人体腹部的第二接触区域31，设置第二密度的杆结构，使得第二接触区域31具有较高的透气性能，提高佩戴舒适性；对于接触人体两侧腰部的第三接触区域32，设置第三密度的杆结构，使得第三接触区域32具有中等的力学性能和透气性能，即可支撑腰部又具有良好的透气性；其中，第一密度大于第三密度，第三密度大于第二密度。该脊柱矫形器的杆结构的密度配置仅为示例性说明，对于佩戴于不同佩戴位置，不同佩戴性能要求的矫形器，可于不同的接触区域设置合适的杆结构密度，以使矫形器能够达到满足力学性能，具有良好的矫形效果，佩戴又非常舒适的目的。

例如，对于图2A、2B所示佩戴于足部的足部矫形器，对于接触人体小腿部位的第一接触区域30`，设置第一密度的杆结构，使得第一接触区域30`具有一定的透气性能和力学性能，既可支撑小腿与足部又具有良好的透气性，佩戴舒适；对于接触人体后足部位的第二接触区域31`，设置第二密度的杆结构，使得第二接触区域31`具有较高的力学性能，能够有效支撑后足，达到矫正足下垂的功效；对于接触人体前足部位的第三接触区域32`，设置第三密度的杆结构，使得第三接触区域32`具有较高的透气性能，提高佩戴舒适性；其中，第一密度小于第二密度，第三密度小于第一密度。如图2B所示，在小腿部位的部分接触区域33`，可不设置杆结构，既能支撑小腿又能最大限度的实现减重效果。

本实施例中，杆结构的截面图形可以设置为任意形状。如图3A所示，杆结构的截面图形例如可以设置为正方形，该正方形的四个顶点呈圆弧形；如图3B所示，截面图形也可以为长方形，该长方形的四个顶点呈圆弧形；如图3C、3D所示，截面图形也可以为椭圆形或圆形。

根据佩戴位置及佩戴性能要求，设置杆结构的截面图形的尺寸。例如，对于图3A所示的正方形，设置正方形的边长，边长越大，杆结构越粗，杆结构的密度越大，力学性能越高，透气性能越低，反之，边长越小，杆结构越细，杆结构的密度越小，力学性能越低，透气性能越高。对于图3B所示的长方形，设置长方形的长和宽，长和宽越大，杆结构越粗，杆结构的密度越大，力学性能越高，透气性能越低，反之，长和宽越小，杆结构越细，杆结构的密度越小，力学性能越低，透气性能越高。对于图3C所示的椭圆形，设置椭圆形的长轴和短轴，长轴和短轴越大，杆结构越粗，杆结构的密度越大，力学性能越高，透气性能越低，反之，长轴和短轴越小，杆结构越细，杆结构的密度越小，力学性能越低，透气性能越高。对于图3D所示的圆形，设置圆形的半径，半径越大，杆结构越粗，杆结构的密度越大，力学性能越高，透气性能越低，反之，半径越小，杆结构越细，杆结构的密度越小，力学性能越低，透气性能越高。

可选的，截面图形也可以设置为中空的相应形状，对应的杆结构为中间有贯孔的杆结构，能够进一步达到减重，调节局部刚度的效果。

一些实施例中，可于相邻的杆结构的连接点处设置倒角，用于调整降低矫形器于连接点处所受应力；和/或，如图7所示，于相邻的杆结构1的连接点处设置加固结构6，加固结构例如是加固球，用于调整提高矫形器的力学性能。

于一些实施例中，为满足美观性、个性化需求，可对矫形器进行浸染上色，得到不同颜色的矫形器，也可以在矫形器上增加不同的图案或是设置装饰物。

如图4所示，本实施例的变刚度矫形器，其制备方法是：

S40：确定矫形器与人体佩戴位置的接触面；

本实施例中，根据矫形器的佩戴位置，获取矫形器与人体佩戴位置的接触面数据，根据接触面数据确定矫形器与人体佩戴位置的接触面。

于一些实施例中，可利用扫描仪器获取矫形器与人体佩戴位置的点云数据，对点云数据进行拟合生成接触面数据，根据接触面数据确定接触面。

例如，利用扫描仪扫描人体佩戴位置以获取矫形器与人体佩戴位置的接触面的点云数据，或是利用智能终端获取佩戴位置的图像，并利用图像处理技术，重新三维重建、提取出接触面的点云数据；在获取的点云数据基础上，对点云数据进行拟合生成接触面数据，基于生成的接触面数据确定矫形器与人体佩戴位置的接触面。

如图5所示，可利用特定的软件对获取的点云数据进行拟合操作，生成接触面数据，基于接触面数据确定接触面4，接触面的厚度接近于0。可选的，可利用Geomagic软件生成接触面数据。

S41：基于接触面，生成密度一致的面网格；

基于步骤S10所确定出的接触面，首先一次性快速生成密度一致的面网格。可选的，可利用Rhino等软件，基于接触面生成若干形态与大小一致的面网格。

S42：对面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格；

在所生成的密度一致的面网格基础上，根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，对面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格。

调整方法是，根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，通过增加、删除、细化等处理方式，对密度一致的面网格进行整体或是局部调整，得到密度调整后的面网格。根据不同佩戴区域在力学性能、透气性能、贴合度等方面的要求，对相应接触区域的面网格进行密度调整，面网格的密度不同，所制作出的杆结构密度不同，能够得到满足佩戴性能要求的矫形器。

S43：基于调整后的面网格，提取面网格的结构线；

如图6所示，本实施例中，基于调整后的面网格，提取出所有面网格的结构线5，为后续放样操作提供路径。

S44：以提取出的结构线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，以生成杆结构矫形器模型。

本实施例中，将结构线作为特定的截面图形的空间轨迹，以该特定的截面图形为基础进行放样操作，操作结束得到杆结构形态的矫形器模型，不仅建模速度快，而且不会出现矫形器边缘的杆结构不完整的问题。

按照上述制备方法生成杆结构矫形器模型之后，再利用3D打印加工出矫形器，该方法能够快速、高效、简便的制备出能够满足透气性、力学性能等佩戴性能要求的矫形器，不存在对孔结构进行切割导致影响矫形器佩戴性能的问题。

本实施例的矫形器制备方法，在步骤S44生成杆结构矫形器模型之后，还包括：基于调整后的面网格，提取面网格的连接点7；于连接点7处设置倒角和加固结构，能够得到佩戴性能更优的矫形器。

制作出杆结构矫形器模型之后，还需要对杆结构矫形器模型进行力学性能仿真分析和透气性能仿真分析，并根据仿真分析结果，对杆结构矫形器模型进行适应性调整。

通过性能仿真分析和透气性能仿真分析，若杆结构矫形器模型存在缺陷，可通过调整面网格密度、截面图形及其尺寸、连接点力学参数等，重新生成调整后的杆结构矫形器模型，直至仿真结果符合佩戴性能要求，利用3D增材制造设备打印出矫形器，完成矫形器的制备，制作出的矫形器不仅能够满足佩戴性能要求，而且重量较轻，透气性佳，佩戴舒适，具有仿生的自然形态，有利于患者减轻病痛，重拾生活信心，恢复健康。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变刚度矫形器，其特征在于，

由若干杆结构构成，若干杆结构相互连接构成网格状的矫形器，相邻的杆结构之间形成孔隙。

2.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，所述矫形器的所有接触区域的杆结构设置不同的密度。

3.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，所述矫形器上不同的接触区域的杆结构，设置不同的密度。

4.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，所述矫形器为脊柱矫形器，具有与人体脊柱接触的第一接触区域，与人体腹部接触的第二接触区域，与人体两侧腰部接触的第三接触区域，所述第一接触区域的杆结构设置第一密度，所述第二接触区域的杆结构设置第二密度，所述第三接触区域的杆结构设置第三密度，所述第一密度大于所述第三密度，所述第三密度大于所述第二密度。

5.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，所述矫形器为足部矫形器，具有与人体小腿部位接触的第一接触区域，与人体后足部位接触的第二接触区域，与人体前足部位接触的第三接触区域，所述第一接触区域的杆结构设置第一密度，所述第二接触区域的杆结构设置第二密度，所述第三接触区域的杆结构设置第三密度，所述第一密度小于所述第二密度，所述第三密度小于所述第一密度；所述第一接触区域中的部分接触区域不设置所述杆结构。

6.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，所述杆结构的截面图形包括但不限于正方形、长方形、椭圆形、圆形。

7.根据权利要求1或6所述的矫形器，其特征在于，所述杆结构为具有贯孔的杆结构。

8.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，相邻的所述杆结构的连接点处设置倒角。

9.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，相邻的所述杆结构的连接点处设置加固结构。

10.根据权利要求1所述的变刚度矫形器，其特征在于，所述矫形器设置有装饰图案和/或装饰物。

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