CN111274679A - 一种杆结构多孔矫形器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆结构多孔矫形器的制备方法，包括：确定矫形器与人体佩戴位置的接触面；基于所述接触面，生成密度一致的面网格；对所述面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格；基于所述调整后的面网格，提取面网格的结构线；以所述结构线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构矫形器模型。本发明能够快速、简便的制备出符合佩戴性能要求的矫形器。

Description

一种杆结构多孔矫形器的制备方法

技术领域

本发明涉及康复辅具技术领域，特别是指一种杆结构多孔矫形器的制备方法。

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，不仅工作环境恶劣，流程复杂，效率低下，而且所制作的矫形器自身重量大，透气性不佳，存在穿戴不舒适等问题。通过局部开孔等方式，可以部分解决传统矫形器重量大、透气性不足的问题，但在传统矫形器上开孔，开孔的位置及大小缺乏定量分析和参考，很容易影响矫形器的力学性能，且透气效果有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种杆结构多孔矫形器的制备方法，能够制备出满足佩戴性能要求的矫形器，制备方法快速、简单、高效、合理。

基于上述目的，本发明提供了一种杆结构多孔矫形器的制备方法，包括：

确定矫形器与人体佩戴位置的接触面；

基于所述接触面，生成密度一致的面网格；

对所述面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格；

基于所述调整后的面网格，提取面网格的结构线；

以所述结构线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构矫形器模型。

可选的，所述确定矫形器与人体佩戴位置的接触面，包括：

获取矫形器与人体佩戴位置的接触面数据；

根据所述接触面数据，确定矫形器与人体佩戴位置的接触面。

可选的，对所述面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格，包括：

根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，通过增加、删除、细化方式，对所述面网格进行整体或是局部调整，得到密度调整后的面网格。

可选的，对所述面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格，包括：

根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，对应于矫形器的不同接触区域分别设置不同密度的面网格，得到密度调整后的面网格。

可选的，所述佩戴性能包括但不限于贴合度、透气性、力学性能、重量参数。

可选的，所述截面图形包括但不限于正方形、长方形、圆形、椭圆形。

可选的，所述方法还包括：对所述杆结构矫形器模型进行优化调整，包括：

基于调整后的面网格，提取面网格的连接点；

于所述连接点处设置倒角和加固结构。

可选的，所述方法还包括：

对优化调整后的杆结构矫形器模型进行性能仿真分析，得到仿真分析结果；

根据所述仿真分析结果，对所述杆结构矫形器模型进行适应性调整，包括：确定性能缺陷；根据性能缺陷，调整相应的设计要素；基于调整后的设计要素，重新生成杆结构矫形器模型。

可选的，所述性能仿真分析包括透气性仿真分析，根据透气性仿真分析结果，对所述杆结构矫形器模型进行适应性调整，包括：确定透气性能缺陷；根据透气性能缺陷，调整所述面网格的密度或是重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸，调整之后重新生成杆结构矫形器模型。

可选的，所述性能仿真分析包括力学性能仿真分析，根据力学性能仿真分析结果，对所述杆结构矫形器模型进行适应性调整，包括：确定力学性能缺陷；根据力学性能缺陷，调整所述面网格的密度或是重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸或是调整所述连接点的力学参数，调整之后重新生成杆结构矫形器模型。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种杆结构多孔矫形器的制备方法，通过确定矫形器与人体佩戴位置的接触面，基于接触面，生成密度一致的面网格，对面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格，基于调整后的面网格，提取面网格的结构线，以结构线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构矫形器模型。本发明能够快速、简便的制备出符合佩戴性能要求的矫形器。

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为本发明实施例的矫形器制备方法流程示意图；

图2为本发明实施例的脊柱矫形器的接触面示意图；

图3为本发明实施例的调整后的面网格的结构示意图；

图4A-4D分别为本发明实施例的截面图形示意图；

图5为本发明实施例的杆结构矫形器模型的结构示意图；

图6为本发明实施例的杆结构矫形器模型的局部放大结构示意图。

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，制作矫形器时，可以先设计出矫形器实体模型，然后在矫形器实体模型的基础上运用布尔运算切割出一些孔洞，再利用3D打印加工出矫形器，这种方法制作出的矫形器透气性较好，重量较轻。然而，制作出形状与尺寸不一，且数量较多的孔洞，设计工作任务繁重，而且，由于大多数矫形器呈曲面状，曲率变化范围大，在布尔切割时很难保证切割方向与矫形器实体模型曲面完全垂直，从而导致模型边缘不完整，容易出现应力集中等问题。有些方式中，可以利用特定的软件一次性设计生成多孔结构，但是设计出的多孔结构形状与尺寸一致，难以满足矫形器不同接触区域在透气性、力学性能等各方面的性能要求。

为解决上述问题，本实施例提供一种杆结构多孔矫形器的制备方法，首先确定出矫形器与人体佩戴位置的接触面，基于接触面生成密度一致的面网格，根据矫形器的佩戴性能要求，对面网格的密度进行调整，得到密度调整后的面网格，基于密度调整后的面网格提取出结构线，基于结构线进行放样操作，得到杆结构矫形器模型。本实施例能够快速、简便地制备出满足佩戴性能要求的矫形器。

图1为本发明实施例的矫形器制备方法流程示意图。如图所示，本发明实施例提供的杆结构多孔矫形器的制备方法，包括：

S10：确定矫形器与人体佩戴位置的接触面；

本发明实施例中，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三维重建、提取出接触面的点云数据；利用影像设备，如电子计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)等设备，获取人体佩戴位置外轮廓的影像数据；在获取的点云数据和影像数据的基础上，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2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1，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。

S11：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，可通过设置网格参数(例如，大小、形态、数量、长宽比例等)，生成不同形态的网格。

S12：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、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。其中，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。

S13：基于调整后的面网格，提取面网格的结构线；

如图3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2，为后续放样操作提供路径。

S14：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。

本发明实施例提供的杆结构多孔矫形器的制备方法，通过确定矫形器与人体佩戴位置的接触面，基于接触面，生成密度一致的面网格，对面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格，基于调整后的面网格，提取面网格的结构线，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，再利用3D打印加工出矫形器。该方法无需在实体模型上进行繁琐的切割孔洞，能够快速、高效、简便的制备出具有不规则孔隙的完整杆结构的多孔矫形器，能够满足透气性、力学性能、美观等佩戴性能要求的矫形器。

本实施例中，所述步骤S12中，对面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格，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。

实际设计过程中，面网格的密度越高，网格线越多，最终所制作的矫形器强度较高，刚度较高，贴合度较好，而透气性较差；面网格的密度越低，网格线越少，最终所制作的矫形器透气性较好，而强度较低，刚度较低，贴合度较低。

鉴于不同佩戴位置的矫形器上，不同接触区域的佩戴性能要求有所不同，本实施例中，根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，对于贴合度大于等于第一贴合阈值，力学性能满足第一力学条件的接触区域，调整该接触区域的面网格密度，使得调整后的面网格密度大于第一密度阈值；而对于贴合度小于第一贴合阈值，力学性能不满足第一力学条件的接触区域，调整该接触区域的面网格密度，使得调整后的面网格密度小于第一密度阈值。即，对于矫形器上贴合度要求较高，力学性能要求较高而透气性要求不高的接触区域，面网格的密度相对致密，相反，对于透气性要求较高而贴合度要求不高，力学性能要求不高的接触区域，面网格的密度相对稀疏。

可以理解的是，调整面网格的方法不限于以上实施方式，也可以根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，于矫形器的不同接触区域分别设置不同密度的面网格，以使制作得到的矫形器能够同时满足透气性、贴合度、力学性能等方面的佩戴性能要求。例如，于矫形器的第一接触区域，面网格的密度大于等于第一密度阈值，于矫形器的第二接触区域，面网格的密度小于第一密度阈值大于等于第二密度阈值，于矫形器的第三接触区域，面网格的密度小于第二密度阈值等，密度阈值的数量和具体数值可根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求具体设定，本实施例不做具体限定。

本实施例中，所述步骤S14中，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，是指将结构线作为特定的截面图形的一部分，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孔隙结构不完整的问题。

受叶脉仿生学原理的启示，不同树叶的叶脉形体不同，不同的叶脉形态能够支撑不同的树叶，本实施例基于不同的截面图形进行放样操作，能够得到不同杆结构形态的矫形器模型。如图2、3、5所示，利用本实施例所述制备方法制备得到了一种可佩戴于脊柱部位的脊柱矫形器模型，该脊柱矫形器模型由若干杆结构4构成，脊柱矫形器模型包含了若干大小、形状、密度不同的孔隙5。

截面图形的形状与尺寸直接决定了矫形器的厚度、孔隙尺寸及外观样式，可根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，选择截面图形、设置截面图形的尺寸。如图4A所示，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4B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4C、4D所示，截面图形也可以为椭圆形或圆形。按照不同的截面图形进行三维空间放样，能够得到变截面或定截面的杆结构，按照不同尺寸的截面图形进行三维空间放样，能够制备得到不同佩戴性能条件的矫形器。

若截面图形为完全对称图形，截面图形的尺寸为一维参数，通过调整截面图形的尺寸，能够调整矫形器的厚度、重量、孔隙疏密度、刚度、强度等性能指标。例如，截面图形选取图4A所示正方形，通过设置正方形的边长调整矫形器的佩戴性能，所设置的边长越大，杆结构越粗，厚度越大，重量越大，孔隙越密，刚度与强度越大，反之，所设置的边长越小，杆结构越细，厚度越小，重量越小，孔隙越稀疏，刚度与强度越小；截面图形选取图4D所示圆形，通过设置圆形的半径调整矫形器的佩戴性能，所设置的半径越大，杆结构越粗，厚度越大，重量越大，孔隙越密，刚度与强度越大，反之，所设置的半径越小，杆结构越细，厚度越小，重量越小，孔隙越稀疏，刚度与强度越小。

若截面图形为非完全对称图形，截面图形的尺寸为多维参数，通过调整截面图形的各维参数，能够调整矫形器的厚度、重量、孔隙疏密度、刚度、强度等性能指标。例如，截面图形选取图4B所示长方形，通过设置长方形的长和宽调整矫形器的佩戴性能；截面图形选取图4C所示椭圆形，通过设置椭圆形的长轴和短轴调整矫形器的佩戴性能。

考虑到按照步骤S10-S14的制备方法得到的杆结构矫形器模型，还需要进一步进行局部细化调整，以使最终制备得到的矫形器不仅能满足实际的佩戴要求，而且能兼具美观效果，所以，生成杆结构矫形器模型之后，需要对杆结构矫形器模型进行优化调整。

则，本实施例的矫形器制备方法，在步骤S14生成杆结构矫形器模型之后，还包括：对生成的杆结构矫形器模型进行优化调整。优化调整的具体方法是：

基于调整后的面网格，提取面网格的连接点；

于连接点处设置倒角和加固结构。

如图3、6所示，本实施例中，基于步骤S13中密度调整后的面网格，提取出结构线之间的连接点3，在连接点处设置倒角，使得矫形器模型更为圆润、美观，之后，在连接点处增加加固结构6，以加强矫形器的力学性能。可选的，加固结构例如是加固球、十二面球等结构。

为验证所制作出的杆结构矫形器模型的整体性能，并根据验证结构进一步调整矫形器模型，本实施例的矫形器制备方法还包括：

对优化调整后的杆结构矫形器模型进行性能仿真分析，得到仿真分析结果；

根据仿真分析结果，对杆结构矫形器模型进行适应性调整。

本实施例中，基于优化调整后的杆结构矫形器模型，进行透气性能仿真分析和力学性能仿真分析，以测试所设计的杆结构矫形器模型的佩戴性能是否满足性能要求。

于一些实施例中，利用有限元分析软件，对优化调整后的杆结构矫形器模型进行力学仿真分析以测试杆结构矫形器模型的力学性能，对优化调整后的杆结构矫形器模型进行流体仿真分析以测试杆结构矫形器模型的透气性能。具体的，以应力、应变、位移等参数为衡量指标对杆结构矫形器模型的力学性能进行量化测试，以渗透率、流速、流体剪切力等参数为衡量指标对杆结构矫形器模型的透气性能进行量化测试。

对优化调整后的杆结构矫形器模型进行性能仿真分析之后，得到仿真分析结果，根据仿真分析结果，若杆结构矫形器模型的各项佩戴性能均满足性能要求，则利用3D增材制造设备打印出矫形器，完成矫形器的制备；若杆结构矫形器模型不满足设计要求，则根据仿真分析结果，重新对杆结构矫形器模型进行调整。

其中，根据仿真分析结果，重新对杆结构矫形器模型进行调整，包括：确定性能缺陷；根据性能缺陷，调整相应的设计要素；基于调整后的设计要素，重新生成杆结构矫形器模型。

于一些实施例中，根据仿真分析结果所确定的性能缺陷包括透气性不符合要求，力学性能不符合要求等；相对应的，可调整的设计要素可以是面网格密度、截面图形尺寸、连接点力学参数等。具体的说：

对于透气性不符合要求的性能缺陷，可以是矫形器整体不符合透气性要求，也可以是局部接触区域不符合透气性要求，若矫形器整体不符合透气性要求，则需要对杆结构矫形器模型进行整体调整，若矫形器的局部接触区域不符合透气性要求，则仅需对局部接触区域进行局部调整即可。

一种调整方法是：于步骤S12，对透气性不足的接触区域，通过修剪、细化面网格，降低面网格的密度，以提高该接触区域的透气性，密度调整之后，顺序执行步骤S13-S14，重新生成杆结构矫形器模型，再对重新生成的杆结构矫形器模型进行优化调整，优化调整后，对杆结构矫形器模型进行仿真分析，以测试调整后的杆结构矫形器模型是否已经符合透气性要求。

另一种调整方法是，于步骤S14，重新选取截面图形并设置截面图形的尺寸，基于重新设置的截面图形进行放样操作，重新生成杆结构矫形器模型，并对杆结构矫形器模型进行优化调整，优化调整后，对杆结构矫形器模型进行仿真分析，以测试调整后的杆结构矫形器模型是否已经符合透气性要求。

对于力学性能不符合要求的性能缺陷，可以是矫形器整体不符合力学性能要求，也可以是矫形器局部接触区域不符合力学性能要求，若矫形器整体不符合力学性能要求，则需要对矫形器模型进行整体调整，若矫形器局部接触区域不符合力学性能要求，则仅需对局部接触区域进行局部调整即可。

一种调整方法是，于步骤S12，对于力学性能不足的接触区域，增加面网格的密度，以提高该接触区域的力学性能，或者，对于应力集中的接触区域，通过修剪、细化面网格，降低面网格的密度；密度调整之后，顺序执行步骤S13-S14，重新生成杆结构矫形器模型，再对重新生成的杆结构矫形器模型进行优化调整，优化调整后，对杆结构矫形器模型进行仿真分析，以测试调整后的杆结构矫形器模型是否已经符合力学性能要求。

另一种调整方法是，于步骤S14，重新选取截面图形并设置截面图形的尺寸，基于重新设置的截面图形进行放样操作，重新生成杆结构矫形器模型，并对杆结构矫形器模型进行优化调整，优化调整后，对杆结构矫形器模型进行仿真分析，以测试调整后的杆结构矫形器模型是否已经符合力学性能要求。

若根据仿真分析结果，局部连接点处应力集中，则可直接在应力集中的连接点处设置倒角，以降低该部位的应力。本实施例综合考虑力学性能和透气性等佩戴性能，能够在保证力学性能条件下，实现矫形器的减重，改善矫形器的透气性，从而提供既能满足性能要求又可提高佩戴舒适度的矫形器。

依照上述矫形器制备方法，能够快速、高效、简便的制备出矫形器模型，再利用3D打印加工得到矫形器，该矫形器不仅满足佩戴性能要求，而且重量较轻，透气性佳，佩戴舒适，有利于患者减轻病痛，恢复健康。为使制备出的矫形器更具美观性和个性化，还可以对加工出的矫形器进行浸染、喷漆等上色处理，和/或增加装饰性图案、装饰物等。

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)

1.一种杆结构多孔矫形器的制备方法，其特征在于，包括：

确定矫形器与人体佩戴位置的接触面；

基于所述接触面，生成密度一致的面网格；

对所述面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格；

基于所述调整后的面网格，提取面网格的结构线；

以所述结构线为基础，按照特定的截面图形进行放样操作，生成杆结构矫形器模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定矫形器与人体佩戴位置的接触面，包括：

获取矫形器与人体佩戴位置的接触面数据；

根据所述接触面数据，确定矫形器与人体佩戴位置的接触面。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格，包括：

根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，通过增加、删除、细化方式，对所述面网格进行整体或是局部调整，得到密度调整后的面网格。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述面网格的密度进行调整，得到调整后的面网格，包括：

根据矫形器的佩戴位置及佩戴性能要求，对应于矫形器的不同接触区域分别设置不同密度的面网格，得到密度调整后的面网格。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述佩戴性能包括但不限于贴合度、透气性、力学性能、重量参数。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述截面图形包括但不限于正方形、长方形、圆形、椭圆形。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对所述杆结构矫形器模型进行优化调整，包括：

基于调整后的面网格，提取面网格的连接点；

于所述连接点处设置倒角和加固结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：

对优化调整后的杆结构矫形器模型进行性能仿真分析，得到仿真分析结果；

根据所述仿真分析结果，对所述杆结构矫形器模型进行适应性调整，包括：确定性能缺陷；根据性能缺陷，调整相应的设计要素；基于调整后的设计要素，重新生成杆结构矫形器模型。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述性能仿真分析包括透气性仿真分析，根据透气性仿真分析结果，对所述杆结构矫形器模型进行适应性调整，包括：确定透气性能缺陷；根据透气性能缺陷，调整所述面网格的密度或是重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸，调整之后重新生成杆结构矫形器模型。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述性能仿真分析包括力学性能仿真分析，根据力学性能仿真分析结果，对所述杆结构矫形器模型进行适应性调整，包括：确定力学性能缺陷；根据力学性能缺陷，调整所述面网格的密度或是重新选取所述截面图形、设置所述截面图形的尺寸或是调整所述连接点的力学参数，调整之后重新生成杆结构矫形器模型。

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