CN112315495A - 一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，具体包括：对佩戴者进行CT扫描获取脊椎侧弯数据，建立三维模型；对三维模型进行矫形施力区域划分确定矫形装置模型；根据矫形装置模型打印矫形装置主体；将压力传感器安装于矫形装置主体上对矫形装置主体进行受力检测。本发明还提出一种用于脊柱侧弯矫形力的测量矫形装置。本发明通过块状结构设计，实现对矫形装置的刚度调节，采用3D打印技术进行制造，可以在更大范围内体现个性化特征，提高矫形治愈率和病患的救治体验；提高医疗救治效率，适于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及粉料包装技术领域，具体涉及一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法。
背景技术
脊柱侧弯是脊柱的一个或数个节段在冠状面上偏离身体中线向侧方弯曲，形成一个带有弧度的脊柱畸形，通常还伴有脊柱的旋转和矢状面上后突或前突的增加或减少。
常用的治疗方法分为非手术治疗及手术治疗。非手术治疗包括支具矫形治疗、整脊疗法、运动疗法等系列物理治疗方法。在患者年龄较小且Cobbs角小于45°的情况下合理运用非手术的支具矫形治疗可以有效控制患者脊柱侧弯的发展。支具治疗如果有效，则患者的脊柱最终能够接近常人，而行内固定手术的患者脊柱将会无法正常活动，相对于手术治疗来说，支具治疗有其无法代替的优势。
但是，用于支具矫形治疗的矫形装置需要根据矫形的不同阶段进行分阶段矫形应力调整，当前临床上常用的胸腰骶类支具如Charleston屈曲支具、Crass Cheneau动态矫正支具、SPoRT支具、SpineCor软质支具、Boston支具都为三点式矫形原理，Wilmington支具是患者在平躺面朝上的体位定制，再根据患者脊柱侧弯情况给予矫正力。上述支具在矫形过程中的矫形力没有量化因此在矫形治疗过程中存在矫形不准确的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提供一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，通过定制化的方法，根据患者脊柱扫描数据以及矫形力测量来设计矫形装置。
本发明的技术方案是：
一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，具体包括：
对佩戴者进行CT扫描获取脊椎侧弯数据，建立三维模型；
对三维模型进行矫形施力区域划分确定矫形装置模型；
根据矫形装置模型打印矫形装置主体；
将压力传感器安装于矫形装置主体上对矫形装置主体进行受力检测。
作为本发明的进一步技术方案为，所述对佩戴者进行CT扫描获取脊椎侧弯数据，建立三维模型；具体包括：
将患者需要佩戴矫形装置的肢体进行CT扫描，通过Mimics软件对CT数据进行需矫形肢体的Mask提取，并对Mask进行光顺处理；
提取肢体内部骨骼的三维模型进行矫形结构的确定；
将Mask保存为STL格式的三维模型进行矫形装置的结构造型设计。
作为本发明的进一步技术方案为，对三维模型进行矫形施力区域划分确定矫形装置模型；具体包括：
将STP格式三维模型导入进Geomagic软件当中进行矫形施力区域划分；
在矫形施力区域进行矫形装置施力块状结构设计和肌肉锻炼结构设计。
作为本发明的进一步技术方案为，所述将STP格式三维模型导入进Geomagic软件当中进行矫形施力区域划分；
确定患者侧弯的端椎，包括上端锥和下端锥，其中上端锥、下端椎指侧弯中向脊柱侧弯凹侧倾斜度最大的椎体；
确定患者的Cobb角；
将患者Cobb角上端椎的椎体上缘横线与下端椎椎体的下缘横线向脊柱凸侧延长与三维模型在边界上相交于A点和B点，A、B两点之间的弧长区域即为矫形装置凸侧施力区域的长度；
过A点和B点分别做水平横线与三维模型在凹侧边界上相交于C点和D点，C点至三维模型上侧边缘弧长即为矫形装置脊柱凹侧上侧施力区域的弧长，D点至三维模型下侧边缘弧长即为矫形装置脊柱凹侧下侧施力区域的弧长；
以患者腋前线和腋后线之间的弧长作为矫形装置凸侧和凹侧矫形施力区域的宽。
作为本发明的进一步技术方案为，在矫形施力区域进行矫形装置施力块状结构设计和肌肉锻炼结构设计，具体包括：
将STP格式矫形施力区域三维模型导入进Rhino软件中，应用Grasshopper插件将矫形区域Surface选入Grasshopper；
将导入Rhino的矫形区域Surface通过投影创建UV曲线，并将投影后的UV曲线通过Surface fromplanar curves创建投影平面；
对投影平面进行UV划分，在UV交叉处分布Hexagon形状并拉伸(或Voronoi等其他图形形状)拉伸距离范围为0-20mm，分布个数的确定范围如下，
U方向：5％×U divisions＜Hexagon形状个数＜30％×U divisions
V方向：5％×V divisions＜Hexagon形状个数＜30％×V divisions
将拉伸出的处于平面位置的块状结构投影到矫形施力区域并保存为STL格式的计算机三维模型。
作为本发明的进一步技术方案为，所述根据矫形装置模型打印矫形装置主体；具体包括：
确定矫形装置模型的镂空透气孔分布区域；
将STL文件导入Magics软件进行工艺规划；
采用FDM 3D打印工艺打印矫形装置主体。
作为本发明的进一步技术方案为，所述确定矫形装置模型的镂空透气孔分布区域；具体包括：在矫形装置施力区域以及凹侧上下、腋前线和腋后线之间区域之外的其他区域为基于泰森多边形的镂空结构其分布以及开孔尺寸随机分布。
作为本发明的进一步技术方案为，所述矫形装置主体为TPU材质经FDM增材制造工艺一次成型。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供一种定制化矫形装置和设计方法，该种矫形装置可以适配患者体表形貌特征，变刚度特征可对患者矫形部位进行精准矫形的同时可以减少患者对于矫形装置的依赖次数，通过块状结构设计，实现对矫形装置的刚度调节，相较于已有的解决方案矫形效果好，无创伤，而且个性化订制，成本低；
2、本发明采用3D打印技术进行制造，可以在更大范围内体现个性化特征，提高矫形治愈率和病患的救治体验；
3、本发明相较于传统矫形装置在设计周期，制造时间上具有优势，可以提高医疗救治效率，整体结构简单方便，操作性效果好，操作方便容易，适于推广使用，具有广泛的应用领域和较好的经济效益。
附图说明
图1为本发明提出的一种用于脊柱侧弯矫形力的测量矫形装置制作方法流程图；
图2为本发明矫形施力块状结构设计方法说明图；
图3为本发明中图2所示的左视图；
图4为本发明中图2的右视图；
图5为本发明矫形施力及肌肉锻炼原理说明图；
图6为本发明提出的一种用于脊柱侧弯矫形力的测量矫形装置结构图；
图7为本发明中图6沿中线A-A剖视图；
图8为本发明中图6沿中线C-C剖视图；
图9为本发明提出的压力测试环节中传感器与计算机连接说明图；
图10为本发明提出的一具体实施例压力测试图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参见图1，为本发明提出的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法流程图；
如图1所示，一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，具体包括：
步骤101，对佩戴者进行CT扫描获取脊椎侧弯数据，建立三维模型；
步骤102，对三维模型进行矫形施力区域划分确定矫形装置模型；
步骤103，根据矫形装置模型打印矫形装置主体；
步骤104，将压力传感器安装于矫形装置主体上对矫形装置主体进行受力检测。
本发明实施例中，对佩戴者进行CT扫描获取脊椎侧弯数据，建立三维模型；具体包括：将患者需要佩戴矫形装置的肢体进行CT(Computed Tomography)扫描，获得CT数据之后使用Mimics软件(Materialise,Inc.,Belgium)进行需矫形肢体的Mask提取，提取出Mask之后对其进行光顺处理；提取需矫形肢体Mask的同时提取肢体内部骨骼的三维模型以便于进行矫形装置上矫形结构的确定；最后将Mask保存为STL格式的三维模型进行矫形装置的结构造型设计；
本发明实施例中，还可以在患者状态下使用三维扫描仪对患者躯干主体进行扫描，以站立轴为轴，不断旋转并进行扫描，每一次扫描结果会被自动对齐；在获取完整的下肢扫描的点云数据后利用Geomagic和imageware软件对模型进行处理，得到患者的Nurbs曲面肢体模型。
参见图2至图4，其中图2为本发明矫形施力块状结构设计方法说明图；图3为本发明中图2所示的左视图，图4为本发明中图2的右视图。
如图2至图4，对三维模型进行矫形施力区域划分确定矫形装置模型；具体包括：
将STP格式三维模型导入进Geomagic软件当中进行矫形施力区域划分；
在矫形施力区域进行矫形装置施力块状结构设计和肌肉锻炼结构设计。
其中，将STP格式三维模型导入进Geomagic软件当中进行矫形施力区域划分；包括：
确定患者侧弯的端椎，包括上端锥和下端锥，其中上端锥、下端椎指侧弯中向脊柱侧弯凹侧倾斜度最大的椎体；
确定患者的Cobb角；
将患者Cobb角上端椎的椎体上缘横线与下端椎椎体的下缘横线向脊柱凸侧延长与三维模型在边界上相交于A点和B点，A、B两点之间的弧长区域即为矫形装置凸侧施力区域的长度；
过A点和B点分别做水平横线与三维模型在凹侧边界上相交于C点和D点，C点至三维模型上侧边缘弧长即为矫形装置脊柱凹侧上侧施力区域的弧长，D点至三维模型下侧边缘弧长即为矫形装置脊柱凹侧下侧施力区域的弧长；
以患者腋前线和腋后线之间的弧长作为矫形装置凸侧和凹侧矫形施力区域的宽。
本发明实施例中，在矫形施力区域进行矫形装置施力块状结构设计和肌肉锻炼结构设计，具体包括：
将STP格式矫形施力区域三维模型导入进Rhino软件中，应用Grasshopper插件将矫形区域Surface选入Grasshopper；
将导入Rhino的矫形区域Surface通过投影创建UV曲线，并将投影后的UV曲线通过Surface fromplanar curves创建投影平面；
对投影平面进行UV划分，在UV交叉处分布Hexagon形状并拉伸(或Voronoi等其他图形形状)拉伸距离范围为0-20mm，分布个数的确定范围如下，
U方向：5％×U divisions＜Hexagon形状个数＜30％×U divisions
V方向：5％×V divisions＜Hexagon形状个数＜30％×V divisions
将拉伸出的处于平面位置的块状结构投影到矫形施力区域并保存为STL格式的计算机三维模型。
按照上述方法可对中矫形施力区域②和③之间外侧的块状肌肉锻炼结构进行设计。
图5为本发明矫形施力及肌肉锻炼原理说明图，本发明在采用三点力矫形原理的基础上在矫形施力区域设计有块状结构，如图5中的①、②、③所示，当使用者通过绑带等将矫形装置主体上的绑紧孔拉紧的时候，矫形装置就会通过三个施力区域上设计的块状结构对肋骨和脊柱传递拉紧的矫形力从而实现对脊柱的矫形。本发明在图5中②、③矫形施力区域中间的外侧设计有块状凸起结构，当使用者在冠状面进行侧弯运动时矫形施力区域②和③之间的块状结构间隙会缩小而开始产生接触挤压，进而会产生形变阻力防止过度侧弯；同时，使用者可以在矫形施力区域②和③之间外侧的块状结构间隙进行充垫和取出，由此可以实现脊柱在冠状面上侧弯和伸展运动从而实现对脊柱周围肌肉的锻炼。
本发明实施例中，根据矫形装置模型打印矫形装置主体；具体包括：
确定矫形装置模型的镂空透气孔分布区域；
将STL文件导入Magics软件进行工艺规划；
采用FDM 3D打印工艺打印矫形装置主体。
其中，确定矫形装置模型的镂空透气孔分布区域；具体包括：在矫形装置施力区域以及凹侧上下、腋前线和腋后线之间区域之外的其他区域为基于泰森多边形的镂空结构其分布以及开孔尺寸随机分布。矫形装置主体侧面镂空结构是基于泰森多边形的孔状结构，提高透气性与舒适性。
将确定的三维模型转化为STL格式，将此STL文件导入Magics软件进行工艺规划，包括添加支撑等；然后进入3D打印过程。
本发明实施例中，所述采用FDM 3D打印工艺打印矫形装置主体，具体包括：采用FDM 3D打印工艺，使用TPU材质100％填充进行打印成型，打印成型的矫形装置。
参见图6-图9，为本发明提出的一种用于脊柱侧弯矫形力测量矫形装置结构图；图7为本发明中图6沿中线A-A剖视图；图8为本发明中图6沿中线C-C剖视图，图9为本发明提出的压力测试环节中传感器与计算机连接说明图。
本发明实施例中所采用的方法适用以下测量矫形装置，包括：
一矫形主体201，
第一矫正凸块202，设置于矫形主体的凹侧；
第二矫正凸块203，设置于矫形主体的凸侧上部；
第三校正凸块204，设置于矫形主体的凸侧下部；
压力传感器组205，用于对矫形主体受到的压力进行检测，包括第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器，分别设置于第一矫正凸块、第二校正凸块和第三校正凸块上；
单片机206，接收压力传感器组的检测信号并将检测信号发送给控制计算机。
本发明实施例中，对患者进行站立位脊柱全长正位CT扫描(或者MRI扫描)，建立矫形装置设计所需的脊柱三维数字模型；CT扫描(或者MRI扫描)获得的数据经Mimics处理之后得到STL格式的三维数字模型；根据三维数字模型、患者脊柱侧弯Cobb角度和腋前线和腋后线进行矫形装置轮廓设计和矫形力调节结构区域划定以及块状结构设计；矫形装置通过对肋骨和脊柱施加三点压力(三点矫正力系统)进行脊柱侧弯的矫形；矫形装置的矫形力施加区域设计有凸起的均质分布的块状结构，通过该结构对肋骨和脊柱进行矫形施力；在每个块状结构处贴上力学传感器，力学传感器通过单片机与计算机相连接，患者穿戴上带有力学传感器的矫形装置，在站立、坐下等姿势下对块状结构所受压力进行测试；根据每个块状结构所受压力，计算每一块矫形力施加区域的平均压力。根据三点矫正力系统原理，对压力测试结果进行分析，并对矫形力施加区域的位置以及块状结构的凸起高度进行调整；调整完毕后再次进行测试，多次调整直至矫形力施加区域符合患者身体特征，矫形力大小适合患者情况。矫形装置采用TPU材质经FDM增材制造工艺一次成型。
本发明实施例中，通过压力测试对制作的测量矫形装置进行矫形力的测量与分析，具体为：
在矫形施力区域的块状结构上，即图7、图8中的①、②、③区域，每一个块状结构的正中央贴上力学传感器贴片；贴片通过单片机与电脑相连，连接方式如图9所示，连接完成后，计算机能够实时检测并记录每一个传感器在某时刻所受压力大小，用于后续分析；
患者穿戴好矫形装置并连接好测试电路，患者分别在站姿与坐姿下进行测试，并记录站姿与坐姿下若干组测试数据；
分别计算每一时刻，图7中①处(矫形装置凸侧)，图8中②处(矫形装置凹侧上)与图8中③处(矫形装置凹侧下)中受力平均值，分别记作F1、F2与F3；以时间为横轴，压力值为纵轴，将F1(即凸侧压力)与F2+F3(即凹侧压力)随时间变化的记录为折线图，如图10示例的折线图；
对所作折线图进行分析：根据力的平衡原理，在理想情况下，与凸侧受力凹侧受力应该近似相等，即满足F1≈F2+F3，且压力大小应该始终保持在能够起到矫形作用且患者能够承受的范围内；若两侧压力大小相差过大，某侧压力数据始终偏小甚至接近0，说明该侧块状突起结构与患者身体接触度不够，需要对该区域的位置以及形状进行调整；若两侧压力数据均偏小甚至接近于0，说明矫形装置施加压力未达到用于矫形所需的矫形力度，需要考虑收紧绑带或者加高块状结构高度；如在图10所实例的折线图中，两侧压力相差过大，应对突起结构的位置进行调整。
根据上述分析，对矫形装置继续改进，改进后再次进行测试，直至矫形装置设计达到预期效果。
该发明提供一种定制化矫形装置和设计方法，该种矫形装置可以适配患者体表形貌特征，变刚度特征可对患者矫形部位进行精准矫形的同时可以减少患者对于矫形装置的依赖次数；该发明采用3D打印技术进行制造，可以在更大范围内体现个性化特征，提高矫形治愈率和病患的救治体验，该发明相较于传统矫形装置在设计周期，制造时间上具有优势，可以提高医疗救治效率。
本发明通过块状结构设计，实现对矫形装置的刚度调节，相较于已有的解决方案矫形效果好，无创伤，而且个性化订制，成本低；整体结构简单方便，操作性效果好，操作方便容易，适于推广使用，具有广泛的应用领域和较好的经济效益。
以上对本发明进行了详细介绍，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (8)
1.一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，具体包括：
对佩戴者进行CT扫描获取脊椎侧弯数据，建立三维模型；
对三维模型进行矫形施力区域划分确定矫形装置模型；
根据矫形装置模型打印矫形装置主体；
将压力传感器安装于矫形装置主体上对矫形装置主体进行受力检测。
2.根据权利要求1所述的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，所述对佩戴者进行CT扫描获取脊椎侧弯数据，建立三维模型；具体包括：
将患者需要佩戴矫形装置的肢体进行CT扫描，通过Mimics软件对CT数据进行需矫形肢体的Mask提取，并对Mask进行光顺处理；
提取肢体内部骨骼的三维模型进行矫形结构的确定；
将Mask保存为STL格式的三维模型进行矫形装置的结构造型设计。
3.根据权利要求1所述的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，所述对三维模型进行矫形施力区域划分确定矫形装置模型；具体包括：
将STP格式三维模型导入进Geomagic软件中进行矫形施力区域划分；
在矫形施力区域进行矫形装置施力块状结构设计和肌肉锻炼结构设计。
4.根据权利要求3所述的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，所述将STP格式三维模型导入进Geomagic软件中进行矫形施力区域划分；
确定患者侧弯的端椎，包括上端锥和下端锥，其中上端锥、下端椎指侧弯中向脊柱侧弯凹侧倾斜度最大的椎体；
确定患者的Cobb角；
将患者Cobb角上端椎的椎体上缘横线与下端椎椎体的下缘横线向脊柱凸侧延长与三维模型在边界上相交于A点和B点，A、B两点之间的弧长区域即为矫形装置凸侧施力区域的长度；
过A点和B点分别做水平横线与三维模型在凹侧边界上相交于C点和D点，C点至三维模型上侧边缘弧长即为矫形装置脊柱凹侧上侧施力区域的弧长，D点至三维模型下侧边缘弧长即为矫形装置脊柱凹侧下侧施力区域的弧长；
以患者腋前线和腋后线之间的弧长作为矫形装置凸侧和凹侧矫形施力区域的宽。
5.根据权利要求3所述的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，所述在矫形施力区域进行矫形装置施力块状结构设计和肌肉锻炼结构设计，具体包括：
将STP格式矫形施力区域三维模型导入进Rhino软件，应用Grasshopper插件将矫形区域Surface选入Grasshopper；
将导入Rhino的矫形区域Surface通过投影创建UV曲线，并将投影后的UV曲线通过Surface from planar curves创建投影平面；
对投影平面进行UV划分，在UV交叉处分布Hexagon形状并拉伸，分布个数的确定范围如下：
U方向：5％×U divisions＜Hexagon形状个数＜30％×U divisions；
V方向：5％×V divisions＜Hexagon形状个数＜30％×V divisions；
将拉伸出的处于平面位置的块状结构投影到矫形施力区域并保存为STL格式的计算机三维模型。
6.根据权利要求1所述的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，所述根据矫形装置模型打印矫形装置主体；具体包括：
确定矫形装置模型的镂空透气孔分布区域；
将STL文件导入Magics软件进行工艺规划；
采用FDM 3D打印工艺打印矫形装置主体。
7.根据权利要求6所述的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，所述确定矫形装置模型的镂空透气孔分布区域；具体包括：在矫形装置施力区域以及凹侧上下、腋前线和腋后线之间区域之外的其他区域为基于泰森多边形的镂空结构其分布以及开孔尺寸随机分布。
8.根据权利要求1所述的一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法，其特征在于，所述矫形装置主体为TPU材质经FDM增材制造工艺一次成型。
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| CN202011341600.6A CN112315495A (zh) | 2020-11-25 | 2020-11-25 | 一种用于脊柱侧弯矫形力测量的方法 |
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