CN112932732A - 基于关键点控制的虚拟模型成型装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置及方法，包括工作台，工作台上设有十字滑台机构，十字滑台机构上连接有直线电机，直线电机包括可上下滑动的点压棒，直线电机下方设有第一阵列针板，第一阵列针板包括多个可上下滑动的细针柱，点压棒用于下压细针柱，点压棒直径小于相邻细针柱的最小中心距；利用数字化技术，将虚拟模型快速转化为现实模型，提高医生参与度，便于直观确认主动脉支架体外开窗位置；提取主动脉虚拟模型数据的关键点，利用多层针板装置，通过三轴机构按压上层针柱，通过过渡的柔性薄板拟合模型曲面，极大减少按压次数，提高成型效率。

Description

基于关键点控制的虚拟模型成型装置及方法

技术领域

本发明涉及辅助医疗器械领域，尤其是涉及一种应用于主动脉支架开窗的基于关键点控制的虚拟模型成型装置及方法。

背景技术

目前的商品化的预开窗的或者设有多分支的主动脉支架均需要将患者的影像学数据上传到器械生产商实验室，工程师利用影像学处理软件进行分析处理，获得各分支血管与主动脉的位置关系及开口大小和形态，然后根据数据在支架上进行开窗操作。这样的程序，手术医师无法直接参与，急诊或紧急手术无法进行定制。因此，目前这样的流程很难大范围地进行开展，整个操作过程费时、费力，成本和风险高。而且，商品化的无开窗或分支的支架进行术中的开窗处理，存在开窗效率低，精度不够等缺点。

现有技术参见CN 106618795 A一种应用3D打印模型进行主动脉支架体外开窗的方法，该方法主要利用3D打印将虚拟模型转化为现实模型，但是3D打印为连续堆料法，准备时间和打印时间往往超过一个小时，对于定制化的限期手术来说时间太长。

发明内容

本发明提供了一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置及方法，通过关键点数据拟合实体模型，解决了传统3D打印技术，连续打印主动脉模型时间过长的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，包括工作台，工作台上设有十字滑台机构，十字滑台机构上连接有直线电机，直线电机包括可上下滑动的点压棒，直线电机下方设有第一阵列针板，第一阵列针板包括多个可上下滑动的细针柱，点压棒用于下压细针柱，点压棒直径小于相邻细针柱的最小中心距。

优选的方案中，第一阵列针板上端设有第二阵列针板，第二阵列针板包括多个粗针柱，粗针柱直径大于细针柱直径，粗针柱与细针柱之间设有柔性薄板。

优选的方案中，第二阵列针板与第一阵列针板之间还设有多个连接杆，连接杆两端分别连接第一阵列针板和第二阵列针板，手拧螺丝穿过第二阵列针板抵靠在连接杆上。

优选的方案中，第一阵列针板还包括阻尼箱，阻尼箱中设有多个针柱套，针柱套与细针柱滑动套接，阻尼箱两侧设有定位板，细针柱穿过定位板。

优选的方案中，阻尼箱中还设有气腔，阻尼箱上还设有单向气阀，单向气阀与气腔连通。

优选的方案中，阻尼箱一端还设有调整腔，调整腔与气腔连通，调整腔中滑动连接有柱塞，柱塞外圈套有密封圈，气腔一端还连接有端盖，端盖中螺纹连接有调整顶丝，调整顶丝穿过端盖抵靠在柱塞上。

优选的方案中，第一阵列针板下方设有底架，底架上设有定位销，定位销与第一阵列针板连接。

优选的方案中，还包括第一相机和第一灯板，第一相机和第一灯板分别设在第一阵列针板两侧，第一阵列针板另外两侧分别设有第二相机和第二灯板。

优选的方案中，点压棒逐个下压细针柱，点压棒直径小于距离最小的相邻细针柱的中心距。

包括成型方法，

S1、对主动脉进行CT或核磁扫描，获得的带影像数据的DICOM文件；

S2、对DICOM文件进行处理，提取有用部分数据；

S3、分析并提取的关键点坐标，并转化为三维数字化软件中间格式；

S4、利用三维加工软件处理关键点坐标数据，编写下压路径代码文件；

S5、利用单向气阀向气腔充入气体，气压使针柱套抱紧细针柱，形成一定的摩擦阻力；

S6、旋转调整顶丝改变柱塞位置，使气腔中气压随之变化以调整摩擦阻力到合适值；

S7、将下压路径代码文件导入十字滑台机构与直线电机组成的三轴伺服机构的控制软件并启动，控制点压棒下压粗针柱，粗针柱下压柔性薄板使柔性薄板该位置下陷并下压细针柱；

S8、第一次下压完毕后点压棒抬起，切换坐标位置下压另一个粗针柱，如此往复直到程序结束；

S9、程序结束后，柔性薄板被压后变形成的特定的轮廓面，该轮廓面挤压细针柱上端，使细针柱下端组成与柔性薄板相近的轮廓面；

S10、打开第一灯板和第二灯板，利用第一相机和第二相机拍照，检测细针柱下降高度，将不同细针柱的高度值与理论数据比对，若正确则旋转调整顶丝，加大气腔中气压，锁紧细针柱；

S11、取下第一阵列针板，将第一阵列针板放到定型装置上，细针柱下端下压定型装置，使定型装置形成一定形状；

S12、将定型装置消毒处理；

S13、将主动脉支架放在定型装置中，标记主动脉支架在分支口的位置；

S14、在标记位置开窗。

本发明的有益效果为：利用数字化技术，将虚拟模型快速转化为现实模型，提高医生参与度，便于直观确认主动脉支架体外开窗位置；提取主动脉虚拟模型数据的关键点，利用多层针板装置，通过三轴机构按压上层针柱，通过过渡的柔性薄板拟合模型曲面，极大减少按压次数，提高成型效率；Z轴采用直线电机带动点压棒上下移动，速度快、效率高；设有反馈检测的相机，通过两个垂直方向交叉灰度检测的方法检测成型的轮廓面是否与CT等拍摄的虚拟模型相，提高装置的可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的示意图。

图2是本发明的A处放大图。

图3是本发明的阵列针板示意图。

图4是本发明的阵列针板剖面图B。

图5是本发明的阵列针板剖面图C。

图6是本发明的阻尼箱示意图。

图7是本发明的第二阵列针板示意图。

图8是本发明的第二阵列针板工作时剖面图。

图9是本发明的定型装置实施示意图。

图10是本发明的主动脉模型简化示意图。

图中：工作台1；地脚101；十字滑台机构2；直线电机3；点压棒301；第一阵列针板4；阻尼箱401；针柱套402；细针柱403；定位板404；气腔405；单向气阀406；柱塞407；密封圈408；端盖409；调整顶丝410；调整腔411；定型装置5；定型膜501；定型胶喷嘴502；紫外灯503；第一灯板6；第二灯板7；第一相机8；第二相机9；底架10；定位销1001；手旋螺丝11；主动脉模型12；分支1201；连接杆13；手拧螺丝14；柔性薄板15；第二阵列针板16；粗针柱1601。

具体实施方式

如图1-10中，一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，包括工作台1，工作台1上设有十字滑台机构2，十字滑台机构2上连接有直线电机3，直线电机3包括可上下滑动的点压棒301，直线电机3下方设有第一阵列针板4，第一阵列针板4包括多个可上下滑动的细针柱403，点压棒301用于下压细针柱403。

利用主动脉模型12及其分支1201的虚拟数据，编写成矩阵形式的关键点位置下压程序，控制十字滑台机构2和直线电机3带动点压棒301下压指定位置的细针柱403，使多个细针柱403组合成需要的轮廓面，第一阵列针板4可快速拆下，带走使用。

点压棒301直径小于相邻细针柱403的最小中心距，点压棒3013每次下压只压下一个细针柱403，本装置X、Y方向每次位移路程相比于Z方向路程小，十字滑台机构2优先采用同步带机构，同步带相比丝杆更加快速，且快速运转时不会有丝杠结构的发热问题，成本适中；考虑到Z方向需要频繁上下，装置Z轴采用直线电机3，相比于传统结构具有速度快、加减速快、反映灵敏的优点，适合快速频繁往复运动；十字滑台机构2和直线电机3组成的三轴机构均采用伺服控制，相比于步进控制具有半闭环的特点，发射脉冲可记录，可利用激光干涉仪实测定位数据，再利用补偿算法修正发射脉冲数，从而补偿定位精度；Z轴需要的精度高，直线电机3可加装光栅尺实现全闭环控制，实施补偿定位精度。

优选的方案中，第一阵列针板4上端设有第二阵列针板16，第二阵列针板16包括多个粗针柱1601，粗针柱1601直径大于细针柱403直径，粗针柱1601与细针柱403之间设有柔性薄板15。

第二阵列针板16具有与第一阵列针板4相同的结构形式，但粗针柱1601数量比细针柱403少，粗针柱1601数量与虚拟模型的关键点如转折点、极值点等的数量对应，根据关键点的X、Y坐标下压对应X、Y坐标的粗针柱1601，关键点的Z轴对应粗针柱1601下压距离；柔性薄板15四周固定，下压粗针柱1601带动柔性薄板15变形并下压细针柱403，最终得到需要的轮廓面；柔性薄板15可选择合适硬度和厚度的硅胶板或橡胶板，具有一定的回弹力，保证粗针柱1601或细针柱403未接触到的空档部分以均匀曲面过渡。

由于主动脉较粗且为连续曲面，不为断面，通过少针控制关键点再利用柔性薄板15均匀过渡下压细针柱403，即可得到在误差许可范围内的最终轮廓面，但是实际下压点数量可大大减小，例如，第一阵列针板4细针柱403数量为30x60=1800根，第二阵列针板16的粗针柱1601数量为15x30=450根，数量仅为原有的四分之一，按压一根的节拍时间约为3s，总时长约为450x3=1350s=22.5min；根据实际需要，第二阵列针板16上层可继续叠加针数更少的针板，进一步缩短时间，大大提高虚拟模型的成型效率。

优选的方案中，第二阵列针板16与第一阵列针板4之间还设有多个连接杆13，连接杆13两端分别连接第一阵列针板4和第二阵列针板16，手拧螺丝14穿过第二阵列针板16抵靠在连接杆13上。

优选的方案中，阵列针板4还包括阻尼箱401，阻尼箱401中设有多个针柱套402，针柱套402与细针柱403滑动套接，阻尼箱401两侧设有定位板404，细针柱403穿过定位板404；

阻尼箱401中还设有气腔405，阻尼箱401上还设有单向气阀406，单向气阀406与气腔405连通。

定位板404上的孔为定位孔，对细针柱403起定位作用，阻尼箱401的四周骨架及上下面为刚性，且内腔封闭，针柱套402为橡胶或硅胶等柔性材质，气腔405中充气时，每个细针柱403受到等大且单位面积均匀的挤压力，针柱套402对细针柱403产生一定的摩擦阻力，通过调节气压可统一调节每个细针柱403受到的阻力，使细针柱403可悬停，同时也防止细针柱403受到快速碰撞或挤压时出现位置过冲的“溜车”现象。

优选的方案中，阻尼箱401一端还设有调整腔411，调整腔411与气腔405连通，调整腔411中滑动连接有柱塞407，柱塞407外圈套有密封圈408，气腔405一端还连接有端盖409，端盖409中螺纹连接有调整顶丝410，调整顶丝410穿过端盖409抵靠在柱塞407上。

旋转调整顶丝410，可带动气腔405容积变化，进而改变气压。

优选的方案中，阵列针板4下方设有底架10，底架10上设有定位销1001，定位销1001与阵列针板4连接，还设有多个手旋螺丝11，手旋螺丝11穿过阵列针板4抵靠在定位销1001上。

优选的方案中，还包括第一相机8和第一灯板6，第一相机8和第一灯板6分别设在第一阵列针板4两侧，第一阵列针板4另外两侧分别设有第二相机9和第二灯板7。

第一相机8和第一灯板6优先选择白色LED灯板，可发射出均匀的背景光线，通过调节光线亮度和对侧相机的感光度，拍摄出两个垂直方向的照片；细针柱403下端优选为半透光材料，以一细针柱3为例，由于该列每根针柱下降高度不同，针对某一高度点而言，光线经过的细针柱3数量不同，因此光线亮度被削弱的程度不同，亮度越大拍个出的照片该点灰度值越大，将拍摄的照片转化为灰度图后，不同像素块对应灰度值不同，通过两个方向照片的灰度图，建立算法结算出每个细针柱3下端实际坐标点，将实际坐标点与执行程序的理论坐标点比对，得出误差值，若误差值小于许可值则忽略，若误差值大于许可值则通过调整机构，修正针的高度。

优选的方案中，点压棒301逐个下压细针柱403，点压棒301直径小于距离最近的相邻细针柱403的中心距，防止一次按下多个细针柱403。

工作台1下端设有多个地脚101，地脚101高度可调，方便不同高度工作人员使用。

优选的方案中，还包括定型装置5，定型装置5包括定型膜501和定型胶喷嘴502，细针柱403下压使定型膜501形变，定型胶喷嘴502用于向定型膜501喷洒定型胶。

优选的方案中，定型胶喷嘴502喷洒出的胶为紫外胶，定型装置5还包括紫外灯503，紫外灯503用于照射定型膜501。

快干的紫外胶的凝固时间通常在30s左右，可大大节省成型时间，可选择纺织物等带有细空隙的材料作为定型膜501，定型胶喷嘴502向纺织物喷洒适量的紫外胶，紫外灯503照射后紫外胶凝固，纺织物快速定型成带有分支1201的主动脉模型12的模样，纺织物较轻且成本低，相比阵列针板4更加方便现场使用，同时适合批量化快速成型。

成型方法如下，

S1、对主动脉进行CT或核磁扫描，获得的带影像数据的DICOM文件；

S2、对DICOM文件进行处理，提取有用部分数据，并转化为三维数字化软件中间格式如STL、STEP、IGS等；

S3、分析并提取的关键点坐标，并转化为三维数字化软件中间格式；

S4、利用三维加工软件UG、mastercam等处理关键点坐标数据，编写下压路径代码文件；

S5、利用单向气阀406向气腔405充入气体，气压使针柱套402抱紧细针柱403，形成一定的摩擦阻力；

S6、旋转调整顶丝410改变柱塞407位置，使气腔405中气压随之变化以调整摩擦阻力到合适值；

S7、将下压路径代码文件导入十字滑台机构2与直线电机3组成的三轴伺服机构的控制软件并启动，控制点压棒301下压粗针柱1601，粗针柱1601下压柔性薄板15使柔性薄板15该位置下陷并下压细针柱403；

S8、第一次下压完毕后点压棒301抬起，切换坐标位置下压另一个粗针柱1601，如此往复直到程序结束；

S9、程序结束后，柔性薄板15被压后变形成的特定的轮廓面，该轮廓面挤压细针柱403上端，使细针柱403下端组成与柔性薄板15相近的轮廓面；

S10、打开第一背板6和第二背板7，利用第一相机8和第二相机9拍照，检测细针柱403下降高度，将不同细针柱403的高度值与理论数据比对，若正确则旋转调整顶丝410，加大气腔405中气压，锁紧细针柱403；

S11、取下第一阵列针板4，将第一阵列针板4放到定型装置上，细针柱403下端下压定型装置，使定型装置形成一定形状；

S12、将定型装置通过高压蒸汽，环氧乙烷等消毒方式消毒灭菌后取出备用；

S13、将主动脉支架放在定型装置中，标记主动脉支架在分支口的位置；

S14、直接在标记位置开窗或取出主动脉支架并在标记位置开窗。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：包括工作台（1），工作台（1）上设有十字滑台机构（2），十字滑台机构（2）上连接有直线电机（3），直线电机（3）包括可上下滑动的点压棒（301），直线电机（3）下方设有第一阵列针板（4），第一阵列针板（4）包括多个可上下滑动的细针柱（403），点压棒（301）用于下压细针柱（403）。

2.根据权利要求1所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：第一阵列针板（4）上端设有第二阵列针板（16），第二阵列针板（16）包括多个粗针柱（1601），粗针柱（1601）直径大于细针柱（403）直径，粗针柱（1601）与细针柱（403）之间设有柔性薄板（15）。

3.根据权利要求2所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：第二阵列针板（16）与第一阵列针板（4）之间还设有多个连接杆（13），连接杆（13）两端分别连接第一阵列针板（4）和第二阵列针板（16），手拧螺丝（14）穿过第二阵列针板（16）抵靠在连接杆（13）上。

4.根据权利要求1所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：第一阵列针板（4）还包括阻尼箱（401），阻尼箱（401）中设有多个针柱套（402），针柱套（402）与细针柱（403）滑动套接，阻尼箱（401）两侧设有定位板（404），细针柱（403）穿过定位板（404）。

5.根据权利要求4所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：阻尼箱（401）中还设有气腔（405），阻尼箱（401）上还设有单向气阀（406），单向气阀（406）与气腔（405）连通。

6.根据权利要求5所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：阻尼箱（401）一端还设有调整腔（411），调整腔（411）与气腔（405）连通，调整腔（411）中滑动连接有柱塞（407），柱塞（407）外圈套有密封圈（408），气腔（405）一端还连接有端盖（409），端盖（409）中螺纹连接有调整顶丝（410），调整顶丝（410）穿过端盖（409）抵靠在柱塞（407）上。

7.根据权利要求1所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：第一阵列针板（4）下方设有底架（10），底架（10）上设有定位销（1001），定位销（1001）与第一阵列针板（4）连接。

8.根据权利要求1所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：还包括第一相机（8）和第一灯板（6），第一相机（8）和第一灯板（6）分别设在第一阵列针板（4）两侧，第一阵列针板（4）另外两侧分别设有第二相机（9）和第二灯板（7）。

9.根据权利要求1所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置，其特征是：点压棒（301）逐个下压细针柱（403），点压棒（301）直径小于距离最小的相邻细针柱（403）的中心距。

10.根据权利要求1~9任意一项所述一种基于关键点控制的虚拟模型成型装置的成型方法，其特征是：

S1、对主动脉进行CT或核磁扫描，获得的带影像数据的DICOM文件；

S2、对DICOM文件进行处理，提取有用部分数据；

S3、分析并提取的关键点坐标，并转化为三维数字化软件中间格式；

S4、利用三维加工软件处理关键点坐标数据，编写下压路径代码文件；

S5、利用单向气阀（406）向气腔（405）充入气体，气压使针柱套（402）抱紧细针柱（403），形成一定的摩擦阻力；

S6、旋转调整顶丝（410）改变柱塞（407）位置，使气腔（405）中气压随之变化以调整摩擦阻力到合适值；

S7、将下压路径代码文件导入十字滑台机构（2）与直线电机（3）组成的三轴伺服机构的控制软件并启动，控制点压棒（301）下压粗针柱（1601），粗针柱（1601）下压柔性薄板（15）使柔性薄板（15）该位置下陷并下压细针柱（403）；

S8、第一次下压完毕后点压棒（301）抬起，切换坐标位置下压另一个粗针柱（1601），如此往复直到程序结束；

S9、程序结束后，柔性薄板（15）被压后变形成的特定的轮廓面，该轮廓面挤压细针柱（403）上端，使细针柱（403）下端组成与柔性薄板（15）相近的轮廓面；

S10、打开第一灯板（6）和第二灯板（7），利用第一相机（8）和第二相机（9）拍照，检测细针柱（403）下降高度，将不同细针柱（403）的高度值与理论数据比对，若正确则旋转调整顶丝（410），加大气腔（405）中气压，锁紧细针柱（403）；

S11、取下第一阵列针板（4），将第一阵列针板（4）放到定型装置上，细针柱（403）下端下压定型装置，使定型装置形成一定形状；

S12、将定型装置消毒处理；

S13、将主动脉支架放在定型装置中，标记主动脉支架在分支口的位置；

S14、在标记位置开窗。

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