CN115563846A - 假肢接受腔的数字模型设计方法、装置及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种假肢接受腔的数字模型设计方法、装置及存储介质，涉及康复辅具技术领域。方法包括构建残肢模型、地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型；对相连模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；建立第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，计算各区域的应力；如果存在应力大于预设应力阈值的目标区域，则调节目标区域直到不存在应力大于预设应力阈值的区域时，将调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型。本发明公开的方法、装置及存储介质可避免给假肢穿戴者带来的不适、疼痛甚至是二次损伤。

Description

假肢接受腔的数字模型设计方法、装置及存储介质

技术领域

本发明属于康复辅具技术领域，具体涉及一种假肢接受腔的数字模型设计方法、装置及存储介质。

背景技术

假肢接受腔（prosthetic limb socket）是容纳截肢者残肢的腔状部件，传统的假肢接受腔的制作，主要是由辅具生产工作人员经过取型、阳模灌注、阳模修型、接受腔和内衬套制作修型等复杂的手工程序，其修型依靠经验，此种设计方式工艺复杂、耗时较长，且在小腿截肢患者使用假肢接受腔的过程中残肢末端与接受腔内壁之间可能存在应力集中的情况，这会造成假肢穿戴者的不适、疼痛甚至是二次损伤。

因此，如何提供一种有效的方案，以避免假肢穿戴者在使用假肢接受腔的过程中出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中的问题，已成为现有技术中一亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种假肢接受腔的数字模型设计方法、装置及存储介质，用以解决现有技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种假肢接受腔的数字模型设计方法，包括：

构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型；

构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并将所述地面模型、所述第一假足模型、所述第一连接件模型、所述第一接受腔模型、所述第一内衬套模型和所述残肢模型进行装配，得到第一装配模型，其中所述第一假足模型所对应的足底面位于所述地面模型所对应的平面，所述第一连接件模型所对应的轴线与所述地面模型所对应的平面垂直；

对所述第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；

对所述第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型进行网格划分；

在约束所述残肢模型顶部切面自由度的条件下，对所述第二假足模型底部施加载荷，所述残肢模型顶部为所述残肢模型上背离所述第一内衬套模型的一端；

建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于所述地面模型给所述第二假足模型底部施加的载荷，计算所述多个区域中各区域所对应的应力；

如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据所述目标接受腔模型制作假肢接受腔。

基于上述公开的内容，本发明通过构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并进行装配得到第一装配模型；对第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；对第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型进行网格划分；在约束残肢模型顶部切面自由度的条件下，对所述第二假足模型底部施加载荷；然后建立第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于地面模型给第二假足模型底部施加的载荷，计算多个区域中各区域所对应的应力；如果多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节第一目标区域沿背离第二内衬套模型的一侧偏移，直到多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据目标接受腔模型制作假肢接受腔。如此，在构建用于制作假肢接受腔的接受腔模型时，能够模拟接受腔模型中与内衬套模型接触的接触面上多个区域的应力大小，并调节应用过大的区域使得各区域的应力均保持在一个适宜的范围内，达到分散应力的目的，在穿戴基于接受腔模型制作出的假肢接受腔行走时，不会出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中的情况，避免给假肢穿戴者带来的不适、疼痛甚至是二次损伤，提升假肢穿戴者的使用体验，便于实际应用和推广。

在一个可能的设计中，所述如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，包括：

如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域和应力小于第二预设应力阈值的第二目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，并调节所述第二目标区域沿朝向所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，且所述多个区域中不存在应力小于第二预设应力阈值的区域；

其中，所述第一预设应力阈值大于所述第二预设应力阈值。

在一个可能的设计中，所述方法还包括：

对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型赋予材料属性；

所述建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，包括：

基于所述第二内衬套模型的材料属性、所述第二接受腔模型的材料属性、所述第二连接件模型的材料属性和所述第二假足模型的材料属性，建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数；

所述材料属性包括密度、弹性模量和泊松比。

在一个可能的设计中，所述构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型，包括：

获取截肢患者的残肢的CT扫描图像；

基于所述CT扫描图像构建残肢的三维模型；

对所述三维模型的表面进行光顺处理，得到所述残肢模型。

在一个可能的设计中，构建所述第一接受腔模型和所述第一内衬套模型的步骤包括：

根据所述残肢模型的外表面轮廓绘制出所述第一内衬套模型的内表面轮廓，并基于所述第一内衬套模型的内表面轮廓构建出所述第一内衬套模型；

根据所述第一内衬套模型的外表面轮廓绘制出所述第一接受腔模型的内表面轮廓，并基于所述第一接受腔模型的内表面轮廓构建出所述第一接受腔模型。

在一个可能的设计中，所述对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行网格划分，包括：

分别对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行2D网格划分；

对2D网格划分后的各模型中的2D网格进行优化调整，并对优化调整后的各2D网格模型进行3D网格划分。

在一个可能的设计中，所述调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型，包括：

调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，或调节后的所述第二接受腔模型的模型体积与所述第二接受腔模型的模型体积的比值小于等于预设比例阈值时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型。

第二方面，本发明提供了一种假肢接受腔的数字模型设计装置，包括：

第一构建单元，用于构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型；

第二构建单元，用于构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并将所述地面模型、所述第一假足模型、所述第一连接件模型、所述第一接受腔模型、所述第一内衬套模型和所述残肢模型进行装配，得到第一装配模型，其中所述第一假足模型所对应的足底面位于所述地面模型所对应的平面，所述第一连接件模型所对应的轴线与所述地面模型所对应的平面垂直；

运算单元，用于对所述第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；

网格划分单元，用于对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行网格划分；

模拟单元，用于在约束所述残肢模型顶部切面自由度的条件下，对所述第二假足模型底部施加的载荷，所述残肢模型顶部为所述残肢模型上背离所述第一内衬套模型的一端；

建立单元，用于建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于所述地面模型给所述第二假足模型底部施加的载荷，计算所述多个区域中各区域所对应的应力；

判断单元，用于判断所述多个区域中是否存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域；

调节单元，用于如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据所述目标接受腔模型制作假肢接受腔。

第三方面，本发明提供了一种假肢接受腔的数字模型设计装置，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如上述第一方面所述的假肢接受腔的数字模型设计方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行第一方面所述的假肢接受腔的数字模型设计方法。

第五方面，本发明提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如第一方面所述的假肢接受腔的数字模型设计方法。

有益效果：

本发明提供的方案，通过构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并进行装配得到第一装配模型；对第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；对第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型进行网格划分；在约束残肢模型顶部切面自由度的条件下，对所述第二假足模型底部施加载荷；然后建立第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于地面模型给第二假足模型底部施加的载荷，计算多个区域中各区域所对应的应力；如果多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节第一目标区域沿背离第二内衬套模型的一侧偏移，直到多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据目标接受腔模型制作假肢接受腔。如此，在构建用于制作假肢接受腔的接受腔模型时，能够模拟接受腔模型中与内衬套模型接触的接触面上多个区域的应力大小，并调节应用过大的区域使得各区域的应力均保持在一个适宜的范围内，达到分散应力的目的，在穿戴基于接受腔模型制作出的假肢接受腔行走时，不会出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中的情况，避免给假肢穿戴者带来的不适、疼痛甚至是二次损伤，提升假肢穿戴者的使用体验，便于实际应用和推广。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本文件的进一步理解，构成本文件的一部分，本文件的示意性实施例及其说明用于解释本文件，并不构成对本文件的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的假肢接受腔的数字模型设计方法的流程图；

图2为本申请实施例提供的假肢接受腔的数字模型设计装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的另一假肢接受腔的数字模型设计装置的结构示意图。

具体实施方式

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，下面将结合附图和实施例或现有技术的描述对本发明作简单地介绍，显而易见地，下面关于附图结构的描述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。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

为了避免假肢穿戴者在使用假肢接受腔的过程中出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中问题，本申请实施例提供了一种假肢接受腔的数字模型设计方法、装置及存储介质，该假肢接受腔的数字模型设计方法、装置及存储介质可避免假肢穿戴者在使用假肢接受腔的过程中出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中，而造成假肢穿戴者不适、疼痛甚至是二次损伤的情形。申请实施例提供的假肢接受腔的数字模型设计方法可应用于用户终端或服务器，所述用户终端可以是，但不限于个人电脑、智能手机、平板电脑、膝上型便携计算机、个人数字助理（personal digital assistant，PDA）等。

可以理解，所述执行主体并不构成对本申请实施例的限定。下面将对本申请实施例提供的假肢接受腔的数字模型设计方法进行详细说明。

如图1所示，本实施例第一方面提供了一种假肢接受腔的数字模型设计方法，该假肢接受腔的数字模型设计方法可以包括如下步骤。

步骤S101.构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型。

本申请实施例中，在构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型时，可根据截肢患者的残肢的CT扫描图像进行构建。

具体的，可先通过CT扫描设备对截肢患者的残肢进行CT扫描，获得截肢患者的残肢的CT扫描图像，然后基于CT扫描图像构建残肢的三维模型，构建残肢的三维模型时可以但不限于采用MIMICS（Materialise's interactive medical image control system，是Materialise公司发明的一种医学影像控制系统）或3D Slicer（一款开源、免费和可扩展的医学图像处理和可视化的医学图像处理和分析应用平台）等，最后再对该三维模型的表面进行光顺处理，得到残肢模型。

可以理解的，在其他的一些实施例中，也可以通过3D扫描仪直接扫描获取截肢患者的残肢所对应的残肢模型。

步骤S102.构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并将地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型、第一内衬套模型和残肢模型进行装配，得到第一装配模型。

在构建地面模型、第一假足模型和第一连接件模型时，可以通过Solidworks软件进行构建，地面模型用于模拟行走的地面，第一假足模型可根据截肢患者健侧足大小进行设计与匹配，第一连接件模型可以由四爪模型、连接杆模型、底部连接器模型以及螺丝钉模型等组成，第一连接件模型的长度根据健侧髌韧带至足底垂直长度确定。

而在构建第一接受腔模型和第一内衬套模型时，则可先根据残肢模型的外表面轮廓绘制出第一内衬套模型的内表面轮廓，并基于第一内衬套模型的内表面轮廓构建出第一内衬套模型。例如，可沿第一内衬套模型的内表面轮廓向外延伸一定的厚度（如4mm）构建出第一内衬套模型。在构建出第一内衬套模型后，可根据第一内衬套模型的外表面轮廓绘制出第一接受腔模型的内表面轮廓，并基于第一接受腔模型的内表面轮廓构建出第一接受腔模型。例如，可沿第一接受腔模型的内表面向外延伸一定的厚度（如4mm）构建出第一接受腔模型。

由此，可构建出地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型。然后按照装配顺序将地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型进行装配，得到第一装配模型。装配时，可按照第一内衬套模型设置于第一接受腔模型内，第一接受腔模型未设置开口的一端与第一连接件模型的一端连接，第一假足模型与第一连接件模型的另一端连接，第一假足模型的足底面贴合地面模型的方式装配。装配后，第一假足模型所对应的足底面位于地面模型所对应的平面，第一连接件模型所对应的轴线与地面模型所对应的平面垂直，装配出的第一装配模型可模拟出截肢患者穿戴假肢行走时，假肢与地面之间的位置关系。

步骤S103.对第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型。

构建出地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型之后，相连接的模型之间可能存在相互穿透的情形，这会对后续模型之间的应力分析造成影响，且按照存在相互穿透的模型作出的产品实物也无法完成装配。

因此，装配得到第一装配模型后，还需要对第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型。例如，对第一接受腔模型和第一内衬套模型进行布尔运算，对第一接受腔模型与第一连接件模型进行布尔运算，对第一连接件模型与第一假足模型进行布尔运算，从而可得到与第一内衬套模型对应的第二内衬套模型、与第一接受腔模型对应的第二接受腔模型、与第一连接件模型对应的第二连接件模型以及与第一假足模型对应的第二假足模型，此时第二内衬套模型与第二接受腔模型之间不存在相互穿透的情形，第二接受腔模型与第二连接件模型之间不存在相互穿透的情形，第二连接件模型与第二假足模型之间不存在相互穿透的情形。

步骤S104.对第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型进行网格划分。

在得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型后，还可以分别对第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型进行2D网格划分，然后对2D网格划分后的各模型中的2D网格进行优化调整，并对优化调整后的各模型进行3D网格划分，将调整后的模型划分成多个四面体网格，以便用于后续的分析计算。

在对模型中的2D网格进行优化调整时，可先判断模型中的2D网格的纵横比aspectratio（网格的高、宽之间的比值）是否处于预设的比值范围内，如果超过该比值范围则调整该2D网格大小使该2D网格的纵横比处于预设的比值范围内。

步骤S105.在约束残肢模型顶部切面自由度的条件下，对第二假足模型底部施加载荷。

其中，所述残肢模型顶部为所述残肢模型上背离所述第一内衬套模型的一端。

本申请实施例中，可先建立第二内衬套模型与第二接受腔模型之间的接触关系、第二接受腔模型与第二连接件模型之间的接触关系、第二连接件模型与第二假足模型之间的接触关系以及第二假足模型与地面模型之间的连接关系，然后在约束残肢模型顶部切面自由度的条件下（即残肢模型顶部不能旋转也不能移动的条件下），模拟地面模型给第二假足模型底部施加的载荷。地面模型给第二假足模型底部施加的载荷可由截肢患者在三维测力台上采集得出。

本申请实施例中，可以建立三维全局坐标系，并使地面模型所在平面处于xoy平面，第二假足模型位于地面模型上方，模拟截肢患者穿戴假肢行走时假肢与地面之间的位置关系。

地面模型给第二假足模型底部施加的载荷包括x轴方向的载荷、y轴方向的载荷和z轴方向的载荷。考虑到步行过程中假肢纵轴与地面之间存在角度变化，x轴和z轴方向的载荷可根据地面施加的载荷以及假肢纵轴与地面之间的夹角进行运算得出（步行过程中假肢向前后和上下方向运动，因此可以只考虑x轴和z轴两个方向的载荷）。

步骤S106.建立第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于地面模型给第二假足模型底部施加的载荷，计算多个区域中各区域所对应的应力。

本申请实施例中，可将第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面划分成多个区域，每个区域包含多个四面体网格，在进行应力分析时可建立各区域的应力响应函数，并基于地面模型给第二假足模型底部施加的载荷，计算多个区域中各区域所对应的应力。

在对接受腔与内衬套之间的应力进行分析时，接受腔与内衬套之间的应力响应函数会随着接受腔、内衬套、连接件以及假足等所采用的材料变化而发生变化。基于此，本申请实施例还可以对第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型赋予材料属性，然后基于第二内衬套模型的材料属性、第二接受腔模型的材料属性、第二连接件模型的材料属性和第二假足模型的材料属性，建立第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数。其中，材料属性可以包括弹性模量和泊松比等。

本申请实施例中，基于第二内衬套模型的材料属性、第二接受腔模型的材料属性、第二连接件模型的材料属性和第二假足模型的材料属性，建立第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，其为现有技术，例如可以通过Tosca软件（tosca软件是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到极富挑战性的非线性模拟等各种问题）实现，因此本申请实施例不再详细说明。

步骤S107.如果多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节第一目标区域沿背离第二内衬套模型的一侧偏移，直到多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据目标接受腔模型制作假肢接受腔。

如果多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节第一目标区域沿背离第二内衬套模型的一侧偏移，并在调节后计算该多个区域中各区域所对应的应力，然后重新判断多个区域中是否存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，如此重复判断调整，直到多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据目标接受腔模型制作假肢接受腔。所述第一预设应力阈值可根据实际情况设定，确保按照调整后所得的目标接受腔模型制作假肢接受腔后，假肢穿戴者使用假肢接受腔不会出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中的现象。

在调节第一目标区域沿背离第二内衬套模型的一侧偏移时，第二接受腔模型上的第一目标区域会变薄，第二接受腔模型的体积也随之变小，如果第二接受腔模型的腔壁过薄，则依据第二接受腔模型所制作出假肢接受腔容易发生形变而无法正常使用。基于此，本申请实施例还可以预先设置一预设比例阈值，只要多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，或者调节后的第二接受腔模型的模型体积与第二接受腔模型最初的模型体积的比值小于等于预设比例阈值，则直接将最近一次调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型。所述预设比例阈值可以根据实际情况设定，例如80%、85%或90%等。

第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，也可能存在应力为零或应力十分低的区域，为了尽可能分散应力，本申请实施例还可以在调节第二接受腔模型的过程中，既判断多个区域中是否存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，又判断多个区域中是否存在应力小于第二预设应力阈值的第二目标区域。如果多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域和应力小于第二预设应力阈值的第二目标区域，则调节第一目标区域沿背离第二内衬套模型的一侧偏移，并调节第二目标区域沿朝向第二内衬套模型的一侧偏移，直到多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，且多个区域中不存在应力小于第二预设应力阈值的区域。其中，第一预设应力阈值大于第二预设应力阈值。如此，可使得多个区域中各区域的应力尽可能保持均匀，确保按照调整后所得的目标接受腔模型制作假肢接受腔后，假肢穿戴者使用假肢接受腔，残肢末端与接受腔内壁之间应力均匀分布，进一步避免假肢穿戴者在使用假肢接受腔的过程中出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中的问题。

综上所述，本申请实施例提供的假肢接受腔的数字模型设计方法，通过构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并进行装配得到第一装配模型；对第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；对第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型进行网格划分；在约束残肢模型顶部切面自由度的条件下，对第二假足模型底部施加载荷；然后建立第二接受腔模型上与第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于地面模型给第二假足模型底部施加的载荷，计算多个区域中各区域所对应的应力；如果多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节第一目标区域沿背离第二内衬套模型的一侧偏移，直到多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据目标接受腔模型制作假肢接受腔。如此，在构建用于制作假肢接受腔的接受腔模型时，能够模拟接受腔模型中与内衬套模型接触的接触面上多个区域的应力大小，并调节应用过大的区域使得各区域的应力均保持在一个适宜的范围内，达到分散应力的目的，在穿戴基于接受腔模型制作出的假肢接受腔行走时，不会出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中的情况，避免给假肢穿戴者带来的不适、疼痛甚至是二次损伤，提升假肢穿戴者的使用体验，便于实际应用和推广。同时，调节后的第二接受腔模型的模型体积与第二接受腔模型最初的模型体积的比值小于等于预设比例阈值，也将最近一次调节后的第二接受腔模型作为目标接受腔模型，如此避免由于第二接受腔模型的腔壁过薄，而依据第二接受腔模型所制作出假肢接受腔容易发生形变而无法正常使用的问题。另外，还可以在调节第二接受腔模型的过程中，对应力过小的区域进行偏移，使得多个区域中各区域的应力尽可能保持均匀，确保按照调整后所得的目标接受腔模型制作假肢接受腔后，假肢穿戴者使用假肢接受腔，残肢末端与接受腔内壁之间应力均匀分布，进一步避免假肢穿戴者在使用假肢接受腔的过程中出现残肢末端与接受腔内壁之间应力集中的问题。

请参阅图2，本申请实施例第二方面提供了一种假肢接受腔的数字模型设计装置，该假肢接受腔的数字模型设计装置包括：

第一构建单元，用于构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型；

第二构建单元，用于构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并将所述地面模型、所述第一假足模型、所述第一连接件模型、所述第一接受腔模型、所述第一内衬套模型和所述残肢模型进行装配，得到第一装配模型，其中所述第一假足模型所对应的足底面位于所述地面模型所对应的平面，所述第一连接件模型所对应的轴线与所述地面模型所对应的平面垂直；

运算单元，用于对所述第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；

网格划分单元，用于对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行网格划分；

模拟单元，用于在约束所述残肢模型顶部切面自由度的条件下，对所述第二假足模型底部施加载荷，所述残肢模型顶部为所述残肢模型上背离所述第一内衬套模型的一端；

建立单元，用于建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于所述地面模型给所述第二假足模型底部施加的载荷，计算所述多个区域中各区域所对应的应力；

判断单元，用于判断所述多个区域中是否存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域；

调节单元，用于如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据所述目标接受腔模型制作假肢接受腔。

本实施例第二方面提供的装置的工作过程、工作细节和技术效果，可以参见实施例第一方面，于此不再赘述。

如图3所示，本申请实施例第三方面提供了另一种假肢接受腔的数字模型设计装置，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如实施例第一方面所述的假肢接受腔的数字模型设计方法。

具体举例的，所述存储器可以但不限于包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存（Flash Memory）、先进先出存储器（FIFO）和/或先进后出存储器（FILO）等等；所述处理器可以不限于采用型号为STM32F105系列的微处理器、ARM（Advanced RISCMachines）、X86等架构处理器或集成NPU（neural-network processing units）的处理器；所述收发器可以但不限于为WiFi（无线保真）无线收发器、蓝牙无线收发器、通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service，GPRS）无线收发器、紫蜂协议（基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，ZigBee）无线收发器、3G收发器、4G收发器和/或5G收发器等。

本实施例第四方面提供了一种存储包含有实施例第一方面所述的假肢接受腔的数字模型设计方法的指令的计算机可读存储介质，即所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如第一方面所述的假肢接受腔的数字模型设计方法。其中，所述计算机可读存储介质是指存储数据的载体，可以但不限于包括软盘、光盘、硬盘、闪存、优盘和/或记忆棒(Memory Stick)等，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。

本实施例第五方面提供了一种包含指令的计算机程序产品，当所述指令在计算机上运行时，使所述计算机执行如实施例第一方面所述的假肢接受腔的数字模型设计方法，其中，所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种假肢接受腔的数字模型设计方法，其特征在于，包括：

构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型；

构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并将所述地面模型、所述第一假足模型、所述第一连接件模型、所述第一接受腔模型、所述第一内衬套模型和所述残肢模型进行装配，得到第一装配模型，其中所述第一假足模型所对应的足底面位于所述地面模型所对应的平面，所述第一连接件模型所对应的轴线与所述地面模型所对应的平面垂直；

对所述第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；

对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行网格划分；

在约束所述残肢模型顶部切面自由度的条件下，对所述第二假足模型底部施加载荷，所述残肢模型顶部为所述残肢模型上背离所述第一内衬套模型的一端；

建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于所述地面模型给所述第二假足模型底部施加的载荷，计算所述多个区域中各区域所对应第二接受腔模型与与所述第二内衬套模型接触区域的应力；

如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据所述目标接受腔模型打印假肢接受腔。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，包括：

如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域和应力小于第二预设应力阈值的第二目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，并调节所述第二目标区域沿朝向所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，且所述多个区域中不存在应力小于第二预设应力阈值的区域；

其中，所述第一预设应力阈值大于所述第二预设应力阈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型赋予材料属性；

所述建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，包括：

基于所述第二内衬套模型的材料属性、所述第二接受腔模型的材料属性、所述第二连接件模型的材料属性和所述第二假足模型的材料属性，建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数；

所述材料属性包括密度、弹性模量和泊松比。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型，包括：

获取截肢患者的残肢的CT扫描图像；

基于所述CT扫描图像构建残肢的三维模型；

对所述三维模型的表面进行光顺处理，得到所述残肢模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建所述第一接受腔模型和所述第一内衬套模型的步骤包括：

根据所述残肢模型的外表面轮廓绘制出所述第一内衬套模型的外表面轮廓，并基于所述第一内衬套模型的外表面轮廓构建出所述第一内衬套模型；

根据所述第一内衬套模型的外表面轮廓绘制出所述第一接受腔模型的内表面轮廓，并基于所述第一接受腔模型的内表面轮廓构建出所述第一接受腔模型。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行网格划分，包括：

分别对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行2D网格划分；

对2D网格划分后的各模型中的2D网格进行优化调整，并对优化调整后的各2D网格模型进行3D网格划分。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型，包括：

调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域，或调节后的所述第二接受腔模型的模型体积与所述第二接受腔模型的模型体积的比值小于等于预设比例阈值时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型。

8.一种假肢接受腔的数字模型设计装置，其特征在于，包括：

第一构建单元，用于构建截肢患者的残肢所对应的残肢模型；

第二构建单元，用于构建地面模型、第一假足模型、第一连接件模型、第一接受腔模型和第一内衬套模型，并将所述地面模型、所述第一假足模型、所述第一连接件模型、所述第一接受腔模型、所述第一内衬套模型和所述残肢模型进行装配，得到第一装配模型，其中所述第一假足模型所对应的足底面位于所述地面模型所对应的平面，所述第一连接件模型所对应的轴线与所述地面模型所对应的平面垂直；

运算单元，用于对所述第一装配模型中相连的两个模型进行布尔运算，得到第二内衬套模型、第二接受腔模型、第二连接件模型和第二假足模型；

网格划分单元，用于对所述第二内衬套模型、所述第二接受腔模型、所述第二连接件模型和所述第二假足模型进行网格划分；

模拟单元，用于在约束所述残肢模型顶部切面自由度的条件下，对所述第二假足模型底部施加载荷，所述残肢模型顶部为所述残肢模型上背离所述第一内衬套模型的一端；

建立单元，用于建立所述第二接受腔模型上与所述第二内衬套模型接触的接触面的多个区域中，各区域的应力响应函数，并基于所述地面模型给所述第二假足模型底部施加的载荷，计算所述多个区域中各区域所对应的应力；

判断单元，用于判断所述多个区域中是否存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域；

调节单元，用于如果所述多个区域中存在应力大于第一预设应力阈值的第一目标区域，则调节所述第一目标区域沿背离所述第二内衬套模型的一侧偏移，直到所述多个区域中不存在应力大于第一预设应力阈值的区域时，将调节后的所述第二接受腔模型作为目标接受腔模型，以便依据所述目标接受腔模型制作假肢接受腔。

9.一种假肢接受腔的数字模型设计装置，其特征在于，包括依次通信相连的存储器、处理器和收发器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述收发器用于收发消息，所述处理器用于读取所述计算机程序，执行如权利要求1～7任意一项所述的假肢接受腔的数字模型设计方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有指令，当所述指令在计算机上运行时，执行如权利要求1～7任意一项所述的假肢接受腔的数字模型设计方法。

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