CN117010042B - 一种3d打印外固定腕部延伸方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印外固定腕部延伸方法，其方法包括：导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集；通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集；基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。本发明通过平面解析几何的计算，对腕部模型进行延伸，得到贴合手腕形状的模型；减少使用CAD软件对模型进行复杂的编辑所花费的时间，提高打印效率。

Description

一种3D打印外固定腕部延伸方法及装置
技术领域
本发明属于3D打印技术领域，具体涉及一种3D打印外固定腕部延伸方法及装置。
背景技术
医用的外固定支具主要起到固定病人损伤肢体部分的作用，从而减少损伤肢体部位的运动，有利于患者损伤部位的康复。随着3D打印在医学领域应用的不断发展，通过3D打印外固定模型能够有效减少由以前的石膏或者夹板固定所带来的缺点，包括石膏固定部位无法清洗、夹板固定的松紧程度需要凭借医生的经验等。这些因素都使得石膏和夹板的使用受到了限制，推动了3D打印外固定支具在医学领域应用的发展。
使用现有的CAD软件对腕部模型进行复杂的编辑设计，延伸腕部模型的手指部分，得到延伸后的腕部模型，使患者手指部分有所依托，能够得到更好的恢复。大部分的3D打印软件都需要进行复杂的操作来实现腕部模型延伸的功能，这会导致花费大量的时间用于模型编辑。
发明内容
为提高实现3D打印腕部模型延伸的设计效率，在本发明的第一方面提供了一种3D打印外固定腕部延伸方法，包括：导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集；通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集；基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。
在本发明的一些实施例中，所述通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集包括：根据初始点集中的所有点的Z值确定延伸的顶点；基于延伸的顶点和通过平面解析几何的计算公式，将所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集。
进一步的，所述基于延伸的顶点和通过平面解析几何的计算公式，将所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集包括：将延伸的顶点作为椭圆的顶点，并确定所述椭圆的长轴和短轴；基于所述椭圆的顶点、长轴和短轴，将所述初始点集均匀分布在椭圆的正半轴曲线上；基于所述椭圆的离心率和初始点集的点数量，对初始点集中的每个点向Z向延伸，得到每个点对应的延伸后的Z值。
优选的，所述延伸后的Z值通过如下方法计算：
，
其中，Zi’表示初始点集中的第i个点延伸后的z轴坐标；Zi表示初始点集中的第i个点的z轴坐标；m表示初始点集的点数量，a表示椭圆的长轴，b表示椭圆的短轴。
在本发明的一些实施例中，所述基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片包括：将初始点集中任意相邻两点及其对应的延伸后的点，作为三角面片的顶点，构建多个三角面片。
在上述的实施例中，所述计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合包括：根据待延伸的腕部模型的数据结构，计算模型的边界边集合。
本发明的第二方面，提供了一种3D打印外固定腕部延伸装置，包括：获取模块，用于导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集；计算模块，用于通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集；延伸模块，用于基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；光顺模块，用于对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。
本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第一方面提供的一种3D打印外固定腕部延伸方法。
本发明的第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明在第一方面提供的一种3D打印外固定腕部延伸方法。
本发明的有益效果是：
本发明涉及一种3D打印外固定腕部延伸方法，其方法包括：导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集；通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集；基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。可见，本发明通过对边界点集和平面解析几何的计算，能快速确定延伸点的坐标，从而得到贴合手腕形状的模型；减少使用CAD软件对模型进行复杂的编辑所花费的时间，提高3D打印的自动化程度和打印效率。
附图说明
图1为本发明的一些实施例中的3D打印外固定腕部延伸方法的基本流程示意图；
图2为本发明的一些实施例中的3D打印外固定腕部延伸方法的具体流程示意图；
图3为本发明的一些实施例中的待延伸腕部模型示意图；
图4为本发明的一些实施例中的调整后的待延伸腕部模型示意图；
图5为本发明的一些实施例中的待延伸腕部模型的网格图；
图6为本发明的一些实施例中的初始点集的示意图；
图7为本发明的一些实施例中的延伸后的对应点集的示意图；
图8为本发明的一些实施例中的3D打印外固定腕部延伸装置的结构示意图；
图9为本发明的一些实施例中的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参考图1与图2，在本发明的第一方面，提供了一种3D打印外固定腕部延伸方法，包括：S100.导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集；S200.通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集；S300.基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；S400.对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。
由于导入模型会带有视角或多余参考系，因此需要根据实际调整模型的视角或对模型的多余细节进行剪裁。有鉴于此，在本发明的实施例的步骤S100中，所述计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合包括：根据待延伸的腕部模型的数据结构，计算模型的边界边集合。具体地，导入需要进行延伸的腕部模型，并调整模型空间位置以及裁剪多余部分，便于后续进行模型延伸。根据模型数据结构，计算模型的边界边集合，三角面片中，当存在不与其他三角面片共边的边，该条边即为边界边，设边界边集合为E1、E2、E3···Em；
参考图3至图7，在本发明的一些实施例的步骤S200中，所述通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集包括：
S201.根据初始点集中的所有点的Z值确定延伸的顶点；
具体地，基于步骤S100中的边界边集合选取其中的一个或多个边界点，获取模型延伸的初始点集。此处以z值最大的点为初始点集进行延伸，设P1、P2、P3···Pm为初始点集，其中，m为点集的个数；
S202.基于延伸的顶点和通过平面解析几何的计算公式，将所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集。
进一步的，在步骤S202中，所述基于延伸的顶点和通过平面解析几何的计算公式，将所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集包括：
S2021.将延伸的顶点作为椭圆的顶点，并确定所述椭圆的长轴和短轴；
S2022基于所述椭圆的顶点、长轴和短轴，将所述初始点集均匀分布在椭圆的正半轴曲线上；
S2023.基于所述椭圆的离心率和初始点集的点数量，对初始点集中的每个点向Z向延伸，得到每个点对应的延伸后的Z值。
具体地，根据椭圆计算公式y2/b2+x2/a2=1，设最大延伸长度为b，将点集平分在y轴正半轴曲线上，计算可得延伸后与初始点集对应的各个点集。
优选的，所述延伸后的Z值通过如下方法计算：
，
其中，Zi’表示初始点集中的第i个点延伸后的z轴坐标；Zi表示初始点集中的第i个点的z轴坐标；m表示初始点集的点数量，a表示椭圆的长轴，b表示椭圆的短轴。
可以理解，上述延伸的Z值是根据椭圆的解析计算公式，得到每个初始点集延伸对应的点，本领域技术人员可根据不同的腕部模型的曲线的最大曲率，选择不同的拟合图像，以更贴合腕部模型缺失的部分。相应的Z值（也可以是x值或y值）计算通过对应的平面解析计算公式给出，例如双曲线、圆锥曲线等。
在本发明的一些实施例的步骤S300中，所述基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片包括：将初始点集中任意相邻两点及其对应的延伸后的点，作为三角面片的顶点，构建多个三角面片。具体地，将初始点集与延伸后的点集之间建立拓扑关系，设延伸后的点集为Q1、Q2、Q3···Qm，对P1、P2、Q1构建三角面片，Q1、Q2、P1构建三角面片，依次以三点建立拓扑关系。
在本发明的一些实施例的步骤S400中，对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。可选的，通过拉普拉斯网格优化或最小二乘网格模型等光顺算法对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。
实施例2
参考图8，本发明的第二方面，提供了一种3D打印外固定腕部延伸装置1，包括：获取模块11，用于导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集；计算模块12，用于通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集；延伸模块13，用于基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；光顺模块14，用于对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。
进一步的，所述计算模块12包括：确定单元，用于根据初始点集中的所有点的Z值确定延伸的顶点；计算单元，用于基于延伸的顶点和通过平面解析几何的计算公式，将所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集。
实施例3
参考图9，本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明在第一方面的方法。
电子设备500可以包括处理装置(例如中央处理器、图形处理器等)501，其可以根据存储在只读存储器(ROM)502中的程序或者从存储装置508加载到随机访问存储器(RAM)503中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 503中，还存储有电子设备500操作所需的各种程序和数据。处理装置501、ROM 502以及RAM 503通过总线504彼此相连。输入/输出(I/O)接口505也连接至总线504。
通常以下装置可以连接至I/O接口505：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置506；包括例如液晶显示器(LCD)、扬声器、振动器等的输出装置507；包括例如硬盘等的存储装置508；以及通信装置509。通信装置509可以允许电子设备500与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图9示出了具有各种装置的电子设备500，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。图9中示出的每个方框可以代表一个装置，也可以根据需要代表多个装置。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置509从网络上被下载和安装，或者从存储装置508被安装，或者从ROM 502被安装。在该计算机程序被处理装置501执行时，执行本公开的实施例的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本公开的实施例所描述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本公开的实施例中，计算机可读信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读信号介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：电线、光缆、RF(射频)等等，或者上述的任意合适的组合。
上述计算机可读介质可以是上述电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个计算机程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备：
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本公开的实施例的操作的计算机程序代码，程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++、Python，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。需要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (7)

1.一种3D打印外固定腕部延伸方法，其特征在于，包括：
导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集:所述初始点集通过如下步骤确定：根据模型数据结构，计算模型的边界边集合；基于边界边集合选取z值最大的点为初始点集进行延伸；
通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集:将延伸的顶点作为椭圆的顶点，并确定所述椭圆的长轴和短轴；基于所述椭圆的顶点、长轴和短轴，将所述初始点集均匀分布在椭圆的正半轴曲线上；基于所述椭圆的离心率和初始点集的点数量，对初始点集中的每个点向Z向延伸，得到每个点对应的延伸后的Z值;
基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；
对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。
2.根据权利要求1所述的3D打印外固定腕部延伸方法，其特征在于，所述延伸后的Z值通过如下方法计算：
Zi’=zi+，
其中，Zi’表示初始点集中的第i个点延伸后的z轴坐标；Zi表示初始点集中的第i个点的z轴坐标；m表示初始点集的点数量，a表示椭圆的长轴，b表示椭圆的短轴。
3.根据权利要求1所述的3D打印外固定腕部延伸方法，其特征在于，所述基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片包括：
将初始点集中任意相邻两点及其对应的延伸后的点，作为三角面片的顶点，构建多个三角面片。
4.根据权利要求1至3任一项所述的3D打印外固定腕部延伸方法，其特征在于，所述计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合包括：根据待延伸的腕部模型的数据结构，计算模型的边界边集合。
5.一种3D打印外固定腕部延伸装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于导入待延伸的腕部模型并计算所述待延伸的腕部模型的边界边集合；根据所述边界边集合获取所述腕部模型的初始点集:所述初始点集通过如下步骤确定：根据模型数据结构，计算模型的边界边集合；基于边界边集合选取z值最大的点为初始点集进行延伸；
计算模块，用于通过平面解析几何的计算公式，对所述初始点集进行延伸，得到延伸后的点集:将延伸的顶点作为椭圆的顶点，并确定所述椭圆的长轴和短轴；基于所述椭圆的顶点、长轴和短轴，将所述初始点集均匀分布在椭圆的正半轴曲线上；基于所述椭圆的离心率和初始点集的点数量，对初始点集中的每个点向Z向延伸，得到每个点对应的延伸后的Z值;
延伸模块，用于基于初始点集和延伸后的点集之间的拓扑关系，构建多个三角面片；根据所述多个三角面片，对待延伸的腕部模型进行延伸；
光顺模块，用于对延伸后的腕部模型进行光顺，得到最终的腕部延伸模型。
6.一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至4任一项所述的3D打印外固定腕部延伸方法。
7.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至4任一项所述的3D打印外固定腕部延伸方法。
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