假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法技术

本发明专利技术属于计算机辅助设计技术领域，涉及假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法。本发明专利技术通过建立数学模型，从接受腔数据库中直接匹配出与之最为适配的接受腔模型并从病人残肢的点云数据直接生成打印机可识别的接受腔模型，实现适配性高、精度高的假肢接受腔。

Adaptive matching and automatic generation of prosthetic socket

【技术实现步骤摘要】
假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法
本专利技术属于计算机辅助设计
，涉及假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法。
技术介绍
通过最新的全国残疾人抽样调查结果可知，目前中国现有残疾人约有8500万人，其中包括肢体残疾人2500万，这些肢体残疾人要想能够生活自理或者需要从事劳动的话都需要装配矫形器具或者装配假肢，从调查的情况看，其中2500万肢体残疾人中约有十分之一需要安装假肢，而数千万人需要辅助器具或者其他矫形器，但根据官方统计数据，全国每年更换或安装假肢的残疾人数量只有大约25万，然而假肢价格的昂贵导致还有约百分之70以上的患者没有安装假肢，这部分无力安装假肢的患者大多数是来自于贫困地区以及农村等经济欠发达地区。一具假肢是由以下几个部分组成的，支撑部件是用来起到主要支撑功能的，它还可以同时具有模仿人体生理结构的功能，通过模仿人体外形达成装饰效果的装饰部件(这两个部件都可以按照参数标准进行批量生产)以及假肢接受腔。其中最重要的是连接残肢与支撑部件的接受腔，用来容纳残肢。由于每个截肢者都有不同的状况，如残肢的形状和强度或者肌力的不同，因此制作每个接受腔时都必须因人而异，根据残肢的形状设计。然而假肢接受腔的手工制作过程既复杂又繁琐，假肢接受腔的舒适程度与制作工艺又息息相关，从经验、手法、技巧等多方面都影响着假肢接受腔穿戴的舒适程度，同时手工制作假肢接受腔的失败率相当高吗，要想使患者满意通常要做多个接受腔，因而假肢接受腔的造价非常昂贵，同时残肢患者会对已经满意适配的接受腔产生习惯以及依赖，因此在更换接受腔时往往还需要同一个接受腔制作者，否则很难制作出近似相同的接受腔。所以如何将接受腔制造的成功率提升起来，同时可以将它的参数数据通过某种格式保存下来以便日后参考是假肢领域专家所面临的一个问题。计算机辅助设计和制造(ComputerAidedDesignandManufacturing,简称CAD/CAM)技术是在上世纪70年代诞生与兴起的，从那之后它一直以很迅猛的速度在发展，从诞生到使用短短十多年，已经在许多领域都拥有了巨大的技术及产业规模，尤其在工业发达的国家。它所具备的具有革命性的意义在于改变了以往落后的生产模式。从前的假肢接受腔制造业都在依靠人工设计与测量，然后进行选型和修型，而现在，利用CAD/CAM系统为基础构建的自动化工业生产系统，配合中心分发网络技术，不仅极大程度上降低了假肢的制造组装成本，还可以进行远程调试装配，在资源共享及效率上都有了很大的提升。快速成型技术即3D打印(3DPrinting)，是一种通过将三维数据模型进行切片分层后，利用熔融金属或塑料进行逐层打印进行实体构造的技术，通常是通过三维打印机来实现的。在过去，由于技术还不够成熟，制造成本较高，3D打印技术通常都是用于工业设计领域的模型制造，或者其他行业的磨具制造，而近年来，随着技术的不断发展，制造成本的下降，3D打印技术已经可以直接应用于工业产品的直接制造，在很多行业都已经拥有了3D打印技术制造出来的零部件。目前3D打印技术已经在很多行业都有所应用：工程、航空、航天、施工、建筑、工业设计等都拥有大量的应用，3D打印假肢也是社会上较受公认的应用方式，因为每个残疾人的残缺、病变部位都不完全相同，需要3D扫描、3D打印来精确弥补，如今代表性的应用有Enable国际助残项目等。3D打印假肢集成传感器、电子控制装置，是国内外科技界正在研究的重要课题，与普通人体“辅助外骨骼”有相似之处，其某些性能甚至远远超过人类真实肢体。另外，3D打印假肢也可以有空间上的应用，若是做成网格状，不但轻巧，内空间还可以做随身用品放置空间。再有，3D打印假肢预留插口、螺丝等，则可以形成物品、工具接口。
技术实现思路
本专利技术的目的只要针对国内的假肢接受腔制造还是以手工制造为主，制造出的假肢接受腔的适配性与精度常常都无法达到标准，同时还要耗费大量的时间成本的不足之处，提出假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法，从扫描病人残肢获得的点云数据，通过建立数学模型，从接受腔数据库中直接匹配出与之最为适配的接受腔模型并从病人残肢的点云数据直接生成打印机可识别的接受腔模型。本专利技术通过输入三维扫描仪扫描病人残肢表面得到的点云数据，然后对残肢点云数据的一系列处理工作，最终导出可以通过3D打印机打印的与病人残肢适配的STL格式的接受腔文件。本专利技术主要包含残肢预处理功能、假肢点云数据自适应匹配接受腔功能和假肢点云模型自动生成接受腔功能。本专利技术的技术方案：假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法，具体如下：S1：残肢点云预处理阶段S1.1：残肢点云读取：使用PCL点云库建一个点云指针，然后通过PCL中的io接口将指定位置的残肢点云文件读入到该点云指针中。S1.2：模型显示：使用OpenSceneGraph中的osgViewer函数完成对读入的残肢点云文件的可视化，形成残肢点云模型；为更好的观察残肢点云模型，可对模型进行三维旋转。对模型进行三维旋转，其中绕z轴的旋转矩阵为：对于绕y轴、x轴的旋转矩阵如下：其中，θ为旋转的角度。S1.3：点云滤波：使用半径滤波器完成对其的点云滤波，其具体方法为设定固定点作为圆心画圆，计算其中点的数量，根据数量与给定值的大小决定是否保留该点，将点云中最密集的部分保留下来。若指定半径球体内的点数不满足特定要求，则认为其为噪声点并将其去除。S1.4：点云精简：使用随机法，假设残肢点云的数量为n，将残肢点云存入一个结构体中，然后声明一个大小为n的结构体数组，通过设置1-n之间的m个随机数，将随机数对应的数组索引保留，其他的全部去除。S2：建立残肢点云模型自适应匹配接受腔模型S2.1：计算残肢围长S2.1.1：将给定高度的残肢点云模型的所有点投影到XOY面，取纵坐标最小的点为起始点，设为p0，并计算XOY面内的点的个数，设为t。S2.1.2：建立平面上其他点与p0的连线，然后计算连线与正X轴的夹角的角度，根据角度的大小对其他点进行排序，当角度相同时，距离p0近的点排在前面，将排序的点设为pi，i＝0,1,2…t-1。S2.1.3：创建一个空栈，将p0、p1压入栈中，从步骤S2.1.2中得到的排序结果里，把p1后面的点p2拿出来做当前点，接下来开始找第三个点。S2.1.4：连接栈中栈顶和与之相邻的点，得到直线L，看当前点是在直线L的右侧还是左侧；如果是在直线L的右侧则执行步骤S2.1.5；如果在直线L上或在直线L的左侧则执行步骤S2.1.6。S2.1.5：将栈顶元素出栈，然后执行步骤S2.1.4。S2.1.6：把当前的点p2压入栈中，执行步骤S2.1.7。S2.1.7：检查当前的点p2是不是步骤S2.1.2中排序结果的最后一个元素；若是，则执行步骤S2.1.8，若不是，则将与p2相邻的后面点做当前点，返回步骤S2.1.4。S2.1.8：将栈中的点依次弹出，依次计算相邻两点的线段距离，并计算栈顶和栈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法，其特征在于，具体如下：/nS1：残肢点云预处理阶段/nS1.1：残肢点云读取：使用PCL点云库建一个点云指针，然后通过PCL中的io接口将指定位置的残肢点云文件读入到该点云指针中；/nS1.2：模型显示：使用OpenSceneGraph中的osgViewer函数完成对读入的残肢点云文件的可视化，形成残肢点云模型，并对模型进行三维旋转；/n对模型进行三维旋转，其中绕z轴的旋转矩阵为：/n

【技术特征摘要】
1.假肢接受腔自适应匹配与自动生成方法，其特征在于，具体如下：
S1：残肢点云预处理阶段
S1.1：残肢点云读取：使用PCL点云库建一个点云指针，然后通过PCL中的io接口将指定位置的残肢点云文件读入到该点云指针中；
S1.2：模型显示：使用OpenSceneGraph中的osgViewer函数完成对读入的残肢点云文件的可视化，形成残肢点云模型，并对模型进行三维旋转；
对模型进行三维旋转，其中绕z轴的旋转矩阵为：



对于绕y轴、x轴的旋转矩阵如下：






其中，θ为旋转的角度；
S1.3：点云滤波：使用半径滤波器完成对点云滤波，具体方法为设定固定点作为圆心画圆，计算其中点的数量，根据数量与给定值的大小决定是否保留该点，将点云中最密集的部分保留；若指定半径球体内的点数不满足特定要求，则认为其为噪声点并将其去除；
S1.4：点云精简：使用随机法，假设残肢点云的数量为n，将残肢点云存入一个结构体中，然后声明一个大小为n的结构体数组，通过设置1-n之间的m个随机数，将随机数对应的数组索引保留，其他的全部去除；
S2：建立残肢点云模型自适应匹配接受腔模型
S2.1：计算残肢围长
S2.1.1：将给定高度的残肢点云模型的所有点投影到XOY面，取纵坐标最小的点为起始点，设为p0，并计算XOY面内的点的个数，设为t；
S2.1.2：建立平面上其他点与p0的连线，然后计算连线与正X轴的夹角的角度，根据角度的大小对其他点进行排序，当角度相同时，距离p0近的点排在前面，将排序的点设为pi，i＝0,1,2…t-1；
S2.1.3：创建一个空栈，将p0、p1压入栈中，从步骤S2.1.2中得到的排序结果里，把p1后面的点p2拿出来做当前点，接下来开始找第三个点；
S2.1.4：连接栈中栈顶和与之相邻的点，得到直线L，看当前点是在直线L的右侧还是左侧；如果是在直线L的右侧则执行步骤S2.1.5；如果在直线L上或在直线L的左侧则执行步骤S2.1.6；
S2.1.5：将栈顶元素出栈，然后执行步骤S2.1.4；
S2.1.6：把当前的点p2压入栈中，执行步骤S2.1.7；
S2.1.7：检查当前的点p2是不是步骤S2.1.2中排序结果的最后一个元素；若是，则执行步骤S2.1.8，若不是，则将与p2相邻的后面点做当前点，返回步骤S2.1.4；
S2.1.8：将栈中的点依次弹出，依次计算相邻两点的线段距离，并计算栈顶和栈底两点之间的距离，将两个距离求和即为残肢给定高度的围长；
S2.2：残肢点云自适应分层与数学模型的建立
确定残肢点云模型分层高度h时需要计算残肢不同高度围长误差σ，通过选择h使不同分层的σ≤ε，其中ε为分层系数，1<ε<1.1，围长误差σ的计算公式为：



其中，c0为切层下表面即坐标为z0的残肢围长，c1为切层上表面即坐标为z1的残肢围长；
假定切层方向为z轴正方形，沿着z轴正方向实现对自适应分层，整个残肢点云模型z坐标的最大值、最小值分别为zmax、zmin，具体步骤如下：
S2.2.1：将残肢的点云按z轴正方向分成多个区间，每个区间的高度为Δh≤hmin/4，其中hmin为3D打印机的最小加工层厚；
S2.2.2：在z0＝zmin处取得第一层切片，然后令切片厚度Δz＝hmin，则第二层切面的初始位置为z1＝z0+hmin；
S2.2.3：计算高度为z0与z1的围长误差σ，然后判断σ是否大于误差ε，若是，转入步骤S2.2.4；否则Δz＝Δz+Δh，z1＝z0+Δz，转入步骤S2.2.3；其中，Δz为分层增加的厚度；
S2.2.4：Δz＝Δz-Δh，然后判读Δz是否小于hmin，若是，令Δz＝hmin，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凤岐，李东岳，王祎，王胜法，范永刚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21