一种3-10岁儿童头部颅骨形态模型的建模方法技术

一种3‑10岁儿童头部颅骨形态模型的建模方法，涉及一种建模方法，包括以下步骤：采用Mimics、Geomagic和MATLAB软件获取头部颅骨形态与厚度坐标点集；采用主元分析的方法简化坐标点集，建立主成分得分矩阵与年龄和头部周长的回归关系。本发明专利技术将通过医学CT图像和统计学分析等，建立儿童头部颅骨形态与厚度模型，为儿童头部研究提供必要数据支持。

【技术实现步骤摘要】
一种3-10岁儿童头部颅骨形态模型的建模方法
本专利技术涉及一种建模方法，具体涉及一种3-10岁儿童头部颅骨形态模型的建模方法。
技术介绍
儿童脑颅损伤是造成儿童瘫痪甚至死亡的重要原因。特别是在交通事故中，儿童是更加容易受到伤害的群体。降低儿童头部伤害的一个重要手段就是开展对儿童乘员头部的防护，开展防护研究的前提是弄清楚儿童头部损伤机理并制定儿童头部的损伤指标及相应限值。由于受到道德伦理等方面的约束，尸体试验的缺乏，目前国内外尚未建立公认的评价儿童头部损伤指标及相应限值，已公开的儿童头部损伤指标及其限值基本上是从成人的伤害限值进行简单等比例缩放而获得的，没有考虑儿童头部发育特征的特殊性对其损伤限值的影响。近年来，国内外学者构建儿童头部有限元模型，一些经过仿真，验证了其具有可靠性，一些尚未通过和实验对比来验证其可行，但是依旧存在缺陷，模型较为粗糙，依然缺少不同年龄段的有效高质量儿童颅骨形态模型。其难度在于，不同年龄和不同颅骨的结构之间并不是很一致。
技术实现思路
本专利技术提供一种3-10岁儿童头部颅骨形态模型的建模方法，以便广泛应用于其他具有年龄相关差异的生物结构有限元模型的建立，为儿童头部研究提供必要数据支持。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案是：一种3-10岁儿童头部颅骨形态模型的建模方法，包括以下步骤：S1、采用Mimics、Geomagic和MATLAB软件获取头部颅骨形态与厚度坐标点集；S2、采用主元分析的方法简化坐标点集，建立主成分得分矩阵与年龄和头部周长的回归关系。进一步的，所述步骤S1的具体步骤如下：S11、几何模型提取与重建；S12、几何模型修复与调整；S13、分层截取轮廓曲线；S14、拟合三次样条曲线；S15、提取轮廓坐标点集。进一步的，所述步骤S11的具体步骤如下：颅骨模型数据的预处理通过医学图像处理软件Mimics来完成，利用每个样本的CT数据重构出其颅骨的3D形态，根据不同的Hu值提取出颅骨的骨骼结构，生成的颅骨三维模型转化为离散点云的形式导出。进一步的，所述步骤S12的具体步骤如下：S121、使用Geomagic软件对得到的颅骨结构进行初步光滑处理，去除模型中的杂质点，修补一些凸起和破损的位置；S122、通过手动平移和旋转每一个样本姿态，将各个样本的姿态调整到一致；S123、统一将样本面部删去。进一步的，所述步骤S13的具体步骤如下：将调整姿态后的基准平面作为最低平面，将通过3D颅骨模型z轴方向上的最高点且平行于与基准平面平行的平面作为最高平面；在最高平面与最低平面之间插入间距相等的50个平面，让创建的50个截面与模型做交集，其中z轴方向高度较低的49组平面与模型相交得到98组曲线，删除有手动修补痕与基准平面相交处的轮廓线，得到48组平面，最高平面与模型相交得到一个点，记为点A，对96组曲线进行处理，手工删除颅骨的内部轮廓，保留颅骨的外部轮廓并将每条曲线离散为坐标点，将组成96条曲线的所有坐标点和点A的坐标导出。进一步的，所述步骤S14的具体步骤如下：利用Matlab计算三次样条函数的时候，选择“periodic”周期性边界条件，即令曲线首尾相连，且保持二阶连续，以使得截取得到的曲线重新拟合。进一步的，所述步骤S15的具体步骤如下：得出的三次样条曲线进行处理，从而来统一各个样本离散成坐标点的个数，同时使各个样本相同位置上的所标点建立一一对应的关系；在每个样本中，将通过模型在z轴方向上的最高点且平行于z轴的直线为轴心，从x轴方向0°始，每隔6°做一个平面，找到每个平面与上文拟合出的三次样条曲线的交点，用这样的方法，每层平面的内外轮廓上共可得到120个交点，此外将颅骨在z轴方向上最高点的坐标也添加到颅骨轮廓的坐标点集中，使所有的模型都具有相同的姿态和相同的基准位置。进一步的，所述步骤S2的具体步骤如下：S21、主成分分析通过主成分分析，可以达到用少量数据代替原始数据的主要信息。将上文中得到的数据经过主成分分析后，用50个维数进行了复现，并且达到了较高的精度。S22、回归分析通过主成分分析，建立起主成分得分矩阵与头部宏观参数之间的回归关系，取50个主成分的得分矩阵与儿童年龄与儿童头部周长建立回归关系；采用Mimics软件提取出带有皮肤的头部模型，在Geomagic中截取头部最大周长，从而获得儿童头部周长。进一步的，测量颅骨形态的厚度的测量方法是选取外层某个坐标点，再选出距离这个外侧点较近的几个内侧点，将这几个内侧点拟合成曲面，再离散成更加密集的点，再从这些密集的点里找到距离外侧的点最近的内侧点，之间的距离就作为这个外侧点的厚度。本专利技术的有益技术效果如下：本专利技术将通过医学CT图像、统计学分析、参数化有限元模型和尸体试验再现的方法来建立儿童头部颅骨破裂限值，为儿童头部研究提供必要数据支持。附图说明图1为本专利技术的流程示意图；图2为获取3-10岁儿童颅骨轮廓形态数据坐标点流程示意图；图3为颅骨厚度原理示意图；图3中3-1为颅骨外侧取点，3-2为拟合颅骨内表面再离散多点图；图4为取前50个主成分后与原模型的对比图；图5为预测的10岁儿童颅骨形态模型示意图。具体实施方式如图1至图5所示，一种3-10岁儿童头部颅骨形态模型的建模方法，包括以下步骤：S1、采用Mimics、Geomagic和MATLAB软件获取头部颅骨形态与厚度坐标点集。进一步细化，先用CT断面扫描图像重建颈椎几何模型，并进行几何简化和修补等，再对几何模型进行姿态位置调整，并分层获取轮廓曲线，经过对轮廓曲线的重新拟合再离散一一对应的坐标点。S2、采用主元分析的方法简化坐标点集，建立主成分得分矩阵与年龄和头部周长的回归关系，从而能够根据儿童的年龄和头部周长来预测出其对应的头部轮廓形态与厚度。至少一个实施例中，所述步骤S1的具体步骤如下：S11、几何模型提取与重建颅骨模型数据的预处理通过医学图像处理软件Mimics来完成，利用每个样本的CT数据重构出其颅骨的3D形态。根据不同的Hu值提取出颅骨的骨骼结构，生成的颅骨三维模型转化为离散点云的形式导出。S12、几何模型修复与调整/具体步骤如下：S121、使用Geomagic软件对得到的颅骨结构进行初步光滑处理，去除模型中的杂质点，修补一些凸起和破损的位置；S122、为了使每个儿童头部都具有相同的姿态，要进行的是每一个样本姿态的矫正调整。所以需要通过手动平移和旋转，将各个样本的姿态调整到一致；S123、由于不考虑面部结构，需要统一将面部删去。S13、分层截取轮廓曲线将调整姿态后的基准平面作为最低平面，将通过3D颅骨模型z轴方向上的最高点且平行于与基准平面平行的平面作为最高平面；在最高平面与最低平面之间插入间距相等的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3-10岁儿童头部颅骨形态统计的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、采用Mimics、Geomagic和MATLAB软件获取头部颅骨形态与厚度坐标点集；/nS2、采用主元分析的方法简化坐标点集，建立主成分得分矩阵与年龄和头部周长的回归关系。/n

【技术特征摘要】
1.一种3-10岁儿童头部颅骨形态统计的建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用Mimics、Geomagic和MATLAB软件获取头部颅骨形态与厚度坐标点集；
S2、采用主元分析的方法简化坐标点集，建立主成分得分矩阵与年龄和头部周长的回归关系。


2.如权利要求1所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：所述步骤S1的具体步骤如下：
S11、几何模型提取与重建；
S12、几何模型修复与调整；
S13、分层截取轮廓曲线；
S14、拟合三次样条曲线；
S15、提取轮廓坐标点集。


3.如权利要求2所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：所述步骤S11的具体步骤如下：颅骨模型数据的预处理通过医学图像处理软件Mimics来完成，利用每个样本的CT数据重构出其颅骨的3D形态，根据不同的Hu值提取出颅骨的骨骼结构，生成的颅骨三维模型转化为离散点云的形式导出。


4.如权利要求3所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：所述步骤S12的具体步骤如下：
S121、使用Geomagic软件对得到的颅骨结构进行初步光滑处理，去除模型中的杂质点，修补一些凸起和破损的位置；
S122、通过手动平移和旋转每一个样本姿态，将各个样本的姿态调整到一致；
S123、统一将样本面部删去。


5.如权利要求4所述的新生小型猪头部有限元模型的建模方法，其特征在于：所述步骤S13的具体步骤如下：将调整姿态后的基准平面作为最低平面，将通过3D颅骨模型z轴方向上的最高点且平行于与基准平面平行的平面作为最高平面；在最高平面与最低平面之间插入间距相等的50个平面，让创建的50个截面与模型做交集，其中z轴方向高度较低的49组平面与模型相交得到98组曲线，删除手动...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志刚，庞自强，陈治龙，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11