三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法及系统，该方法包括：获取患者保持同一姿势自转一周的人体运动视频；采用SMPL估计方法获取视频每一帧的SMPL模型，进而获取人体法线图；基于SMPL模型和人体法线图，生成局部特征，进而生成三维人体几何模型；将三维人体几何模型导入建模软件，基于比例恢复三维人体几何模型的实际大小，得到与患者实际身高形态相契合的三维人体几何模型；通过参数化逆向建模，生成脊柱侧弯矫形器模型。本发明专利技术通过基于视频法线的三维人体重建算法获取与患者轮廓高度契合的三维人体几何模型，并运用参数化逆向建模方法生成贴合性更好的脊柱侧弯矫形器模型，该方法简单易行。该方法简单易行。该方法简单易行。

【技术实现步骤摘要】
三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法及系统


[0001]本专利技术属于三维重建技术和脊柱侧弯矫形器制造的交叉
，尤其涉及一种三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法及系统。

技术介绍

[0002]青少年生长发育期间原因不清的脊柱侧弯称为青少年特发性脊柱侧弯(Adolescent Idio
‑
pathic Scoliosis,AIS)。脊柱侧弯研究协会规定了脊柱侧弯的诊断标准为脊柱在冠状面上的Cobb角大于10
°
。目前，青少年特发性脊柱侧弯已经成为继肥胖、近视症之后危害我国青少年健康的第三大疾病，其防控形势严峻。
[0003]针对青少年特发性脊柱侧弯，轻度的患者(即Cobb角大于10
°
而小于20
°
的患者)可通过矫形操等运动进行矫正；重度的患者(即Cobb角大于45
°
的患者)需要进行手术治疗，如植入椎弓根螺钉手术等，以防止脊柱侧弯症状升级恶化；中度的患者(即Cobb角大于20
°
且小于45
°
的患者)则可以通过佩戴脊柱侧弯矫形器治疗，利用矫形器的佩戴及固定来提供持续性的三维矫正力，影响骨骼的生长，有效改善脊柱的畸形，实现对骨骼的矫正。
[0004]传统的脊柱侧弯矫形器的制作方法主要是石膏取型法，通过阴阳模的制作获得与患者契合的矫形器，但是这种方法相对繁琐，而且需要患者的参与，大多数患者尤其是女性会非常排斥这种做法，因为要将上半身赤裸裹满石膏，会让患者感觉隐私受到侵犯而且不卫生。同时，这种方法制作的矫形器其效果依赖于矫形器技师的工作经验和能力。为此，现阶段研究出多种基于3D打印的脊柱侧弯矫形器设计及制造方法，这些方法利用建模软件以及有限元分析软件等计算机辅助设计技术，提高脊柱侧弯矫形器的制作效率。如根据拍摄的CT断层图像数据，利用医学图像处理软件，通过手工分割的方法获取三维人体几何模型，再利用计算机辅助设计软件获取脊柱侧弯矫形器模型，最后通过3D打印得到成品矫形器。这种方法相对于传统的石膏取型方法而言更容易被接受，且制作的矫形器模型依从性更好，但这种方法需要技师掌握复杂的软件操作能力与建模知识，才能获得与患者契合的三维人体几何模型，进而得到脊柱侧弯矫形器模型，而且利用这种方法获取的三维人体几何模型由于手工分割的误差有可能不够准确，从而影响到脊柱侧弯矫形器与患者的贴合性；如通过3D扫描仪获取患者躯干表面数据，结合患者冠状面X片，对人体3D躯干模型进行裁剪及表面光滑处理得到脊柱侧弯矫形器模型，最后通过3D打印得到成品。虽然这种方法获取的患者外形轮廓较为准确，且不需要进行手工操作，但激光3D扫描仪价格昂贵，且操作复杂，难以一次性获取完整的患者躯干表面数据，可能需要进行多次扫描，由此造成脊柱侧弯矫形器的制造价格较高。
[0005]现阶段，基于3D打印的脊柱侧弯矫形器设计及制造方法是目前脊柱侧弯矫形器制作领域的最优选择，而基于3D打印的脊柱侧弯矫形器设计方法的关键在于如何获取与患者外形轮廓高度契合的三维人体几何模型，现有方法主要是通过扫描仪获取点云数据，再通过相关算法得到三维人体几何模型，或者是基于CT断层图像通过手工分割的方式获取三维人体几何模型，但是这些方法操作复杂且所用仪器昂贵，获取的三维人体几何模型准确性
较差；其次，基于3D打印的脊柱侧弯矫形器设计方法的关键还在于如何基于所获取的三维人体几何模型构建脊柱侧弯矫形器模型。现有技术中，利用计算机辅助设计软件获取脊柱侧弯矫形器模型，或对人体3D躯干模型进行裁剪及表面光滑处理得到脊柱侧弯矫形器模型，操作复杂且需要技师掌握大量的专业知识与技能，制作的脊柱侧弯矫形器价格昂贵。

技术实现思路

[0006]为解决上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法及系统，获取患者的运动视频，利用三维人体重建算法，基于视频法线重建三维人体几何模型，解决现有技术通过扫描获取点云数据或手工分割构建的三维人体几何模型不准确、成本高的问题；采用参数化逆向建模技术，设计脊柱侧弯矫形器模型，避免现有方法通过计算机辅助设计软件进行建模需要矫形器技师掌握建模知识，普通医师无法操作的问题，该方法简单易行且获得的脊柱侧弯矫形器的贴合性更优。
[0007]第一方面，本公开提供了一种三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法。
[0008]一种三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法，包括：
[0009]获取患者保持同一姿势自转一周的人体运动视频；
[0010]根据人体运动视频，采用SMPL估计方法获取视频每一帧的SMPL模型，基于视频每一帧的SMPL模型获取人体法线图；
[0011]基于SMPL模型和人体法线图，生成局部特征；
[0012]基于局部特征，生成三维人体几何模型；
[0013]将三维人体几何模型导入建模软件，根据模型大小与患者的实际身高确定比例，基于比例恢复三维人体几何模型的实际大小，得到与患者实际身高形态相契合的三维人体几何模型；
[0014]基于恢复后的三维人体几何模型进行参数化逆向建模，生成脊柱侧弯矫形器模型。
[0015]进一步的技术方案，所述根据人体运动视频，采用SMPL估计方法获取视频每一帧的SMPL模型，基于视频每一帧的SMPL模型获取人体法线图，包括：
[0016]根据人体运动视频，采用SMPL估计方法获取视频每一帧的SMPL模型函数；
[0017]获取视频每一帧的SMPL模型函数后，将视频第一帧作为参考帧，求解剩余帧对应的SMPL模型函数与参考帧对应的SMPL模型函数之间的转换矩阵；
[0018]基于视频每一帧的SMPL模型函数，获取裸体法线图，将裸体法线图输入至法线预测网络中，获取视频帧对应的人体法线图。
[0019]进一步的技术方案，所述法线预测网络的损失函数为：
[0020][0021]其中，表示真实人体法线图，N
c
表示预测的人体法线图。
[0022]进一步的技术方案，还包括：
[0023]根据渲染获取的SMPL模型裸体法线图和预测的人体法线图之间的差异来优化SMPL模型和预测的人体法线图。
[0024]进一步的技术方案，所述基于SMPL模型和人体法线图，生成局部特征，包括：
[0025]利用预测的人体法线图N
c
和SMPL模型，生成局部特征F
p
，公式为：
[0026]F
p
＝[F
s
(p),F
c
(p)][0027][0028][0029][0030]其中，F
s
(p)表示从查询点P到视频第一帧对应的SMPL模型上最近点P
b
的距离，表示第i帧对应的SMPL模型上与P
b
对应的点，表示根据的可见性，从相应人体法线图中提取的法向量，表示预测的第i帧的人体法线图,表示第1帧本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法，其特征是，包括：获取患者保持同一姿势自转一周的人体运动视频；根据人体运动视频，采用SMPL估计方法获取视频每一帧的SMPL模型，基于视频每一帧的SMPL模型获取人体法线图；基于SMPL模型和人体法线图，生成局部特征；基于局部特征，生成三维人体几何模型；将三维人体几何模型导入建模软件，根据模型大小与患者的实际身高确定比例，基于比例恢复三维人体几何模型的实际大小，得到与患者实际身高形态相契合的三维人体几何模型；基于恢复后的三维人体几何模型进行参数化逆向建模，生成脊柱侧弯矫形器模型。2.如权利要求1所述的三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法，其特征是，所述根据人体运动视频，采用SMPL估计方法获取视频每一帧的SMPL模型，基于视频每一帧的SMPL模型获取人体法线图，包括：根据人体运动视频，采用SMPL估计方法获取视频每一帧的SMPL模型函数；获取视频每一帧的SMPL模型函数后，将视频第一帧作为参考帧，求解剩余帧对应的SMPL模型函数与参考帧对应的SMPL模型函数之间的转换矩阵；基于视频每一帧的SMPL模型函数，获取裸体法线图，将裸体法线图输入至法线预测网络中，获取视频帧对应的人体法线图。3.如权利要求2所述的三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法，其特征是，所述法线预测网络的损失函数为：其中，表示真实人体法线图，N
c
表示预测的人体法线图。4.如权利要求1所述的三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法，其特征是，还包括：根据渲染获取的SMPL模型裸体法线图和预测的人体法线图之间的差异来优化SMPL模型和预测的人体法线图。5.如权利要求1所述的三维人体几何模型重建及脊柱侧弯矫形器制作方法，其特征是，所述基于SMPL模型和人体法线图，生成局部特征，包括：利用预测的人体法线图N
c
和SMPL模型，生成局部特征F
p
，公式为：F
p
＝[F
s
(p),F
c
(p)](p)](p)]
其中，F
s
(p)表示从查询点P到视频第一帧对应的SMPL模型上最近点P
b
的距离，表示第i帧对应的SMPL模型上与P
b
对应的点，表示根据的可见性，从相应人体法线图中提取的法向量，表示预测的第i帧的人体法线图,表示第1帧对应的SMPL模型函数的逆，Π(.)表示三维点的二维投影，F

【专利技术属性】
技术研发人员：赵秀阳，王二聪，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：