本發(fā)明涉及脊柱矯形器領(lǐng)域，尤其涉及一種基于三維人體掃描系統(tǒng)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)脊柱矯形器的快速成型方法。

背景技術(shù)：

目前，青少年脊柱側(cè)彎分為先天性和特發(fā)性兩種。先天性患者是由于在出生時(shí)伴有脊柱不正常生長(zhǎng)，導(dǎo)致成長(zhǎng)過(guò)程中脊柱發(fā)生嚴(yán)重畸形，需進(jìn)行外科手術(shù)引導(dǎo)脊柱的正常生長(zhǎng)。特發(fā)性脊柱側(cè)彎是指在青少年時(shí)期由于不明原因引起的脊柱側(cè)彎，此類患者占所有患者的80％左右，且數(shù)量逐年遞增，是繼近視眼和肥胖癥兩種疾病之后的又一大頑疾。脊柱側(cè)彎不僅影響美觀產(chǎn)生心理陰影，而且由于脊柱的側(cè)彎壓迫身體其他器官，甚至?xí){到生命。因此，就該研究成果的應(yīng)用上，存在著巨大的潛在用戶，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣泛。

在矯形器的設(shè)計(jì)制造工藝上，傳統(tǒng)的方法為利用石膏成型法制造出患者石膏模型，再利用手工塑形對(duì)患者石膏模型進(jìn)行修型，最后在修整過(guò)的模型上真空低壓擬合成矯形器。傳統(tǒng)的方法對(duì)臨床醫(yī)師的手工水平要求較高，石膏成型時(shí)對(duì)患者體廓信息的采集時(shí)誤差較大，且鑄造成形的模型有收縮率影響后續(xù)矯形器設(shè)計(jì)的精度。在石膏模型修型時(shí)，修型技師需有豐富的修型經(jīng)驗(yàn)，且不可量化，若修型存在較大誤差則較難糾正直接影響了矯形器的矯正效果。真空低壓成形的制作過(guò)程十分復(fù)雜，對(duì)加工環(huán)境要求高，且在成形過(guò)程中易產(chǎn)生翹曲和褶皺等缺陷，影響了矯形器與患者體廓的吻合性。這些缺點(diǎn)都是手工加工矯形器難以克服的缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了矯正效果。

矯形器的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅關(guān)系到廣大脊柱側(cè)彎青少年患者的健康和美觀，而且嚴(yán)重影響患者以后的生活質(zhì)量，因此對(duì)青少年脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)研究具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)上述提出的矯形器設(shè)計(jì)制作過(guò)程中出現(xiàn)的患者模型構(gòu)造困難，修型誤差大，矯形器成形時(shí)易產(chǎn)生翹曲、褶皺等技術(shù)問題，而提供一種基于三維人體掃描系統(tǒng)的脊柱矯形器的快速成型設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明主要利用三維人體掃描系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)患者體廓信息的快速掃描，從而克服了傳統(tǒng)矯形器加工方法中患者體廓模型與實(shí)際體廓信息誤差大的缺點(diǎn)，并采用曲面多點(diǎn)卷曲成形方法制作矯形器，降低了真空低壓成形的困難，從而達(dá)到了節(jié)省材料，提高了矯形器的精度及矯正效果。

本發(fā)明采用的技術(shù)手段如下：

一種脊柱矯形器的快速成型設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1、利用三維人體掃描系統(tǒng)對(duì)患者體廓進(jìn)行掃描，獲取患者體廓信息；

S2、對(duì)上述患者體廓擬合成三維實(shí)體模型；

S3、對(duì)擬合而成的三維實(shí)體模型進(jìn)行修型處理：

S4、將修整后的三維實(shí)體模型的外輪廓向外偏移預(yù)設(shè)的距離，擬合成脊柱矯形器的初始模型；

S5、利用逆成形展平法對(duì)矯形器板材進(jìn)行曲面展平，分析其應(yīng)力應(yīng)變，獲得矯形器板材毛坯件尺寸；

S6、利用曲面多點(diǎn)卷曲成形方法對(duì)矯形器板材毛坯件卷曲成矯形器模型。

進(jìn)一步地，所述步驟S1中，被測(cè)量的患者需站立在掃描儀中間，且需要患者雙臂遠(yuǎn)離軀干以方便體廓信息的獲得，對(duì)患者體廓信息的三維掃描包括患者站立的位置及拍照動(dòng)作和獲取點(diǎn)云信息的處理。為可清楚反映患者脊柱側(cè)彎的情況，在患者體廓信息采集過(guò)程中被測(cè)者需將手臂抬起遠(yuǎn)離軀干至少成85°左右，且使背部朝向一個(gè)方位的攝像鏡頭。

進(jìn)一步地，對(duì)獲得的患者體廓信息的點(diǎn)云信息進(jìn)行精簡(jiǎn)、去噪、向量化處理。由于獲得的患者體廓信息的點(diǎn)云數(shù)量龐大，會(huì)存在噪音點(diǎn)、跳點(diǎn)等誤差，因此需對(duì)點(diǎn)云信息進(jìn)行精簡(jiǎn)、去噪、向量化等處理，獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云信息，大大減少噪音點(diǎn)對(duì)患者體表精度的影響。

進(jìn)一步地，所述步驟S2中，所述擬合三維實(shí)體模型采用Croe軟件。

進(jìn)一步地，所述步驟S3中，是依據(jù)矯形器設(shè)計(jì)原理對(duì)三維實(shí)體模型劃分修剪區(qū)域及釋放空間，對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行修整處理，為下一步矯形器的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

進(jìn)一步地，所述步驟S4中，所述三維實(shí)體模型向外偏移預(yù)設(shè)的距離在4cm-8cm。

進(jìn)一步地，所述步驟S5中，逆成形展平法對(duì)矯形器板材進(jìn)行曲面展平，依據(jù)虛功方程展平即逆運(yùn)算中不考慮中間變化，只考慮變化始末情況，其展平所依據(jù)的為最小功路徑展平，由能量守恒可知該系統(tǒng)總和為零，則可列方程：

W-W_tnt-W_ext＝∫_vε^Tσdv-∫_vu^Tfdv＝0，

其中f為外力向量，u^T為虛位移向量，σ為應(yīng)力向量，ε^T為應(yīng)變向量。設(shè)U為節(jié)點(diǎn)位移向量，則可得W關(guān)于位移的函數(shù)：

$W=\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T(F_{tnt}^e-F_{ext}^e)=-\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T{R}^e=0,$

其中為單元內(nèi)力，為單元外力，推導(dǎo)該方程得到：

R(U₁)＝F_ext(U_i)-F_int(U_i)，

該方程利用牛頓—拉格朗日法解得：

${\[\∂R\left(U\right)/\∂U\]}_t\mathrm{\Δ}U=-R\left(U_i\right).$

進(jìn)一步地，所述步驟S6中，所述曲面多點(diǎn)卷曲成形方法包括如下步驟：

S61、利用CNC系統(tǒng)將矯形器設(shè)計(jì)曲面參數(shù)轉(zhuǎn)化為材料的局部熱彎角度與擠壓變形量；

S62、將矯形器板材利用送料夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行夾持，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及進(jìn)給機(jī)構(gòu)對(duì)所夾持的矯形器板材進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)進(jìn)行間歇式進(jìn)給；

S63、矯形器板材通過(guò)擠壓成形夾持機(jī)構(gòu)的熱態(tài)夾持部夾持進(jìn)入熱彎?rùn)C(jī)構(gòu)，熱彎?rùn)C(jī)構(gòu)在熱恒溫區(qū)對(duì)矯形器板材加熱軟化后進(jìn)行彎曲，將矯形器板材彎曲成適宜穿戴的曲面形狀；

S64、擠壓機(jī)構(gòu)根據(jù)步驟S61設(shè)定的參數(shù)對(duì)已加熱彎曲的矯形器板材擠壓成形；

S65、擠壓成形夾持機(jī)構(gòu)冷熱態(tài)夾持部對(duì)擠壓成形的矯形器板材夾持進(jìn)行硬化處理，最終獲得矯形器。

進(jìn)一步地，所述熱彎?rùn)C(jī)構(gòu)設(shè)置在熱恒溫區(qū)內(nèi)，包括對(duì)矯形器板材加熱的紅外加熱儀、彎曲壓輥、與所述彎曲壓輥配合的將所述矯形器板材壓住的彎曲擋板以及按照數(shù)控程序?qū)崟r(shí)調(diào)整角度的彎曲角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述擠壓機(jī)構(gòu)設(shè)置在所述熱彎?rùn)C(jī)構(gòu)后用于對(duì)已加熱彎曲的矯形器板材擠壓成形，可沿曲面法線方向作直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)在曲面法線方向位移的不同實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的擠壓成形。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明提供了一種脊柱側(cè)彎矯形器的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)快速成型方法，可實(shí)現(xiàn)脊柱側(cè)彎矯形器的設(shè)計(jì)制造。主要利用三維人體掃描系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)患者體廓模型的點(diǎn)云信息，克服了以往石膏成型法的缺陷，提高了人體模型的精確度及逼真度，為后續(xù)矯形器的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)；針對(duì)人體模型修型過(guò)程中修整距離量化的要求，提出采用計(jì)算機(jī)對(duì)模型進(jìn)行修整操作，即縮短了操作周期也保證了修整模型的精度；通過(guò)逆成形展平法對(duì)矯形器模型進(jìn)行曲面展平，獲得矯形器模型毛坯尺寸，可在成形時(shí)先裁剪坯料板后卷曲成矯形器實(shí)物，取代了傳統(tǒng)矯形器成形方法；利用多點(diǎn)漸進(jìn)卷曲成形的成形技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)脊柱側(cè)彎矯形器板材的快速成型，克服了以往加工方法中對(duì)薄壁曲面板加工困難的缺陷，針對(duì)薄壁曲面板彎曲精度要求高的特定，提出采用CNC數(shù)控系統(tǒng)將薄壁曲面板設(shè)計(jì)曲面參數(shù)化轉(zhuǎn)為材料的熱彎角度及擠壓變形量，既節(jié)省了材料也保證了薄壁曲面板的表面精度。

基于上述理由本發(fā)明可在脊柱側(cè)彎矯形器技術(shù)領(lǐng)域廣泛推廣。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖做以簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發(fā)明的脊柱矯形器設(shè)計(jì)流程圖。

圖2是本發(fā)明人體點(diǎn)云信息實(shí)體化示意圖，A為人體點(diǎn)云信息，B為人體三維實(shí)體模型。

圖3是本發(fā)明脊柱矯形器曲面展平示意圖。

圖4是本發(fā)明脊柱矯形器毛坯尺寸示意圖。

圖5是本發(fā)明曲面多點(diǎn)卷曲成形方法示意圖。

圖中：1、送料夾持機(jī)構(gòu)；2、矯形器板材；3、紅外加熱儀；4、彎曲壓輥；5、擠壓機(jī)構(gòu)；6、熱恒溫區(qū)；7、彎曲擋板；8、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)；9、冷態(tài)夾持部。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，一種脊柱矯形器的快速成型設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：

S1、利用三維人體掃描系統(tǒng)對(duì)患者體廓進(jìn)行掃描，獲取患者體廓信息；所述步驟S1中，被測(cè)量的患者需站立在掃描儀中間，且需要患者雙臂遠(yuǎn)離軀干以方便體廓信息的獲得，對(duì)患者體廓信息的三維掃描包括患者站立的位置及拍照動(dòng)作和獲取點(diǎn)云信息的處理。為可清楚反映患者脊柱側(cè)彎的情況，在患者體廓信息采集過(guò)程中被測(cè)者需將手臂抬起遠(yuǎn)離軀干至少成85°左右，且使背部朝向一個(gè)方位的攝像鏡頭。

S2、對(duì)上述患者體廓擬合成三維實(shí)體模型，所述擬合三維實(shí)體模型采用Croe軟件。如圖2A所示，為人體點(diǎn)云信息，由于獲得的患者體廓信息的點(diǎn)云數(shù)量龐大，會(huì)存在噪音點(diǎn)、跳點(diǎn)等誤差，因此需對(duì)點(diǎn)云信息進(jìn)行精簡(jiǎn)、去噪、過(guò)濾、向量化等處理，獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云信息，并擬合成具有精度較高的人體三維實(shí)體模型(如圖2B所示)，大大減少噪音點(diǎn)對(duì)患者體表精度的影響。

S3、對(duì)擬合而成的三維實(shí)體模型進(jìn)行修型處理，是依據(jù)矯形器設(shè)計(jì)原理對(duì)三維實(shí)體模型劃分修剪區(qū)域及釋放空間，本發(fā)明中掃描的患者為四側(cè)彎類型。傳統(tǒng)矯形器的設(shè)計(jì)過(guò)程中將人體劃分為48個(gè)區(qū)域，依據(jù)其矯形原理利用計(jì)算機(jī)對(duì)其相應(yīng)位置進(jìn)行修整處理即在修剪位置進(jìn)行去除材料，釋放空間區(qū)域增加材料，為下一步矯形器的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

S4、將修整后的三維實(shí)體模型的外輪廓向外偏移4cm-8cm的距離，該距離是為矯形器與人體配合時(shí)具有較高的吻合度。對(duì)偏移的曲面模型進(jìn)行修整、處理擬合成與患者體廓向匹配的具有矯正效果的矯形器。

S5、如圖3所示，本發(fā)明利用逆成形展平法，在通過(guò)軟件立項(xiàng)工程進(jìn)行展平UG軟件鈑金成形模塊中將矯形器模型進(jìn)行曲面展平，分析其應(yīng)力應(yīng)變、厚度及成型極限等情況，獲得其毛坯輪廓，且得到相對(duì)應(yīng)尺寸如圖4所示，為下一步曲面卷曲成形做準(zhǔn)備。

逆成形展平法對(duì)矯形器板材進(jìn)行曲面展平，依據(jù)虛功方程展平即逆運(yùn)算中不考慮中間變化，只考慮變化始末情況，其展平所依據(jù)的為最小功路徑展平，由能量守恒可知該系統(tǒng)總和為零，則可列方程：

W-W_tnt-W_ext＝∫_vε^Tσdv-∫_vu^Tfdv＝0，

其中f為外力向量，u^T為虛位移向量，σ為應(yīng)力向量，ε^T為應(yīng)變向量。設(shè)U為節(jié)點(diǎn)位移向量，則可得W關(guān)于位移的函數(shù)：

$W=\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T(F_{tnt}^e-F_{ext}^e)=-\underset{e}{\mathrm{\Σ}}{\left(u^e\right)}^T{R}^e=0,$

其中為單元內(nèi)力，為單元外力，推導(dǎo)該方程得到：

R(U₁)＝F_ext(U_i)-F_int(U_i)，

該方程利用牛頓—拉格朗日法解得：

${\[\∂R\left(U\right)/\∂U\]}_t\mathrm{\Δ}U=-R\left(U_i\right).$

S6、利用曲面多點(diǎn)卷曲成形方法對(duì)矯形器板材毛坯件卷曲成矯形器模型。

如圖5所示，所述曲面多點(diǎn)卷曲成形方法包括如下步驟：

S61、利用CNC系統(tǒng)將矯形器設(shè)計(jì)曲面參數(shù)轉(zhuǎn)化為材料的局部熱彎角度與擠壓變形量；

S62、將矯形器板材2利用送料夾持機(jī)構(gòu)1進(jìn)行夾持，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)8及進(jìn)給機(jī)構(gòu)對(duì)所夾持的矯形器板材2進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)進(jìn)行間歇式進(jìn)給；送料夾持機(jī)構(gòu)1的目的是保證矯形器板材與進(jìn)給機(jī)構(gòu)有效貼合，實(shí)現(xiàn)精確的進(jìn)給。

S63、矯形器板材2通過(guò)擠壓成形夾持機(jī)構(gòu)的熱態(tài)夾持部夾持進(jìn)入熱彎?rùn)C(jī)構(gòu)，熱態(tài)夾持部作用在擠壓成形加工區(qū)域矯形器板材的寬度方向的兩側(cè)，以抵御擠壓壓頭對(duì)矯形器板材的擠壓力，通過(guò)紅外加熱儀3的加熱在此部分的矯形器板材由于加熱處于軟化狀態(tài)，熱彎?rùn)C(jī)構(gòu)在熱恒溫區(qū)6開始工作，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，兩彎曲擋板7按照數(shù)控程序?qū)崟r(shí)調(diào)整相應(yīng)的角度，與所述彎曲壓輥4配合以一定的壓力f作用在所述矯形器板材2上進(jìn)行彎曲，隨著進(jìn)給的進(jìn)行及彎曲角度的變化，可以實(shí)現(xiàn)不同彎曲曲率的板材曲面；

S64、擠壓機(jī)構(gòu)5根據(jù)步驟S61設(shè)定的參數(shù)對(duì)已加熱彎曲的矯形器板材2擠壓成形，所述擠壓機(jī)構(gòu)5是一系列協(xié)同運(yùn)動(dòng)的擠壓輥輪，擠壓輥輪通過(guò)檢測(cè)裝置自動(dòng)判斷曲面彎曲角度，并調(diào)整擠壓輥輪擠壓面方向，使其始終與曲面法線方向垂直，擠壓輥輪在數(shù)控系統(tǒng)的控制下按照曲面參數(shù)作縱向及垂向進(jìn)給，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的擠壓成形。

所述熱恒溫區(qū)6為密閉環(huán)境，始終保持熱彎?rùn)C(jī)構(gòu)的加工區(qū)域和擠壓機(jī)構(gòu)5的成形區(qū)域的溫度，使材料始終處于軟化的臨界狀態(tài)。

S65、擠壓成形夾持機(jī)構(gòu)冷熱態(tài)夾持部9對(duì)擠壓成形的矯形器板材夾持進(jìn)行硬化處理，硬化處理后還可對(duì)矯形器板材2進(jìn)行拋光打磨，直至達(dá)到技術(shù)要求，最終獲得矯形器。

最后應(yīng)說(shuō)明的是：以上各實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍。