计算机辅助的跟腱支具制造方法及装置与流程

本发明涉及计算机视觉技术，尤其涉及一种计算机辅助的跟腱支具制造方法及装置。

背景技术：

对于踝部骨折、胫腓骨下部骨折及踝部韧带损伤术后的患者可采用石膏外固定。然而，石膏与皮肤的贴合度较差，穿戴后的舒适度也较差，使得患者非常痛苦。另外，石膏硬度大，不利于后期功能康复，而后期如果不进行适当的功能训练，患肢肌肉力量将严重减弱，关节活动幅度也将降低。

良好的支具对患者恢复正常功能具有重要意义。3d打印技术具有设备及材料的价格低，精度高，材料可选范围大，打印物品的质量好等优点。3d打印支具轻便易于穿戴，能与患者皮肤很好地贴合，在骨科中的应用越来越广泛。

针对不同病人，不同部位以及不同功能需求，支具越来越强调个体化的设计和制造。然而，当前跟腱支具制造主要依靠手工测量，导致无法个性化定制、质量粗糙、精度不够等诸多缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种计算机辅助的跟腱支具制造方法及装置，以实现制造个性化定制且舒适度更高的跟腱支具，提高了支具制造的精度。

根据本发明的一方面，提供一种计算机辅助的跟腱支具制造方法。所述方法包括：获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据；根据所述三维点云数据生成所述患者肢体的三维模型；依据所述三维点云数据和所述二维图像数据的对应关系，将所述二维图像数据映射到所述三维模型中；对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型；控制3d打印设备打印所述三维上支具模型和所述三维下支具模型，制造出跟腱支具，其中，所述跟腱支具包括上支具托和下支具托。

优选地，所述对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型的处理包括：

根据预设的上支具比例数据和预设的下支具比例数据确定分割面，

利用确定的分割面将所述三维模型分割成所述三维上支具模型和所述三维下支具模型，

其中，所述上支具比例数据用于表征所述上支具托与所述跟腱支具的占比信息，所述下支具比例数据用于表征所述下支具托与所述跟腱支具的占比信息。

优选地，所述对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型的处理还包括：

在所述三维模型中，分割出与患者肢体的伤口部位相应的伤口窗区域，和/或，

标记用于对三维上支具模型和三维下支具模型进行长度分割的分界线，和/或，

设置预设数量的通风孔。

优选地，所述方法还包括：利用所述三维模型，所述三维上支具模型以及所述三维下支具模型，在计算机上虚拟佩戴、换药和康复训练过程，并且，生成stl格式的所述三维模型的数据、所述三维上支具模型的数据和所述三维下支具模型的数据以及患者康复计划文档、虚拟康复演示文件。

优选地，所述方法还包括：存储以下数据中的一种或多种到患者肢体数据库中：所述三维点云数据、所述三维模型、所述三维上支具模型、所述三维下支具模型、所述三维模型的数据、所述三维上支具模型的数据、所述三维下支具模型的数据、患者康复计划文档和虚拟康复演示文件。

根据本发明的另一方面，提供一种跟腱支具制造装置。所述装置包括：数据获取模块，用于获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据；模型生成模块，用于根据所述三维点云数据生成所述患者肢体的三维模型；数据映射模块，用于依据所述三维点云和所述二维图像数据的对应关系，将所述二维图像数据映射到所述三维模型中；模型分割模块，用于对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型；支具制造控制模块，用于控制3d打印设备打印所述三维上支具模型和所述三维下支具模型，制造出跟腱支具，其中，所述跟腱支具包括上支具托和下支具托。

优选地，所述模型分割模块用于根据预设的上支具比例数据和预设的下支具比例数据确定分割面，利用确定的分割面将所述三维模型分割成所述三维上支具模型和所述三维下支具模型，其中，所述上支具比例数据用于表征所述上支具托与所述跟腱支具的占比信息，所述下支具比例数据用于表征所述下支具托与所述跟腱支具的占比信息。

优选地，所述模型分割模块还用于在所述三维模型中，分割出与患者肢体的伤口部位相应的伤口窗区域，和/或，标记用于对三维上支具模型和三维下支具模型进行长度分割的分界线，和/或，设置预设数量的通风孔。

优选地，所述装置还包括：过程虚拟模块，用于利用所述三维模型，所述三维上支具模型以及所述三维下支具模型，在计算机上虚拟佩戴、换药和康复训练过程，并且，生成stl格式的所述三维模型的数据、所述三维上支具模型的数据和所述三维下支具模型的数据以及患者康复计划文档、虚拟康复演示文件。

优选地，所述装置还包括：数据存储模块，用于存储以下数据中的一种或多种到患者肢体数据库中：所述三维点云数据、所述三维模型、所述三维上支具模型、所述三维下支具模型、所述三维模型的数据、所述三维上支具模型的数据、所述三维下支具模型的数据、患者康复计划文档和虚拟康复演示文件。

根据本发明实施例提供的计算机辅助的跟腱支具制造方法及装置，通过获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据；根据三维点云数据生成患者肢体的三维模型；依据三维点云数据和二维图像数据的对应关系，将二维图像数据映射到三维模型中；对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型；控制3d打印设备打印三维上支具模型和三维下支具模型，制造出跟腱支具。实现了制造个性化定制且舒适度更高的跟腱支具，提高了支具制造的精度。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例一的计算机辅助的跟腱支具制造方法的流程图；

图2是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法的流程图；

图3是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中伤口窗的示例性示意图；

图4是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中长腿支具和短腿支具的示例性示意图；

图5是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中上支具托和下支具托的示例性示意图；

图6是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中通风孔的示例性示意图；

图7是示出根据本发明实施例三的跟腱支具制造装置的逻辑框图；

图8是示出根据本发明实施例四的跟腱支具制造装置的逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图(若干附图中相同的标号表示相同的元素)和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本领域技术人员可以理解，本发明中的“第一”、“第二”等术语仅用于区别不同步骤、设备或模块等，既不代表任何特定技术含义，也不表示它们之间的必然逻辑顺序。

实施例一

图1是示出根据本发明实施例一的计算机辅助的跟腱支具制造方法的流程图。可在如图7所示的装置执行所述方法。

参照图1，在步骤s110，获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据。

这里，通过测量仪器得到的扫描对象外观表面的点数据集合称为点云数据，三维点云数据是通过如三维激光雷达等图像获取设备得到的扫描对象外观表面的点数据集合。在本实施例中，扫描对象是患者肢体。三维点云数据存储的是扫描对象的三维坐标xyz。

本发明实施例将三维点云处理技术运用到支具制造领域，通过三维点云获取患者肢体对应的模型。比如，可以利用单目彩色相机和深度相机，将两个相机同步后进行连续采集。其中，单目彩色相机用于采集二维彩色肢体图像，深度相机用于采集三维肢体数据。相比手工测量，三维扫描设备不仅数据获取效率高，采集时间短，而且获得的数据更为精确。

在步骤s120，根据三维点云数据生成患者肢体的三维模型。

在步骤s130，依据三维点云数据和二维图像数据的对应关系，将二维图像数据映射到三维模型中。

生成的患者肢体的三维模型，只在形态上符合肢体特征，但没有用户的肢体上纹理信息等细节，因此，还需通过三维点云数据和二维图像数据的对应关系，将二维图像数据映射到三维模型对应的位置。

在步骤s140，对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型。

也就是说，为了便于患者佩戴支具，将患者肢体模型分为上、下两部分，即上支具模型与下支具模型。

在步骤s150，控制3d打印设备打印三维上支具模型和三维下支具模型，制造出跟腱支具。

其中，所述跟腱支具可包括上支具托和下支具托。在实际应用中，将上、下支具模型数据用stl格式输入到三维立体打印机中，根据患者需求选取打印材料(如纤维制品、皮革、塑料、树脂、金属、复合材料、碳素纤维)进行立体打印，制造出合体的跟腱支具。3d打印的不同材料具有不同的功能，刚硬度较大的材料可用于骨折治疗前期，起到支撑和保护作用，而柔韧性较大的材料则有利于患者后期进行功能锻炼，促进关节功能恢复。上、下支具托可通过带有刺面和毛面粘扣带连接，便于调节佩戴后的松紧度。上、下支具间的空隙，可以很好地适应腿部肿胀和消肿的变化，并有利于腿部和外界的通风。

本发明实施例提供的计算机辅助的跟腱支具制造方法，通过获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据；根据三维点云数据生成患者肢体的三维模型；依据三维点云数据和二维图像数据的对应关系，将二维图像数据映射到三维模型中；对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型；控制3d打印设备打印三维上支具模型和三维下支具模型，制造出跟腱支具。实现了制造个性化定制且舒适度更高的跟腱支具，提高了支具制造的精度。

实施例二

图2是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法的流程图，所述实施例可视为图1的又一种具体的实现方案。可在如图8所示的装置执行所述方法。

参照图2，在步骤s210，获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据。

其中，上述步骤s210的步骤内容与上述实施例一中步骤s110的步骤内容相同，在此不再赘述。

在步骤s220，根据三维点云数据生成患者肢体的三维模型。

其中，上述步骤s220的步骤内容与上述实施例一中步骤s120的步骤内容相同，在此不再赘述。

在步骤s230，依据三维点云数据和二维图像数据的对应关系，将二维图像数据映射到三维模型中。

其中，上述步骤s230的步骤内容与上述实施例一中步骤s130的步骤内容相同，在此不再赘述。

在步骤s240，对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型。

根据本发明示例性的实施例，步骤s240的处理可包括：根据预设的上支具比例数据和预设的下支具比例数据确定分割面，利用确定的分割面将三维模型分割成三维上支具模型和三维下支具模型，其中，上支具比例数据用于表征上支具托与跟腱支具的占比信息，下支具比例数据用于表征下支具托与跟腱支具的占比信息。

在具体的实现方式中，为了便于患者佩戴支具，将患者肢体模型分为上下两部分，即上支具托模型与下支具托模型。图5是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中上支具托和下支具托的示例性示意图，参照图5，上支具托和下支具托各占整个支具的1/3和2/3。为了适应术后肢体消肿的过程，以上、下支具托分割线为中心线，上下各取3cm，即将宽为6cm，中心线为长的矩形面作为上、下支具托的连接面，将此连接面在三维模型上去除，即得到上、下支具托的三维模型。需要说明的是，图5仅是示例性地示意上支具托和下支具托，不作为对上支具托和下支具托的长度等设计参数的限定。

根据本发明示例性的实施例，步骤s240的处理还可包括：在三维模型中，分割出与患者肢体的伤口部位相应的伤口窗区域，和/或，标记用于对三维上支具模型和三维下支具模型进行长度分割的分界线，和/或，设置预设数量的通风孔。

在具体的实现方式中，首先，详细说明伤口窗的分割过程。图3是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中伤口窗的示例性示意图，参照图3，术后每隔几天医生就要换一次药，换药前需要卸下支具，换药后再将支具佩戴好。而术后早期患者腿型初步适应支具形状后，如果支具移错位或支具松紧度不同，将给患者带来疼痛和不适感。考虑到换药过程将会导致支具移错位和松紧度的改变，因而，在三维模型中的伤口部位进行开窗，即在获取到支具三维模型后，利用彩色图像检测伤口部位，并以伤口线(其长度作为矩形的长度)为矩形两个宽边中点的连接线，构建宽度为4～6cm的伤口窗矩形区域，并在三维模型中分割出伤口窗区域。换药时可直接将伤口窗直接卸下，而不是打开整个支具，这样不仅减少患者疼痛，而且避免了拆装支具过程，便于医生换药。需要说明的是，图3仅是示例性地示意伤口窗，不作为对伤口窗的位置、大小等设计参数的限定。

其次，详细说明长腿支具与短腿支具分割线的标记过程。通常跟腱手术后，首先要佩戴长腿支具，两周后佩戴短腿支具。为了使得跟腱支具具有通用性，可以在长腿支具上做个分割线，即沿着分割线切割，即可得到短腿部分的支具。举例来说，图4是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中长腿支具和短腿支具的示例性示意图，参照图4，可将患者肢体模型的膝盖下方6cm的地方作为标记线，在标记线处作个凹槽，以便于后期将长腿支具变为短腿支具。需要说明的是，图4仅是示例性地示意长腿支具与短腿支具的分割线，不作为对分割线的具体位置的限定。

最后，详细说明通风孔。考虑到跟腱支具佩戴时间比较长，为了防止皮肤坏死，本实施例中，通过在支具表面设计通风孔，来保持肢体与外界的通风。例如，图6是示出根据本发明实施例二的计算机辅助的跟腱支具制造方法中通风孔的示例性示意图，在患者肢体模型上设计的通风孔如图6所示，每隔2cm设计一个直径为0.5cm的空洞。需要说明的是，图6仅是示例性地示意通风孔的设计，不作为对通风孔的排布位置、大小等设计参数的限定。

在步骤s250，控制3d打印设备打印三维上支具模型和三维下支具模型，制造出跟腱支具。

其中，上述步骤s250的步骤内容与上述实施例一中步骤s150的步骤内容相同，在此不再赘述。

在步骤s260，利用三维模型，三维上支具模型以及三维下支具模型，在计算机上虚拟佩戴、换药和康复训练过程，并且，生成stl格式的三维模型的数据、三维上支具模型的数据和三维下支具模型的数据以及患者康复计划文档、虚拟康复演示文件。

由于大多数患者对康复方法及细节一无所知，当前很多骨科医生只重视手术，对后期的康复重视程度不够，缺乏指导，进而导致患者只能通过网络来寻求帮助。但不同病人的康复过程因人而异，因而患者在术后的康复过程中显得很无助，不知道如何进行康复训练，进而导致康复训练方法不得当、康复周期过长，给患者带来了巨大痛苦。

对于跟腱的术后康复和手术同样重要。为了让患者对康复过程有个全面的了解，增加患者康复的信心，在收到肢体模型和处理后的上、下支具托三维模型后，医生在计算机技术人员的辅助下，根据患者身体情况，在计算机上虚拟三维支具佩戴、换药以及康复过程，通过电脑3d技术模拟支具佩戴过程以及不同阶段的康复训练方式方法，进而制定康复计划，输出stl数字模型、患者康复计划文档以及虚拟康复演示文件。可视化康复效果的数字化模型可直接在计算机上进行各个方位的旋转观测、任意切面的观测以及放大缩小，通过康复过程及结果的三维可视化，方便了医患沟通，让患者更清楚地感受到康复过程，提前做好充足的思想准备，树立康复信心，大大增加了患者对康复过程的了解和治疗的满意度。

在步骤s270，存储以下数据中的一种或多种到患者肢体数据库中：三维点云数据、三维模型、三维上支具模型、三维下支具模型、三维模型的数据、三维上支具模型的数据、三维下支具模型的数据、患者康复计划文档和虚拟康复演示文件。

在具体的实现方式中，可利用结构化系统分析与设计的方法为患者建立患者肢体数据库，该患者肢体数据库相当于一个康复数据管理系统，其中存储有患者、医生和设计者的基本信息，以及在手术及康复过程中的数据(包括如患者术前采集的数据、肢体的三维模型、上下支具模型以及患者治疗康复计划相关文档等)。患者肢体数据库的建立方便后续信息的查询、编辑和调用，提高了患者信息管理的工作效率。

本发明实施例提供的计算机辅助的跟腱支具制造方法，具有以下技术效果：

一方面，与现有的石膏塑形相比，本实施例将三维点云处理技术和三维建模技术运用到支具制造领域，使得制造出的支具的佩戴舒适度更高，同时，具有成本低、实施便捷、建模精度高、环保等优点；

另一方面，利用3d打印技术定制出适用患者肢体形态的个性化跟腱支具，进一步提高了跟腱支具在佩戴时的舒适度和贴合度，而且制造速度快，节约了材料，降低了成本；

再一方面，伤口窗的设计有利于减轻换药时所带来的痛苦，并且避免了反复穿脱支具的麻烦。通风孔的设计有利于支具佩戴时腿部(尤其是伤口区域)透气，减轻了粘连，进而促进跟腱愈合。标记用于对三维上支具模型和三维下支具模型进行长度分割的分界线，避免了专门制造短腿支具的过程；

又一方面，建立患者肢体数据库，便于后期患者信息的查询、编辑和调用，提高了康复过程中信息管理的工作效率。此外，患者肢体数据库中的患者康复计划文档、虚拟康复演示文件等数据可用于虚拟康复训练，使患者清楚地了解了康复过程中锻炼方法和注意事项，增加了患者康复的信心，保证了治疗效果。

实施例三

基于相同的技术构思，图7是示出根据本发明实施例三的跟腱支具制造装置的逻辑框图。可用以执行如实施例一所述的跟腱支具制造方法流程。

参照图7，跟腱支具制造装置包括数据获取模块710、模型生成模块720、数据映射模块730、模型分割模块740和支具制造控制模块750。

数据获取模块710用于获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据。

模型生成模块720用于根据三维点云数据生成患者肢体的三维模型；

数据映射模块730用于依据三维点云数据和二维图像数据的对应关系，将二维图像数据映射到三维模型中。

模型分割模块740用于对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型。

支具制造控制模块750用于控制3d打印设备打印三维上支具模型和三维下支具模型，制造出跟腱支具，其中，跟腱支具包括上支具托和下支具托。

本发明实施例提供的跟腱支具制造装置，通过获取患者肢体的三维点云数据和二维图像数据；根据三维点云数据生成患者肢体的三维模型；依据三维点云数据和二维图像数据的对应关系，将二维图像数据映射到三维模型中；对映射后的三维模型进行分割处理，得到三维上支具模型和三维下支具模型；控制3d打印设备打印三维上支具模型和三维下支具模型，制造出跟腱支具。实现了制造个性化定制且舒适度更高的跟腱支具，提高了支具制造的精度。

实施例四

基于相同的技术构思，图8是示出根据本发明实施例四的跟腱支具制造装置的逻辑框图。可用以执行如实施例二所述的跟腱支具制造方法流程。

参照图8，模型分割模块740具体用于根据预设的上支具比例数据和预设的下支具比例数据确定分割面，利用确定的分割面将三维模型分割成三维上支具模型和三维下支具模型，其中，上支具比例数据用于表征上支具托与跟腱支具的占比信息，下支具比例数据用于表征下支具托与跟腱支具的占比信息。

进一步地，模型分割模块740还用于在三维模型中，分割出与患者肢体的伤口部位相应的伤口窗区域，和/或，标记用于对三维上支具模型和三维下支具模型进行长度分割的分界线，和/或，设置预设数量的通风孔。

可选地，该跟腱支具制造装置还包括：过程虚拟模块760用于利用三维模型，三维上支具模型以及三维下支具模型，在计算机上虚拟佩戴、换药和康复训练过程，并且，生成stl格式的三维模型的数据、三维上支具模型的数据和三维下支具模型的数据以及患者康复计划文档、虚拟康复演示文件。

优选地，该跟腱支具制造装置还可包括：数据存储模块770用于存储以下数据中的一种或多种到患者肢体数据库中：三维点云数据、三维模型、三维上支具模型、三维下支具模型、三维模型的数据、三维上支具模型的数据、三维下支具模型的数据、患者康复计划文档和虚拟康复演示文件。

本发明实施例提供的跟腱支具制造装置，具有以下技术效果：第一，利用三维扫描技术准确获取肢体部位表面点云数据，并进行三维建模，因此，相较于石膏塑形，具有制造出的支具的佩戴舒适度高、成本低、实施方便、速度快、建模精度高、环保等特点；第二，利用3d打印技术可以快速地定制出符合患者肢体形态的舒适度和贴合度更佳的个性化跟腱固定支具，并且节约了材料和成本；第三，伤口窗的设计有利于减轻换药时所带来的痛苦，并且避免了反复穿脱支具的麻烦。通风孔的设计有利于支具佩戴时腿部(尤其是伤口区域)透气，减轻了粘连，进而促进跟腱愈合。通过标记用于对三维上支具模型和三维下支具模型进行长度分割的分界线，避免了专门制造短腿支具的过程，进一步节约了材料和成本；第五，建立患者肢体数据库，便于后期患者信息的查询、编辑和调用，提高了康复过程中信息管理的工作效率。此外，患者肢体数据库中的患者康复计划文档、虚拟康复演示文件等数据可用于虚拟康复训练，使患者清楚地了解了康复过程中锻炼方法和注意事项，增加了患者康复的信心，保证了治疗效果。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

上述根据本发明的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可存储在记录介质(诸如cdrom、ram、软盘、硬盘或磁光盘)中的软件或计算机代码，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程记录介质或非暂时机器可读介质中并将被存储在本地记录介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件(诸如asic或fpga)的记录介质上的这样的软件处理。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件(例如，ram、rom、闪存等)，当所述软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现在此描述的处理方法。此外，当通用计算机访问用于实现在此示出的处理的代码时，代码的执行将通用计算机转换为用于执行在此示出的处理的专用计算机。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。