骨骼建模与仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明属于骨骼模型构建领域，具体设及一种能够构建更加精确的骨骼建模与仿 真方法。
【背景技术】
[0002]仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，随着科技的发展，仿真技术的 应用越来越广泛，被应用于电气、机械、化工、水力、热力等系统，也包括社会、经济、生物医 学、管理等系统。在生物医学方面，仿真在人类的医疗史上具有重要的意义。在有了生物 医学仿真之后，医生就可W通过虚拟的病体来提升技术，运样减少了病人的痛苦，并且成本 低、可重复、结果直观。人体碰撞损伤是最常发生的。所W，通过对骨骼碰撞损伤的研究具 有非常重要的医学价值。目前，使用通过建立骨骼模型来进行仿真试验。
[0003] 一般，面向材料反求构建产品的模型，反求工程包括几何反求、材料反求和工艺反 求等。对于均质产品的材料反求，由于材料性能各向同性，因此易于用几个主要的材料性能 参数来表达整个产品的材料性能，反求重点在于材料性能参数的测试，而骨骼属于非均质 产品，其材料性能各向异性，且位于不同空间位置点的材料性能也可能不一样，骨骼的材料 性能与几何位置等都有密切相关。传统材料检测手段如硬度测量、金相检验、化学分析、光 谱分析等方法主要针对均质材料，因此，检测手段一度成为骨骼材料反求的难点。另外，材 料反求的问题是非均质材料设计与表达法，现有的骨骼材料表达方法都不是太理想。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能够构建更加精确的骨 骼建模与仿真方法。
[0005] 本发明提供了一种骨骼建模与仿真方法，用于对人体的骨骼进行建模与仿真，其 特征在于，包括W下步骤：步骤1，对骨骼进行CT扫描从而得到图像数据，然后，对图像数据 进行图像处理后得到点云数据；步骤2,根据点云数据的轮廓进行基面投影，并且与B样条 相对应对点云数据进行的B样条参数化，从而得到点云数据的参数值，然后，将点云数据中 的散乱点进行基曲面投影得到该散乱点的参数值，然后，利用最小二乘法原理将散乱点进 行B样条曲面拟合并且得到表面控制点；步骤3,将表面控制点作为已知条件进行体插值， 利用离散Coons体插值算法得到体参数化模型，体参数化模型中的表面控制点对应骨骼的 表面信息，体参数化模型中的内控制点对应骨骼的材料信息；步骤4,设置多个采样点，并 且将体参数化模型划分出多个节点，然后，寻找与采样点最近的节点，该节点的参数值作为 采样点的初始参数值，然后在初始参数值附近离散B样条的区域，在区域中找出距离采样 点最近的B样条体节点，将该B样条体节点作为采样点的参数值；并且，根据采样点的参数 值并且通过最小二乘法原理和二次型优化求得表面控制点和内控制点的灰度值；步骤5， 根据采样点的参数值和灰度值得到骨骼的骨骼模型；W及步骤6,根据B样条进行网格细分 得到单元网格，将未知量表示为与B样条的基函数相对应的形式，然后采用弱解形式W及 最小势能原理将单元网格的单元刚度矩阵装到总体刚度矩阵中，然后对总体刚度矩阵进行 处理，得到未知量的值，最后对未知量的值处理后的结果进行显示。
[0006]在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可W具有运样的特征：其中，步骤1包 含对图像数据进行噪声滤波、锐化特征和边缘增强的预处理。
[0007] 在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可W具有运样的特征：其中，步骤1还 包含对图像数据的阀值进行设定，使得图像数据中的骨骼的对比度增大，通过对图像数据 的内插值处理W及界定阀值的范围，并且采用区域增长原理对图像数据中进行分割，从而 得到模型灰度值和点云数据。
[0008]在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可W具有运样的特征：其中，步骤4 中，根据非均质B样条参数化体模型表示为：
[0009]
[0010] 式中，\p，Nj,q，为S维实体在S个方向上的B样条基函数；h和Alik分别表示 节点和控制点的灰度信息，且进行了归一化处理，
[0011] 设采样点为L=lx,，心ZwU，即每个采样点满足：
[0012]
[0013] 根据矩阵性质，式也可W写成W下形式：
[0014]
[0015] 节点的数量为采样点数量的十倍。
[0016]在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可W具有运样的特征：其中，步骤4 中，采用包围盒算法寻找距离采样点最近的节点。
[0017]在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可W具有运样的特征：其中，利用最小 二乘法原理，求解下式表示的优化问题：
[0018]
[001引式中设定\;1"=?^1,。把化,。知)成,,00，其中1^(\。,）为满足最小二乘法原理的 入ijk，改与成：
[002引设定a=i+jXl+kXlXm，得到优化表达式：
[0023]
[0024] 根据B样条基函数的性质，得到：
[00巧]
[002引并且，最终解为：
[0027]
[0028] 由于A。大于或等于0并且小于或等于1的约束，得到控制点灰度值Alik。
[0029] 在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可W具有运样的特征：其中，步骤6 中，对总体刚度矩阵进行处理，求解线性方程：
[0030] Ku = F,
[0031] 式中，K是总体刚度矩阵，U是位移矩阵，F是载荷矩阵，其中K是通过组装单元刚 度矩阵Ke得到，
[0032] 单元刚度矩阵用下式计算：
[0037] Rs=Ni(Ug)Nj(Vg)Nk(Wg)，
[003引式中，S=i+j+k，
[0039] i G [Lp+1], j G [l,q+l],kG [l,r+l], s G [l,nj,n,= (p+1) X (q+1) X (r+1),
[0040] Ug，Vg，Wg可W根据相对应的插值规则用节点矢量边缘矢量计算得到，
辛
[0050] 式中，E是杨氏模量、V是泊松比。
[0051] 发明的作用与效果
[0052] 根据本发明所设及的骨骼建模与仿真方法，通过对人体的骨骼进行CT扫描并且 进行预处理后提取到点云数据，然后，根据点云数据的轮廓进行基面投影得到点云数据的 参数值，并且，将点云数据中的散乱点进行基曲面投影得到散乱点的参数值，然后，利用最 小二乘法原理将散乱点进行B样条曲面拟合并且得到表面控制点；利用离散Coons体插值 算法得到体参数化模型，寻找采样点最近的节点，该节点的参数值作为采样点的初始参数 值，然后在初始参数值附近离散B样条的区域，在区域中找出离采样点最近的B样条体节 点，将该B样条体节点作为采样点的参数值，然后，通过最小二乘法原理和二次型优化求得 表面控制点和内控制点的灰度值，然后得到骨骼模型，最后，根据B样条进行网格细分得到 单元网格，将未知量表示为与B样条的基函数相对应的形式，然后采用弱解形式W及最小 势能原理的对单元网格的单元刚度矩阵装到总体刚度矩阵中，然后对总体刚度矩阵进行处 理，得到未知量的值，最后对未知量的值处理后的结果进行显示，所W，本发明的骨骼建模 与仿真方法能够构建更加精确的骨骼模型，并且能精确表达实际材料分布，从而设计出更 加符合实际情况的骨骼产品。
【附图说明】
[0053] 图1是本发明的实施例中骨骼建模与仿真方法的流程图；
[0054] 图2是本发明的实施例中骨骼建模与仿真方法的体网格显示图；
[0055] 图3是本发明的实施例中骨骼建模与仿真方法的骨骼模型的表面图；W及
[0056] 图4是本法的实施例中骨骼建模与仿真方法的应变分析图。
【具体实施方式】
[0057] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，W下实 施例结合附图对本发明的骨骼建模与仿真方法作具体阐述。
[0058] 图1是本发明的实施例中骨骼建模与仿真方法的流程图。
[0059] 如图1所示，在本实施例中，骨骼建模与仿真方法通过体参数化方法实现模型几 何空间构造，通过对灰度值的参数化实现材料空间构造；通过求解一个二次型优化问题，将 材料空间内嵌于几何空间，实现几何空间和材料空间的禪合，通过等几何分析得到骨骼的 性能信息，从而最终完成体参数化骨骼产品模型的构建。
[0060] 本实施例利用材料反求的思想构建骨骼的体参数化模型。利用CT扫描数据作为 几何和材料信息的来源，利用体参数化的方法构建几何空间，利用提取的灰度信息构建材 料空间。W几何空间为基础，将材料空间内嵌到几何空间中去，实现几何空间和材料空间的 禪合，最后通过等几何分析进行仿真得到性能信息，从而实现了非均质产品骨骼的造型，从 而实现了真实骨骼的造型。
[0061] 本实施例利用CT扫描骨骼提供的数据作为真实骨骼模型的输入数据，CT扫描数 据能W点云的形式同