一种骨水泥间隔器阴模的设计方法及装置与流程

本发明涉及人工关节假体的设计技术领域，特别是涉及一种基于逆向工程的骨水泥间隔器阴模的设计方法及装置。

背景技术：

人工关节假体是一种植入物，对于人体的髋、膝、肩和踝等关节的应用都十分广泛。现阶段我国的人工关节假体主要是以来从国外进口，由于这些假体都是根据国外解剖标准进行设计，因此会存在与国人关节面形状和尺寸无法匹配的情况。同时，对于一些金属、陶瓷等材质的假体，部分患者会产生强烈的排异反应，并且组织感染相对严重的患者对此类假体也难以适用。人工关节置换手术后，会存在术后感染的问题，为治疗术后感染，常采用骨水泥间隔器暂代原关节假体实施治疗。

虽然假体骨水泥间隔器在术后感染治疗中，其随访效果良好、感染率低，同时在其制作过程中可加入抗生素进一步降低感染风险。但是，在骨水泥实际应用中尚存在问题，首先，当前大部分骨水泥间隔器制作都是医生徒手制作的，且骨水泥硬化速度快，制作精度无法与人体骨骼达到高度匹配；其次，手术过程中制作骨水泥假体，加长了止血时间进而增加了患者的痛苦。所以在骨水泥间隔器的应用中仍存在着由于快速制作而造成精度较低和匹配度较低的问题，如何解决这些问题已经成为目前研究的重点。

技术实现要素：

针对于上述问题，本发明提供一种骨水泥间隔器阴模的设计方法及装置，用以实现快速制作高精度和高匹配度的骨水泥间隔器阴模的目的。

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种骨水泥间隔器阴模的设计方法，该方法包括：

根据采集到的患者关节假体的点云数据，建立所述关节假体的初步三维CAD模型；

根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的特征进行编辑，得到所述关节假体的三维CAD模型；

根据对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程的分析，定义出所述关节假体的三维CAD模型的相关模具的分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模；

根据骨水泥的特性，对所述初步的骨水泥间隔器阴模的局部特征进行编辑，得到骨水泥间隔器阴模。

优选的，所述根据采集到的患者关节假体的点云数据，建立所述关节假体的初步三维CAD模型，包括：

采集患者关节假体的点云数据；

将所述点云数据中出现的多余的点云或噪点进行前处理，得到处理后的点云数据；

将所述处理后的点云数据进行数据封装，形成多边形网格数据；

对所述多边形网格数据进行预处理，建立多边形网格模型；

对所述多边形网格模型的几何特征进行特征提取，根据提取到的参数化模型和曲面片的特征，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

优选的，所述对所述多边形网格模型的几何特征进行特征提取，根据提取到的参数化模型和曲面片的特征，建立所述关节假体的初步三维CAD模型，包括：

按照表面曲率变化将所述多边形网格模型划分为不同的几何领域，其中，所述几何领域包括平面、二次曲面和自由曲面；

通过预设的平面位置截取所述多边形网格模型中的平面和二次曲面，得到二维截面轮廓，并对所述二维截面轮廓进行处理，建立参数化模型；

通过对所述多边形网格模型的自由曲面进行特征提取，得到不规则的曲面特征，对所述不规则的曲面特征进行曲面拟合，生成目标曲面片；

将所述参数化模型与所述目标曲面片进行布尔运算，利用所述目标曲面片在所述参数化模型上截取一个与所述目标曲面片相同的曲面，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

优选的，所述根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的特征进行编辑，得到所述关节假体的三维CAD模型，包括：

根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的几何尺寸进行修改，并根据骨水泥成型物的强度，增大所述关节假体的初步三维CAD模型的强度薄弱处的几何尺寸，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸；

去除所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的局部特征中的干扰特征，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，其中，所述干扰特征包括所述局部特征中的凸台和圆角；

根据所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸和所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，得到所述关节假体的三维CAD模型。

优选的，所述根据对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程的分析，定义出所述关节假体的三维CAD模型的相关模具的分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模，包括：

对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程进行分析，根据所述关节假体的三维CAD模型实现功能的特征，区分得到关键几何特征和非关键几何特征；

根据所述关节假体的三维CAD的相关模具的分型面与所述关键几何特征不想交的规则，定义出所述关节假体的三维CAD模型的分型面；

根据所述分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模。

根据本发明的第二方面，提供了一种骨水泥间隔器阴模的设计装置，该装置包括：

第一建立模块，用于根据采集到的患者关节假体的点云数据，建立所述关节假体的初步三维CAD模型；

第一编辑模块，用于根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的特征进行编辑，得到所述关节假体的三维CAD模型；

第二建立模块，用于根据对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程的分析，定义出所述关节假体的三维CAD模型的相关模具的分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模；

第二编辑模块，用于根据骨水泥的特性，对所述初步的骨水泥间隔器阴模的局部特征进行编辑，得到骨水泥间隔器阴模。

优选的，所述第一建立模块包括：

采集单元，用于采集患者关节假体的点云数据；

第一处理单元，用于将所述点云数据中出现的多余的点云或噪点进行前处理，得到处理后的点云数据；

封装单元，用于将所述处理后的点云数据进行数据封装，形成多边形网格数据；

第二处理单元，用于对所述多边形网格数据进行预处理，建立多边形网格模型；

第一建立单元，用于对所述多边形网格模型的几何特征进行特征提取，根据提取到的参数化模型和曲面片的特征，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

优选的，所述第一建立单元包括：

划分子单元，用于按照表面曲率变化将所述多边形网格模型划分为不同的几何领域，其中，所述几何领域包括平面、二次曲面和自由曲面；

第一建立子单元，用于通过预设的平面位置截取所述多边形网格模型中的平面和二次曲面，得到二维截面轮廓，并对所述二维截面轮廓进行处理，建立参数化模型；

提取子单元，用于通过对所述多边形网格模型的自由曲面进行特征提取，得到不规则的曲面特征，对所述不规则的曲面特征进行曲面拟合，生成目标曲面片；

第二建立子单元，用于将所述参数化模型与所述目标曲面片进行布尔运算，利用所述目标曲面片在所述参数化模型上截取一个与所述目标曲面片相同的曲面，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

优选的，所述第一编辑模块包括：

第一编辑单元，用于根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的几何尺寸进行修改，并根据骨水泥成型物的强度，增大所述关节假体的初步三维CAD模型的强度薄弱处的几何尺寸，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸；

第二编辑单元，用于去除所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的局部特征中的干扰特征，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，其中，所述干扰特征包括所述局部特征中的凸台和圆角；

获取单元，用于根据所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸和所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，得到所述关节假体的三维CAD模型。

优选的，所述第二建立模块包括：

区分单元，用于对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程进行分析，根据所述关节假体的三维CAD模型实现功能的特征，区分得到关键几何特征和非关键几何特征；

定义单元，用于根据所述关节假体的三维CAD的相关模具的分型面与所述关键几何特征不想交的规则，定义出所述关节假体的三维CAD模型的分型面；

创建单元，用于根据所述分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模。

相较于现有技术，本发明通过采集患者关节假体的点云数据，建立了关节假体的初步三维CAD模型，并且根据患者的实际情况，对非关键曲面以外的特征进行编辑，得到关节假体的最终的三维CAD模型，通过得到的关节假体的三维CAD模型，并且根据骨水泥的特性，最终得到骨水泥间隔器阴模。进而实现了快速制作高精度和高匹配度的骨水泥间隔器阴模的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种骨水泥间隔器阴模的设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例二对应的图1所示S11步骤中的建立关节假体的初步三维CAD模型的流程示意图；

图3为本发明实施例二中对应的图2所示S115步骤中的具体方法的流程示意图；

图4为本发明实施例二对应的图1所示S12步骤中的建立关节假体的三维CAD模型的流程示意图；

图5为本发明实施例二中对应的图1所示S13步骤中的创建初步的骨水泥间隔器阴模的流程示意图；

图6为本发明实施例三提供的骨水泥间隔器阴模的设计装置的结构示意图；

图7为本发明实施例三提供的第一建立单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

实施例一

参见图1为本发明实施例一提供的一种骨水泥间隔器阴模的设计方法的流程示意图，该方法包括以下步骤：

S11、根据采集到的患者关节假体的点云数据，建立所述关节假体的初步三维CAD模型；

其中，在通常的理解中，一般在逆向工程中通过测量仪器得到的产品外观表面的点数据几何也称之为点云，通常使用三维坐标测量机所得到的点数量比较少，点与点的间距也比较大，叫稀疏点云；而使用三维激光扫描仪或照相式扫描仪得到的点云的点数量比较大并且比较密集，叫密集点云。在本发明的实施例中，使用三维数据测量系统采集患者关节假体的点云数据，这里优选的是非接触式关节臂激光扫描仪采集点云数据，这是由于人体关节假体模型包含大量的自由曲面特征，使用非接触式的关节臂的激光扫描仪采集点云数据效率更高，能全面的采集自由曲面信息，有利于人工关节假体模型的关键曲面的重建。除此以外，还可以采用接触式的扫描，如三坐标测量机或安装硬质测头的关节臂。虽然采用接触式的采集方法采集精度高，但对于自由的曲面的采集效率太低，并且不利于整个曲面细节的捕捉，所以并不推荐使用接触式的扫描获取点云数据。

S12、根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的特征进行编辑，得到所述关节假体的三维CAD模型；

具体的，关节假体的初步三维CAD模型是通过采集到的患者关节假体的点云数据后建立的，但是关节假体与实际患者关节处的尺寸存在一定的误差，所以要根据测量的患者关节处的实际尺寸，对建立的初步三维CAD模型进行编辑修改，保证建立更适合用的关节假体的CAD模型。

S13、根据对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程的分析，定义出所述关节假体的三维CAD模型的相关模具的分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模；

具体的，在关节假体的三维CAD模型建立以后，对人体关节假体模型的连接方式与工作过程等进行分析，区分模型实现其主要功能的关键几何特征与非关键的几何特征。为保证关键几何特征的精度，在定义相关阴模的分型面时，应确保分型面不与关键几何特征香蕉，且易于后续骨水泥成型物的取出。

S14、根据骨水泥的特性，对所述初步的骨水泥间隔器阴模的局部特征进行编辑，得到骨水泥间隔器阴模。

具体的，本发明实施例中的对所述初步的骨水泥间隔器阴模的局部特征进行编辑，主要是依据成型原料(骨水泥)的强度和填料过程等问题，对初步的骨水泥间隔器阴模的一些局部特征进行修改，从而得到最终的骨水泥间隔器阴模。

通过本发明实施例一公开的技术方案，在采集患者关节假体的点云数据后，建立了关节假体的初步三维CAD模型，并且根据患者的实际情况，对非关键曲面以外的特征进行编辑，得到关节假体的最终的三维CAD模型，通过得到的关节假体的三维CAD模型，并且根据骨水泥的特性，最终得到骨水泥间隔器阴模。进而实现了快速制作高精度和高匹配度的骨水泥间隔器阴模的目的。

实施例二

参照本发明实施例一和图1中所描述的S11到S14步骤的具体过程，并参见图2为本发明实施例二中对应的图1所示S11步骤中的建立关节假体的初步三 维CAD模型的流程示意图，图1中步骤S11具体包括：

S111、采集患者关节假体的点云数据；

S112、将所述点云数据中出现的多余的点云或噪点进行前处理，得到处理后的点云数据；

具体的，由于扫描仪扫描技术的限制以及扫描环境的影响，不可避免地带来多余的点云或早点，可手动选择对这些点云进行删除，并且要对扫描得到的点云数据进行对齐、降噪过滤和精简等处理，以便于后续的处理。

S113、将所述处理后的点云数据进行数据封装，形成多边形网格数据；

S114、对所述多边形网格数据进行预处理，建立多边形网格模型；

具体的，对点云数据进行封装后便进入多边形阶段，一般由点云直接封装得到的多边形模型通常会存在错误表达的曲面片。多边形曲面的光顺与否直接影响到后续的曲面拟合操作，因此进行预处理是逆向曲面重建过程中关键一步，该步骤主要包括：简化或细化多边形网格数据，删除多边形模型表面凸起的钉状物，松弛多边形模型的边界，去除多边形模型中错误的几何特征或者不重要的几何特征，填充点云转换成多边形时或者由于扫描数据缺失所产生的孔洞，编辑多边形模型的边界使多边形模型中的特征更容易区分，修复相交的多变形数据，锐化直角边缘或台阶等。

S115、对所述多边形网格模型的几何特征进行特征提取，根据提取到的参数化模型和曲面片的特征，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

具体的，参见图3为本步骤具体的方法流程示意图，所述步骤S115包括：

S1151、按照表面曲率变化将所述多边形网格模型划分为不同的几何领域，其中，所述几何领域包括平面、二次曲面和自由曲面；

具体的，所述的几何领域可以包括平面、二次曲面和自由曲面，同时也包括圆柱面和圆锥面，结合本发明的技术方案在此处主要是包括平面、二次曲面和自由曲面。

S1152、通过预设的平面位置截取所述多边形网格模型中的平面和二次曲面，得到二维截面轮廓，并对所述二维截面轮廓进行处理，建立参数化模型；

具体的，这一步骤主要是进行规则特征的提取，并且提取对象主要是平面和二次曲面，定义一个平面去截取目标区域，获取规则特征的二维截面轮廓，在通过拉伸、旋转和扫掠等操作建立参数化模型。并且这一步骤主要是有利于后续更精准的对相关三维模型的规则特征的重建；

S1153、通过对所述多边形网格模型的自由曲面进行特征提取，得到不规则的曲面特征，对所述不规则的曲面特征进行曲面拟合，生成目标曲面片；

具体的，这一步骤实现的是非规则特征提取，其对象主要是自由曲面，目的是提取特征后有利于后续更精准的对相关模型中的自由曲面的重建。

S1154、将所述参数化模型与所述目标曲面片进行布尔运算，利用所述目标曲面片在所述参数化模型上截取一个与所述目标曲面片相同的曲面，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

相应的，参见图4为本发明实施例二中对应的图1所示S12步骤中的建立关节假体的三维CAD模型的流程示意图，图1中步骤S12具体包括：

S121、根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的几何尺寸进行修改，并根据骨水泥成型物的强度，增大所述关节假体的初步三维CAD模型的强度薄弱处的几何尺寸，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸；

具体的，根据测量患者骨骼的关节处的实际尺寸，对关节假体的模型的几何尺寸进行修改，使得二者尺寸相接近，这样才能更适合在患者的原关节假体处进行安装；同时要考虑最终骨水泥成型物的强度问题，适当的增大强度薄弱处的几何尺寸。

S122、去除所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的局部特征中的干扰特征，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，其中，所述干扰特征包括所述局部特征中的凸台和圆角；

S123、根据所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸和所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，得到所述关节假体的三维CAD模型。

相应的，参见图5为本发明实施例二中对应的图1所示S13步骤中的创建初步的骨水泥间隔器阴模的流程示意图，图1中步骤S13具体包括：

S131、对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程进行分析，根据所述关节假体的三维CAD模型实现功能的特征，区分得到关键几何特征和非关键几何特征；

S132、根据所述关节假体的三维CAD的相关模具的分型面与所述关键几何特征不想交的规则，定义出所述关节假体的三维CAD模型的分型面；

具体的，分析人工关节假体的三维CAD模型，分析关节假体的工作过程，确定主要的工作部分的几何特征。定义分型面时不要破坏关键的几何特征。分型面的数目应少且为平面，分型面一般不取在装饰外表面或带圆弧的转角处，确切的说就是不要让分型面与这些关键的几何特征相交，这样就有利于保证这些关键几何精度。然后考虑骨水泥成型物的取出问题，要方便其取出。综合这些因素最终定义分型面。

S133、根据所述分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模。

通过本发明实施例二公开的技术方案，具体描述了建立了关节假体的初步三维CAD模型，并且根据患者的实际情况，对非关键曲面以外的特征进行编辑，得到关节假体的最终的三维CAD模型，通过得到的关节假体的三维CAD模型，并且根据骨水泥的特性，最终得到骨水泥间隔器阴模的实现过程，由于通过建立关节假体的模型并对其修改，从而建立了骨水泥间隔器并对其修改复合患者的实际情况。进而实现了快速制作高精度和高匹配度的骨水泥间隔器阴模的目的。

实施例三

与本发明实施例一和实施例二所公开的骨水泥间隔器阴模的设计方法相对应，本发明实施例三还提供了一种骨水泥间隔器阴模的设计装置，参见图6为本发明实施例三提供的骨水泥间隔器阴模的设计装置的结构示意图，以及图7为本发明实施例三提供的第一建立单元的结构示意图，该装置具体包括：

第一建立模块31，用于根据采集到的患者关节假体的点云数据，建立所述关节假体的初步三维CAD模型；

第一编辑模块32，用于根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的特征进行编辑，得到所述关节假体的三维CAD模型；

第二建立模块33，用于根据对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程的分析，定义出所述关节假体的三维CAD模型的相关模具的分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模；

第二编辑模块34，用于根据骨水泥的特性，对所述初步的骨水泥间隔器阴模的局部特征进行编辑，得到骨水泥间隔器阴模。

相应的，所述第一建立模块31包括：

采集单元311，用于采集患者关节假体的点云数据；

第一处理单元312，用于将所述点云数据中出现的多余的点云或噪点进行前处理，得到处理后的点云数据；

封装单元313，用于将所述处理后的点云数据进行数据封装，形成多边形网格数据；

第二处理单元314，用于对所述多边形网格数据进行预处理，建立多边形网格模型；

第一建立单元315，用于对所述多边形网格模型的几何特征进行特征提取，根据提取到的参数化模型和曲面片的特征，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

相应的，所述第一建立单元315包括：

划分子单元3151，用于按照表面曲率变化将所述多边形网格模型划分为不同的几何领域，其中，所述几何领域包括平面、二次曲面和自由曲面；

第一建立子单元3152，用于通过预设的平面位置截取所述多边形网格模型中的平面和二次曲面，得到二维截面轮廓，并对所述二维截面轮廓进行处理，建立参数化模型；

提取子单元3153，用于通过对所述多边形网格模型的自由曲面进行特征提取，得到不规则的曲面特征，对所述不规则的曲面特征进行曲面拟合，生成目标曲面片；

第二建立子单元3154，用于将所述参数化模型与所述目标曲面片进行布尔运算，利用所述目标曲面片在所述参数化模型上截取一个与所述目标曲面片相同的曲面，建立所述关节假体的初步三维CAD模型。

相应的，所述第一编辑模块32包括：

第一编辑单元321，用于根据测量得到的患者关节处的实际尺寸，对所述关节假体的初步三维CAD模型的几何尺寸进行修改，并根据骨水泥成型物的强度，增大所述关节假体的初步三维CAD模型的强度薄弱处的几何尺寸，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸；

第二编辑单元322，用于去除所述关节假体的初步三维CAD模型的非关键曲面以外的局部特征中的干扰特征，得到所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，其中，所述干扰特征包括所述局部特征中的凸台和圆角；

获取单元323，用于根据所述关节假体的初步三维CAD模型的最终几何尺寸和所述关节假体的初步三维CAD模型的实际局部特征，得到所述关节假体的三维CAD模型。

相应的，所述第二建立模块33包括：

区分单元331，用于对所述关节假体的三维CAD模型的连接方式和工作过程进行分析，根据所述关节假体的三维CAD模型实现功能的特征，区分得到关键几何特征和非关键几何特征；

定义单元332，用于根据所述关节假体的三维CAD的相关模具的分型面与所述关键几何特征不想交的规则，定义出所述关节假体的三维CAD模型的分型面；

创建单元333，用于根据所述分型面，创建初步的骨水泥间隔器阴模。

在本发明实施例三公开的技术方案中，通过第一建立模块建立了关节假体的初步三维CAD模型，并通过了第一编辑模块对关节假体的初步三维CAD 模型进行编辑，获得了更符合患者关节处的关节假体的三维CAD模型，通过第二建立模块创建了初步的骨水泥间隔器阴模，并通过第二编辑模块对所述初步的骨水泥间隔器阴模的局部特征进行编辑，得到骨水泥间隔器阴模，从而实现了快速制作高精度和高匹配度的骨水泥间隔器阴模的目的。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。