一种体表轮廓数据快速获取系统及3D打印集成系统的制作方法

一种体表轮廓数据快速获取系统及3d打印集成系统
技术领域
1.本发明属于3d打印技术领域，具体涉及一种体表轮廓数据快速获取系统及3d打印集成系统。


背景技术：

2.随着3d打印技术的不断发展，3d打印康复支具越来越多地应用在了骨折的治疗中。3d打印康复支具存在以下优点：1、支具重量轻，佩戴方便；2、使用高分子材料打印，环保、安全；3、支具结构采用轻量化、多孔结构设计，透气性好；4、采用个性化设计，增加了佩戴舒适性；5、佩戴过程中可拆卸，方便伤口的日常护理等等。
3.3d打印支具的流程分为：1、患者体表数据的获取，可以使用三维扫描仪或者ct设备扫描等方式获得，扫描仪分为手持式和固定式，常规使用的是手持式扫描仪，该扫描仪对使用者的专业要求比较高，使用人员需要经过专门的培训；2、数据重建：使用专业逆向工程软件或者医学三维软件对图像进行逆向重建并设计支具。3、支具打印：将设计好的支具先导出到电脑上（经常使用的格式为stl格式），然后再将导出的文件导入打印机的切片软件中进行切片处理，保存切片后的文件（经常以gcode格式文件或者是其他3d打印机可识别的文件格式进行保存），最后将切片后的文件导入到3d打印机中进行打印；4、后处理：对打印好的支具进行清理、休整、去支撑、添加魔术贴等工作。
4.在患者体表数据的获取过程中经常会存在如下问题，比如：患者的体表数据获取需要专门的工程师使用专业的三维扫描仪进行扫描，普通人在使用三维扫描仪时，经常会出现人员扫描培训周期长，扫描过程中存在信号丢失、扫描数据不全、扫描软件操作不当等问题。此外，体表数据获得后还需要再由专业的工程师进行设计、打印及后处理；支具设计时间过长等一系列的问题。


技术实现要素：

5.针对上述在患者体表数据获取过程中存在的问题，提供一种体表轮廓数据快速获取系统，能简单、方便、高效的获取体表轮廓数据。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种体表轮廓数据快速获取系统，其特征在于，包括机箱和压力采集装置，所述机箱上部开口；所述压力采集装置包括薄膜压力传感器和若干压力采集杆，所述压力采集杆包括滑动杆和导管，所述机箱内侧底部设置有底座，所述底座上均匀设置有孔，所述薄膜压力传感器设置在所述底座下侧，其采集点与所述底座上的孔一一对应；所述导管的一端固定在孔内，所述滑动杆的一端设置在所述导管内，与所述导管内的第一弹簧连接，所述第一弹簧的另一端连接有弹簧垫块，所述滑动杆、所述第一弹簧和所述弹簧垫块能够沿所述导管滑动。
7.进一步地，所述滑动杆的底端设置有凸台，所述凸台远端外径小，近端外径大，所述第一弹簧的一端套设在所述凸台上。
8.进一步地，所述压力采集杆上还设置有滑动杆限位装置，所述滑动杆限位装置包
括滑动杆限位板和滑动杆限位盖，所述滑动杆限位盖扣合在所述滑动杆限位板上，所述滑动杆限位板和所述滑动杆限位盖上均对应所述滑动杆设置有孔，所述滑动杆贯穿所述滑动杆限位板和所述滑动杆限位盖。
9.进一步地，所述滑动杆限位板上的孔的内径等于所述滑动杆的外径，小于所述凸台的近端外径。
10.进一步地，所述滑动杆限位装置能够沿所述机箱的内壁上下滑动，所述机箱内壁的四个内角处均设置有滑槽，对应所述滑动杆限位盖的四个端角处均设置有滑块，所述滑块设置在所述滑槽内，所述滑块和所述滑槽底部之间设置有第二弹簧。
11.进一步地，所述滑动杆的顶部设置有硅胶垫，所述硅胶垫的下侧对应所述压力采集杆设置有盖帽，所述盖帽套设在所述压力采集杆的顶端。
12.进一步地，所述薄膜压力传感器上任意两个采集点之间的距离小于30毫米。
13.本发明的另一个目的在于提供一种3d打印集成系统，包括上述所述的体表轮廓数据快速获取系统，以及软件控制系统和3d打印机，所述体表轮廓数据快速获取系统和3d打印机分别与软件控制系统连接。
14.进一步地，所述软件控制系统包括数据采集模块、数据管理模块、建模切片模块和打印控制模块；所述数据采集模块，用于检测所述薄膜压力传感器上每个采集点的电阻值，并发送至所述建模切片模块；所述数据管理模块，用于录入患者的信息，并发送至所述建模切片模块；所述建模切片模块，用于根据所述电阻值和所述患者信息，转换成点云数据，并拟合成三维面片；根据所述三维面片生成支具打印模型；对所述支具打印模型切片，并转化成3d打印机的执行代码；将所述执行代码发送至所述打印控制模块；所述打印机控制模块，用于根据所述执行代码控制所述3d打印机打印本发明的体表轮廓数据快速获取系统提供了一种简单、方便、高效的体表轮廓数据的获取方式，可以实现傻瓜式操作，非常简便、快捷，且扫描数据全面准确，避免出现人员扫描培训周期长、扫描过程中存在信号丢失、扫描数据不全、扫描软件操作不当等问题。
15.本发明的3d打印集成系统，能够简化体表数据获取过程，简化支具模型设计过程，加快支具3d打印过程，降低设备操作人员专业性要求，同时满足临床医生和患者对支具时效性、专业性的要求。
附图说明
16.图1为本发明的体表轮廓数据快速获取系统的整体结构示意图；图2为机箱的结构示意图；图3为本系统机箱内部分的结构示意图；图4为压力采集杆的结构示意图；图5为导管内部结构示意图；图6为滑动杆限位装置的结构示意图；图7为图6的爆炸图；图8为机箱的另一视图；
图9为机箱的另一视图；图10 为本系统的电子元器件的组成结构示意图；上述图中：1-机箱；101-滑槽；102-第二弹簧；2-薄膜压力传感器；3-压力采集杆；301-滑动杆；302-导管；303-第一弹簧；304-弹簧垫块；305-凸台；4-底座；5-信号采集板；6-微型电脑；7
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滑动杆限位装置；701-滑动杆限位板；702-滑动杆限位盖；8-硅胶垫；9-支架；10-万向轮；11-电源；12-显示屏；13-usb数据线。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
18.现有技术中，在患者体表数据的获取过程中经常会存在如下问题，比如：患者的体表数据获取需要专门的工程师使用专业的三维扫描仪进行扫描，普通人在使用三维扫描仪时，经常会出现人员扫描培训周期长、扫描过程中存在信号丢失、扫描数据不全、扫描软件操作不当等问题。
19.为了解决上述问题，本发明提供一种体表轮廓数据快速获取系统，如图1所示，包括机箱1和压力采集装置。
20.如图2所示为机箱1的结构，机箱1整体大致为正方体状，上部开口，其侧部设置有凸起，用于放置控制电脑、电源等电子元器件。
21.如图3所示，压力采集装置包括薄膜压力传感器2和若干压力采集杆3，其中，薄膜压力传感器2为矩阵式多点传感器，其原理是通过压力来改变电阻值。薄膜压力传感器2的厚度应小于1毫米，可以保证测量数据的精度的同时，有效减轻设备的重量。设置时，机箱1内侧底部设置有底座4，底座4上均匀设置有孔，薄膜压力传感器2设置在底座4下侧，其采集点与底座4上的孔一一对应。在一个具体的实施例中，底座4通过底座固定板固定在机箱1内侧底部，薄膜压力传感器2设置在底座固定板上，位于底座4的正下方。
22.如图4所示为单个压力采集杆3的结构示意图，如图5所示为导管302内的结构示意图，压力采集杆3包括滑动杆301和导管302，导管302的一端固定在底座4的孔内，滑动杆301的一端设置在导管302内，与导管302内的第一弹簧303连接，第一弹簧303的另一端连接有弹簧垫块304，滑动杆301、第一弹簧303和弹簧垫块304能够沿导管302滑动。在一个具体的实施例中第一弹簧303、导管302和滑动杆301的长度在20mm~200mm范围内。
23.在具体设置时，底座4上的孔与压力采集杆2一一对应。底座4上的孔为沉头孔，孔的上端孔径大，下端孔径小，上端用于安放导管302，下端孔内安放弹簧垫块304，导管302内径与底座4的孔的下端孔径相同，保证第一弹簧303和弹簧垫块304在往复运动过程中不会受到干扰。
24.在一个具体的实施例中，压力采集装置包括1024根压力采集杆3，组成了32*32的采集阵列，薄膜压力传感器2上的采集点与压力采集杆3一一对应，也为矩阵式排列，可以有效的保证数据测量范围和测量精度。薄膜压力传感器2上任意两个压力测量节点间的距离应该小于30毫米，可以根据患者的年龄段以及被测部位的体积大小，设置合适的间距。
25.该系统压力数据的获取方式是，滑动杆301受到压力，通过第一弹簧303将压力传
输到薄膜压力传感器2上。当有物体放在滑动杆301上时，物体受重力的原因或者给物体施加一点压力，便会导致与物体表面接触的滑动杆301向下移动，第一弹簧303产生压缩。被压缩的第一弹簧303，将力作用到弹簧垫块304上，弹簧垫块304在第一弹簧303被压缩时，与薄膜压力传感器2上的采集点相接触，从而传输到薄膜压力传感器2上。本发明的体表轮廓数据快速获取系统主要用于获取四肢的轮廓信息，通过系统中滑动杆位移量的变化来快速获取人体表面轮廓的三维数据。使用时，将需要采集轮廓的部位放置在压力采集杆3的顶端，此时滑动杆301受到压力，第一弹簧303被压缩，滑动杆301沿着导管302向下移动。滑动杆301受到的压力越大，第一弹簧303被压缩的越小，也就是滑动杆301向下移动的距离越大。由于肢体表面轮廓高低不同，与肢体体表接触的滑动杆301向下移动的距离也不同。向下移动距离大的滑动杆301向弹簧垫块304传递的压力大，向下移动距离小的滑动杆301向弹簧垫块304传递的压力小，不同的压力经薄膜压力传感器2转化为不同的电阻数据，后端软件采集电阻数据，根据收集到的数据得到肢体体表轮廓数据。
26.本发明提供了一种简单、方便、高效的体表轮廓数据的获取方式，可以实现傻瓜式操作，非常简便、快捷，且扫描数据全面准确，避免出现人员扫描培训周期长、扫描过程中存在信号丢失、扫描数据不全、扫描软件操作不当等问题。
27.进一步地，如图5所示，滑动杆301的底端均设置有凸台305，凸台305远端外径小，近端外径大，第一弹簧303的一端套设在凸台305上。
28.为了保证压力采集杆3受到压力时能够垂直于薄膜压力传感器2运动，如图6和7所示，压力采集装置还包括滑动杆限位装置7，滑动杆限位装置7包括滑动杆限位板701和滑动杆限位盖702，滑动杆限位盖702扣合在滑动杆限位板701上，滑动杆限位板701和滑动杆限位盖702上均对应滑动杆301设置有孔，滑动杆301贯穿滑动杆限位板701和滑动杆限位盖702。滑动杆限位装置7用于引导滑动杆301上下运动，可以有效保证滑动杆301的运动方向相对于薄膜压力传感器2平面的垂直，防止在设备使用时滑动杆301倾斜导致的测量误差。
29.进一步地，滑动杆限位板701上的孔的内径等于滑动杆301的外径，小于凸台303的近端外径。使得滑动杆301在导管302中可以上下自由滑动，而不会脱离导管302，起到限制滑动杆301位移量的作用。
30.同时，为了防止滑动杆限位装置4阻碍滑动杆301沿导管302上下运动，同时设置滑动杆限位装置7能够沿机箱1的内壁上下滑动，如图8和9所示，机箱1内壁的四个内角处均设置有滑槽101，对应滑动杆限位盖702的四个端角处均设置有滑块7021，滑块7021设置在滑槽101内，滑块7021和滑槽101底部之间设置有第二弹簧402。通过滑块7021与滑槽101的配合，可以在滑动杆301的行程过长时，滑动杆限位装置7也向下运动，避免了对滑动杆301的阻碍，保证了压力采集的准确性。此外，滑槽101的顶端设置有阻挡装置，防止滑块7021从滑槽101中脱出。
31.在一个实施例中，初始状态时，滑动杆限位装置7位于滑动杆301的中间位置，当滑动杆301的位移量小于滑动杆301长度的一半时，滑动杆限位装置7不会随着滑动杆301的移动而移动；当滑动杆301的位移量超过滑动杆301长度的一半时，滑动杆限位装置7会随着滑动杆301的移动而向下移动。
32.进一步地，如图3所示，压力采集杆3的顶部设置有硅胶垫8，硅胶垫8的下侧对应压力采集杆3设置有盖帽，盖帽套设在压力采集杆3的顶端。通过在压力采集杆3的顶部设置硅
胶垫8，和人体皮肤直接接触，通过硅胶垫8与皮肤的接触，来减小数据测量时人体表面皮肤的变形，增加与人体表面皮肤的摩擦力，也可增强数据之间的连续性，增加数据测量的准确性。
33.为了适应不同身高病人使用该系统采集体表轮廓数据，机箱1的底部设置有可调节高度的支架9，可以根据需要调整系统的高度，以匹配不同的使用场景。该支架9可设置成电动式，实现自动调节。同时为了方便体表轮廓数据快速获取系统的移动，支架9的底部设置有万向轮10，优选为福马轮。
34.如图10所示，该体表轮廓数据快速获取系统还包括采集板5和微型电脑6，薄膜压力传感器2与信号采集板5电连接，通常采用排线与信号采集板5连接，信号采集板5与微型电脑6电连接。此外，获取系统还包括电源11、显示屏12以及usb数据线13等，这些元器件与微型电脑6和信号采集板5都放置在机箱1侧部设置的凸起内。其中电源11为其余各部分供电，例如可选用5v电源供电，其中5v电源可以是220v转5v电源适配器或5v输出的移动电源。信号采集板5、显示屏12以及usb数据线13均与微型电脑6电连接。其中，信号采集板5上含有单片机、多路复用器、传感器接口、电源模块及其它电子元器件。而微型计算机包含主板、显示器、摄像头、移动网络模块等。显示屏12上设置有控制电动升降装置的触控按钮，和控制信号采集的触控按钮等。
35.在本发明的另一个实施例中提供一种3d打印集成系统，包括上述实施例所述的体表轮廓数据快速获取系统，以及软件控制系统和3d打印机，所述体表轮廓数据快速获取系统和3d打印机分别与软件控制系统连接。
36.基于微型电脑6、信号采集板5等硬件的支持，所述软件控制系统包括数据采集模块、数据管理模块、建模切片模块和打印控制模块；所述建模切片模块，用于根据所述电阻值和所述患者信息，转换成点云数据，并拟合成三维面片；根据所述三维面片生成支具打印模型；对所述支具打印模型切片，并转化成3d打印机的执行代码；将所述执行代码发送至所述打印控制模块；所述数据采集模块，用于检测所述薄膜压力传感器上每个采集点的电阻值，并发送至所述建模切片模块。数据采集模块位于信号采集板5的单片机内，用来检测薄膜压力传感器阵列每个单元的电阻值，并发送至建模切片模块。
37.所述数据管理模块，用于录入患者的信息，并发送至所述建模切片模块。例如，可设置数据管理模块通过扫描的方式扫描患者的挂号单上的条形码或者二维码，用于录入患者的信息以及医生要求等，确定患者的支具的制作部位，实现患者信息与建模数据的一一对应。
38.所述建模切片模块，用于根据所述电阻值和所述患者信息，转换成点云数据，并拟合成三维面片；根据所述三维面片生成支具打印模型；对所述支具打印模型切片，并转化成3d打印机的执行代码；将所述执行代码发送至所述打印控制模块。
39.建模切片模块，主要是接收患者肢体放在系统一上时产生的数据，将其转化为点云数据，然后再将点云数据通过函数拟合成三维面片，然后通过“加厚”命令，生成带有一定厚度的实体模型。最后选择“图案”和“打孔”命令，“图案”命令中含有“花瓣”、“树叶”、“艺术图案”等设计好的图形，该命令可以在支具上生成带个性图案的孔，起到镂空和美观的效果，同时还可以生成固定孔，用于后期支具佩戴时使用。最后通过“切片”命令生成3d打印机
可以执行的gcode代码，可以控制支具如何摆放，设置打印速度、打印层厚、打印温度等参数。同时也可以模拟打印，预判打印时间，材料使用等情况。
40.所述打印机控制模块，用于根据所述执行代码控制所述3d打印机打印。
41.打印机控制模块，可以根据gcode控制快速3d打印机打印，可以控制打印机的温度设置，喷头的位置移动，材料的挤进、挤出等，最终实现支具的快速3d打印。
42.3d打印机，为支具快速3d打印机，属于支具快速打印的定制3d打印机，与传统3d打印机的不同之处在于，该打印机为“多进一出”打印机，即多个进料机构，一个出料口，此出料口喷嘴直径为大直径喷嘴，同时辅助使用冷却模块给喷嘴降温。在支具打印的时候，是多个进料机构同时进料，并在料腔中汇集，通过加热模块进行集中加热，然后经单一大口径喷嘴统一出料。同时在喷嘴处增加两个风扇，风扇的出风口正对着喷嘴，以便打印出的模型快速冷却。该结构主要是通过增加打印层厚和增加出料量来提升模型整体的打印速度。
43.上述3d打印集成系统，能够简化体表数据获取过程，简化支具模型设计过程，加快支具3d打印过程，降低设备操作人员专业性要求，同时满足临床医生和患者对支具时效性、专业性的要求。
44.在一个具体的实施例中，以腕关节支具3d打印为例，进行说明：首先，用条码扫描设备扫描患者的挂号单，用于录入患者的信息，包括患者支具的制作部位、医生要求等，然后将患者手腕放置在体表轮廓数据快速获取系统的滑动杆301头端，滑动杆301的头端装有硅胶套7，手腕皮肤表面与硅胶套7直接接触，硅胶套7起到防止手腕表面皮肤变形的作用。当手腕放在滑动杆301上时，手腕受到重力作用会往下移动，因为手腕表面形状高低不平，使得滑动杆301的位移量存在一定的差异，此时的滑动杆301存在高低不平的现象。滑动杆301会将所受到的力，通过第一弹簧303传输到弹簧垫块304上，弹簧垫块304与薄膜压力传感器2直接接触，从而可以将滑动杆301的位移量传导到薄膜压力传感器2上。至此，手腕表面的外形数据通过滑动杆301、第一弹簧303、弹簧垫块304传导到薄膜压力传感器2上。薄膜压力传感器2再通过排线将测量到数据传输到信号采集板5的数据采集模块上，信号采集板5通过各个电子元器件将滑动杆301的位移量等物理信号转化为电信号，并将转换后的电信号数据通过数据线传输到数据管理模块上。当数据管理模块读取到患者腕关节的数据后，患者即可挪开手腕，此时患者端所需要的操作已经完成，剩下工作需要工作人员在控制软件中进行操作。简单理解就是患者只需要把扫描部位放到体表轮廓数据快速获取系统上，待控制软件读取到体表数据后，再将扫描部位移出即可。工作人员需要在控制软件上按照软件提示内容进行简单操作，即可生成患者腕关节支具三维模型。然后工作人员再通过控制软件将模型数据切片处理，生产执行代码，发送到打印机控制模块控制3d打印机进行打印。当打印完成后，工作人员只需进行简单的后处理操作，即可获得支具成品，为患者进行佩戴。以上便是一种支具体表数据快速获取和快速3d打印集成系统的使用流程。
45.应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。