所设计的3D可打印多边形网格模型的锋利凹形边缘的相加式平滑的制作方法

本公开涉及多边形网格模型，并且更具体地涉及所设计的3D可打印多边形网格模型上的锋利凹形边缘的相加式平滑。

背景技术：

个性化医用设备是已经定制以符合特定患者的解剖结构（anatomy）的设备。个性化医用设备可以具有各种各样的使用并且可以设计用于作为工具、硬件、植入物、假肢等使用在患者身体内部和外部。

该技术当前被使用并且具有极大潜力使用在医用领域中，诸如矫形术、牙科医术、心脏病学、听力学、足部医疗、外科手术等。

3D打印机增强的可用性已经使得个性化医用设备的现场制备可更加容易地获得。用于制造个性化医用设备的过程通常包括技术员手动地编辑医用设备的计算机辅助设计（CAD）以符合特定患者的解剖结构。在已经如此编辑CAD之后，可以将其发送给3D打印机，该打印机可以能够依照所编辑的设计快速地创建设备，而不必等待原本可能的数周。

技术实现要素：

用于设计个性化医用设备的方法包括接收医用设备的模板设计。获取包括患者解剖学几何形状的图像。所接收的医用设备的模板设计与所获取的包括患者解剖学几何形状的图像组合以创建定制医用设备设计。将组合图像显示给用户。从用户接收指示定制医用设备设计内存在的锋利凹形边缘的位置的一个或多个种子点。涵盖锋利凹形边缘的感兴趣区使用从用户接收的一个或多个种子点在定制医用设备设计内自动地标识。在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑以在感兴趣区内垫衬定制医用设备设计的厚度。从经表面平滑的定制医用设备设计获得模型。

所接收的医用设备的模板设计可以是三维多边形网格模型。

所接收的医用设备的模板设计是计算机辅助设计（CAD）模型。

计算机断层扫描（CT）扫描仪可以用于获取包括患者的解剖学几何形状的图像，并且所获取的图像是CT扫描。

一个或多个布尔算子可以用于组合所接收的医用设备的模板设计与所获取的包括患者解剖学几何形状的图像。

用户可以提供指示锋利凹形边缘的位置的两个种子点，该两个种子点包括位于锋利凹形边缘的一侧上的第一种子点以及位于锋利凹形边缘的相对侧上的第二种子点。

自动地标识涵盖锋利凹形边缘的感兴趣区可以包括标识从第一种子点到感兴趣区的顶部和底部边界的最短路径，标识从第二种子点到感兴趣区的顶部和底部边界的最短路径，以及将感兴趣区标识为第一种子点的最短路径与第二种子点的最短路径之间的区域。

在自动地标识感兴趣区之后，可以为用户提供通过添加/移除来自感兴趣区的区段或者通过选择一个或多个替换种子点来修改感兴趣区的机会。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括执行一个或多个网格光顺技术。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括执行一个或多个边缘混合技术。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括执行一个或多个球体拟合技术。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括迭代地执行相加式混合和球体拟合。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括执行凹形顶点的膨胀。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括应用使用局部主曲率值检测局部锋利区的各向异性离散滤波器公式化并且利用平滑算法将不同量的能量最小化应用于感兴趣区内的不同局部区。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括执行基于平均曲率流的平滑以保留局部特征。

在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑可以包括向定制医用设备设计的离散表面应用双边滤波器以对其表面进行降噪而同时保留锋利特征。

从经表面平滑的定制医用设备设计获得的模型可以是3D可打印网格模型。

从经表面平滑的定制医用设备设计获得的模型可以是3D打印的。

用于制造个性化医用设备的方法包括接收医用设备的模板设计。可以获取包括患者解剖学几何形状的图像。所接收的医用设备的模板设计与所获取的包括患者解剖学几何形状的图像组合以创建定制医用设备设计。使用从用户接收的一个或多个种子点在定制医用设备设计内标识涵盖锋利凹形边缘的感兴趣区。在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑以在感兴趣区内垫衬定制医用设备设计的厚度。经表面平滑的定制医用设备设计是3D打印的。

计算机系统包括处理器和非暂时性的有形程序存储介质，其由计算机系统可读取并且体现由处理器可执行以实施用于设计个性化医用设备的方法步骤的指令程序。方法包括接收医用设备的模板设计。获取包括患者解剖学几何形状的图像。所接收的医用设备的模板设计与所获取的包括患者解剖学几何形状的图像组合以创建定制医用设备设计。使用从用户接收的一个或多个种子点在定制医用设备设计内标识涵盖锋利凹形边缘的感兴趣区。在感兴趣区内执行定制医用设备设计的表面平滑以在感兴趣区内垫衬定制医用设备设计的厚度。

附图说明

将容易地获得本公开及其许多随附方面的更完整领会，因为本公开及其许多随附方面通过在结合随附各图考虑时对以下详细描述的参照而变得更好理解，其中：

图1是图示了依照本发明的示例性实施例的所获取的患者几何形状和所设计的模型的组合的图；

图2是图示了依照本发明的示例性实施例的用于创建个性化医用设备的方案的流程图；

图3是图示了依照本发明的示例性实施例的用于创建个性化医用设备的系统的示意图；

图4A-4C是图示了依照本发明的示例性实施例的3D多边形模型的部分和用于标识该模型的锋利/凹形边缘区段的方案的图形描绘；以及

图5示出了根据本公开的实施例的能够实现方法和装置的计算机系统的示例。

具体实施方式

在描述附图中图示的本公开的示例性实施例的过程中，出于清楚起见而采用特定术语。然而，本公开不意图限于如此选择的特定术语，并且要理解到，每一个特定元素包括以类似方式操作的所有技术等同物。

本发明的示例性实施例试图提供用于设计和制造个性化医用设备的系统和方法。这些个性化医用设备可以从CAD模型制备，该模型可以是3D多边形网格模型。模板模型可以依照患者的精确解剖学几何形状进行修改并且这种经修改的模型然后可以使用3D打印机制备。

患者的解剖学几何形状可以使用医用成像设备（诸如计算机断层扫描（CT）扫描仪、核磁共振成像仪（MRI））来获取，或者从使用C臂安装的x射线设备从不同角度获取的多个2D图像来获取。因为个性化医用设备还可能放置在患者身体外部（例如作为用于设定骨折手臂的铸件（cast）），所以成像设备（诸如立体数字相机、3D激光扫描仪等）可以用于获取3D患者几何形状。解剖学几何形状在此之后可以并入针对所构造的医用设备而设计的CAD模型中。该组合可以使用布尔运算或者其它可用措施来执行。

然而，使用布尔运算来组合所获取的患者几何形状与所设计的模型可能引起（例如在两个形状的结合处的）锋利凹形边缘。图1是图示了依照本发明的示例性实施例的所获取的患者几何形状和所设计的模型的组合的图。在该图中，形状11表示所设计的模型。尽管要理解到，本发明的示例性实施例设想到使用3D形状并且特别地3D设计模型，但是图1的形状以2D图示以用于提供简单且清楚的解释的目的，并且要理解到，尽管该方案可以意图以2D形状来执行，但是本发明的示例性实施例可以以3D形状来执行。

如可以在图1中看出，所设计的模型11可以具有带直线和预设曲线（deliberate curve）的相当规则的形状。这与形状12形成对照，形状12表示（例如通过获得患者的数字扫描的方式）已经获取的解剖学几何形状的片段。解剖学几何形状12可以具有带许多曲线的更加非规则的形状。

甚至在解剖学几何形状12和所设计的模型11都不具有锋利边缘的情况下，表示为形状13的组合3D多边形网格模型可以实际地具有一个或多个锋利和/或凹形边缘（特别地在使用布尔算子执行组合的情况下）。区域14高亮一个这样的锋利/凹形边缘。

医用设备中的锋利和/或凹形边缘可能呈现数个挑战。例如，医用设备的结构整体性在制备或使用期间可能受损。实际上，锋利/凹形边缘可以创建医用设备中的狭窄区段，该狭窄区段可以充当制造和/或使用期间的压力点并且可以引起设备在压力点处断开。这在3D打印过程期间是特别关心的，在3D打印过程中所制备的结构可能变得受压。

本发明的示例性实施例尝试以便于平滑掉和垫衬其锋利/凹形边缘的这种方式来修改组合3D多边形网格模型。因为形状的平滑可能引起凹形场所处的设备厚度的增大或减少，所以本发明的示例性实施例试图通过在该区被平滑时向设备添加附加材料来增大这些区段处的设备厚度。以该方式，设备据称被垫衬。如可以在图1中看到，经平滑和垫衬的3D多边形网格模型13'不再看起来在区域14'中易受破裂和断裂。如此修改的3D多边形网格模型然后可以以减少的断裂风险来3D打印和利用。

本发明的示例性实施例可以使用一个或多个网格光顺技术以平滑和垫衬锋利/凹形区。网格光顺相对边缘混合技术可能是优选的，边缘混合技术也可以用于平滑过渡，因为边缘混合可能较不适于3D多边形模型。然而，因为一些边缘混合技术可能适配用于3D多边形模型，所以本发明的示例性实施例可以可替换地或者附加地使用边缘混合技术来平滑和垫衬锋利/凹形区。

网格光顺技术可以是基于几何形状流。这样的技术可以将网格平滑问题限定为能量最小化问题，诸如曲率、梯度、表面积或体积。基于几何形状流的网格光顺技术的一个示例是基于拉普拉斯的平滑算法。在其最简单的公式化中，拉普拉斯平滑将原始网格的顶点再定位到其一个环形邻居的质心。最大和最小主曲率之和的积分可以用作能量最小化。根据另一个示例，弹簧模型可以用于最小化用于生成更加斑斑点点外观的几何形状的曲率能量的变化。

然而，因为这些网格光顺技术可能导致诸如锋利边缘或高曲率区的原始几何形状的重要精细细节的丢失和过多能量丢失，所以本发明的示例性实施例可以利用各向异性离散过滤器公式化，其使用局部主曲率值以检测局部锋利区。基于这些检测结果，所使用的平滑算法可以向不同局部区应用不同数量的最小化。基于平均曲率流的平滑也可以用于更好地保留局部特征。

可以使用的网格光顺技术的其它示例是频谱方法，其可以从图像处理域被适配。此处双边滤波器可以应用于网格模型的离散表面以对表面降噪而同时保留锋利特征。具有大于几千个的数目的顶点的网格的特征向量的高效计算可以通过使用多元谐波基函数（Manifold Harmonic Basis Function）在网格上计算类傅里叶（Fourier like）变换并且然后在该变换上应用带通滤波而实现。

可以使用的网格光顺技术的其它示例是基于优化的技术，其提供某种平滑度质量而同时最小化不同能量函数。此处，拉普拉斯平滑可以与优化组合以增加网格质量。例如，拉普拉斯网格优化是基于最小平方网格，其中平滑没有迭代地应用，而是在一个步骤中通过求解线性方程组来计算。这种公式化可以保留拉普拉斯坐标并且引入位置软约束以保留局部特征。

不管所使用的方案如何，本发明的示例性实施例都可以基于再定位原始对象的顶点而实现网格光顺或增加的质量。

图2是图示了依照本发明的示例性实施例的用于创建个性化医用设备的方案的流程图。图3是图示了依照本发明的示例性实施例的用于创建个性化医用设备的系统的示意图。尽管所描述的方案关于创建个性化医用设备来构造，但是要理解到，本文中描述的用于移除多边形网格模型中的锋利/凹形边缘的技术可以更一般地应用于各种各样的使用。

首先，可以接收计算机辅助设计（CAD）（步骤S21）。CAD可以表示用于医用设备的设计，该设计关于特定患者是通用的。CAD可以由设计师在计算机工作台31处手动设计并且存储在数据库中以用于随后使用。CAD可以是表述用于医用设备的通用形状的多边形网格模型。

可以扫描患者以获取患者的解剖学几何形状（步骤S22）。如上文所讨论，CT扫描仪可以用于该目的。在此之后，所接收的CAD和患者的扫描可以组合以产生组合的3D多边形网格模型，其表示已经定制用于特定患者的解剖学几何形状的医用设备的实现（步骤S23）。CAD和患者的扫描的组合可以使用图形处理计算机33来执行，图形处理计算机33可以是与用于生成CAD文件的计算机工作站31相同的计算机或者不同的计算机。

CAD和患者扫描可以使用布尔建模操作来组合。在此之后，如上文所述，一个或多个锋利/凹形边缘可以存在于组合模型中。然后可以为用户呈现组合模型并且提示用户选择种子点（步骤S24）。图4A-4C是图示了依照本发明的示例性实施例的3D多边形模型的部分和用于标识其锋利/凹形边缘区段的方案的图形描绘。如在图4A中可以看到，用户可以标识两个种子点，第一种子点P1位于凹形边缘区的一侧上并且第二种子点P2位于凹形边缘区的相对侧上。然后，如可以在图4B中看到的，可以自动地确定种子点和边界之间的最短路径（利用箭头图示的最短路径）。然后，如可以在图4C中看到的，可以自动地确定两个最短路径的对应末端之间的最短路径（利用白线图示的对应末端之间的路径）。在此之后，如可以在图4D中看到的，可以将锋利/凹形边缘的区自动地标识（步骤S25）为图4C的对应末端之间的路径和图4B的最短路径内的区域（利用对角白线图示的所检测的区）。

相应地，可以通过路径追踪和区生长而自动地标识表示其中找到锋利/凹形边缘的区的感兴趣区（步骤S25），如上文所讨论。例如，如在图4A-4D中所示，从用户选择的点平行于边缘追踪路径并且直至达到锋利边界边缘为止。感兴趣区然后可以填充在所追踪的路劲和锋利边缘之间。在该阶段处，可以提示用户编辑自动标识的区的机会（例如通过添加或移除多边形或者通过经由编辑初始种子点中的一个或二者来再发起区检测）。

表面平滑然后可以在自动标识的感兴趣区域内执行（步骤S26）。依照本发明的示例性实施例，表面平滑可以使用相加式边缘混合来执行。在相加式边缘混合中，被标记为凹形区的三角形可以使用对感兴趣区中的顶点平滑和局部球体拟合的组合而修改。

在执行局部球体拟合中，顶点可以修改成使得其大概位于拟合到其局部邻域的球体上。因此可以找到顶点位置以满足以下三个等式中的每一个：

此处，C表示具有半径r的球体的中心，N是顶点法线并且P是顶点位置。

如果局部球体采用线性最小平方方式，则局部球体拟合问题可以通过计算中心和半径来求解。三个等式可以针对每一个顶点的一个环形邻域中的每一个顶点来表述并且球体中心和半径可以分配给这些顶点。该线性最小平方系统可以图示为尺寸为3n x 4的以下矩阵A，其中X是4 x 1矩阵并且B是3n x 1矩阵（其中n是一个环形邻域中的邻居数目）：

。

为了求解该线性最小平方系统，可以使用等式和期望的解。在找到局部球体的中心和半径后，可以基于该局部球体上的每一个顶点的投射来计算膨胀力。以下等式可以用于投射和膨胀力计算。此处因子μ可能影响用于每一个顶点的膨胀量。例如，可以使用2%的膨胀而获得令人满意的结果。然而，用户可以调节该参数以增大膨胀量：

。

平滑可以用于创建边缘和相邻区之间的高质量过渡。以下等式可以用于计算平滑力和最终相加式混合力：

。

除平滑之外可以使用相加式混合以补救感兴趣区内的锋利/凹形边缘。所使用的相加式混合工具可以是以迭代方式应用的基于顶点平均化的平滑和基于局部球体拟合的膨胀的组合。此外，膨胀可以应用于凹形顶点，诸如在膨胀期间沿向外法线方向移动的那些顶点。两个权重可以用于平衡作用于每一个顶点上的力的量。权重w_inflation可以用于控制扩展凹形顶点的膨胀量。另一个权重w_smoothing可以用于控制平滑的效果。以下等式可以用于计算最终相加式混合力：

。

在自动标识的感兴趣区内已经执行表面平滑（步骤S26）之后，可以将经平滑的3D多边形网格模型发送给3D打印机34以用于3D打印（步骤S27）。

以上步骤的管理可以在使用计算机系统的情况下执行。计算机系统可以准许。

图5示出了可以实现本公开的方法和系统的计算机系统的示例。本公开的系统和方法可以以运行在计算机系统（例如大型机、个人计算机（PC）、手持式计算机、服务器等）上的软件应用的形式实现。软件应用可以存储在通过计算机系统本地可访问并且经由到网络的硬接线或无线连接可访问的记录介质上，所述网络例如为局部网或互联网。

一般称为系统1000的计算机系统可以例如包括中央处理单元（CPU）1001、随机存取存储器（RAM）1004、打印机接口1010、显示单元1011、局域网（LAN）数据传送控制器1005、LAN接口1006、网络控制器1003、内部总线1002以及一个或多个输入设备1009（例如键盘、鼠标等）。如所示的，系统1000可以经由链路1007连接到数据存储设备，例如硬盘1008。

本文描述的示例性实施例是说明性的，并且可以引入许多变化而不脱离于本公开的精神或者随附权利要求的范围。例如，在本公开和随附权利要求的范围内，不同示例性实施例的元素和/或特征可以彼此组合和/或替换彼此。