一种脊柱侧弯矫形器数字化设计方法与流程

本发明涉及穿戴医疗器械设计领域，尤其涉及一种脊柱侧弯矫形器数字化设计方法。

背景技术：

脊柱侧弯常见于少年或者女性，部分原因归结于不良的坐姿，如，身体长期呈扭曲姿势，而脊柱侧弯可能引发脊椎病、颈项肌痉挛等疾病，影响心肺功能，以致影响发育等。一般20度以内的特发性脊柱侧凸，可先不予治疗，进行严密观察，如果每年加重超过5度，则应进行支具治疗，首诊30度～40度的青少年特发性脊柱侧弯，应立即进行支具治疗，因为这一组病人60％以上会发展加重；而现有脊柱侧弯矫正器理疗效果不好，是因为矫形器的设计多使用传统的设计方法，存在效率低、石膏材料浪费严重甚至会对患者造成二次灼伤的现象。

技术实现要素：

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种脊柱侧弯矫形器数字化设计方，该方法根据脊柱侧弯患者外形轮廓点云数据无需制造患者身体模型，直接从三维层面进行矫形器设计的目的，具体方案包括以下步骤：

s1:采用激光三维扫描仪获取脊柱侧弯外形轮廓点云数据信息；

s2:采用半径离散点删除算法对点云数据进行滤波去燥处理，采用三维体素栅格算法对点云数据进行下采样降低密度的处理，采用高通滤波算法对点云数据进行分割处理；

s3:对经过s2处理后的点云数据采用条件滤波算法进行数据提取，采用比例变换、旋转变换和位移变换的方式对点云数据进行坐标转换，采用移动最小二乘法算法对点云数据进行上采样处理；

s4:根据隐式曲面创建算法创建基于矫形器点云数据的初始矫形器曲面；

s5:对初始矫形器曲面进行光顺和裁剪处理，完成矫形器伸展空间和张口的设置，设计出个性化的脊柱侧弯矫形器。

进一步的，所述采用半径离散点删除算法对点云数据进行滤波去燥处理的具体方式为：首先确定点云数据中的一点，并以该点为球心设置球半径，若相邻点距离该点的距离小于球半径，则该点被认为内部点，否则被认为是杂质点；

采用三维体素栅格算法对点云数据进行下采样处理的方式为：依据输入的点云数据创建自定义的三维体素栅格，将每个体素栅格内的所有点都用该体素内的点集的重心近似替代，降低点云数据的数量；

采用高通滤波算法对点云数据进行分割处理的方式为：选定一个分割方向，设置待分割的点云数据坐标值区间，其中区间内的点云数据即为分割操作得到的数据。

进一步的，采用条件滤波算法对点云数据进行数据提取采用如下方式：选择待变形点云数据的中心点，以该点为几何中心建立条件滤波器的条件模型，将设置的条件模型输入至条件滤波器中，其中条件模型内的点即为待提取的点云数据。

进一步的，采用比例变换、旋转变换和位移变换的方式对点云数据进行坐标转换时，其中位移变换原理公式：

比例变换原理公式：

沿x轴旋转变换原理公式：

沿y轴旋转变换原理公式：

沿z轴旋转变换原理公式：

其中：上述公式中各参数含义如下：x'、y'、z'表示变换后的点云数据坐标值，x、y、z表示待变换的点云数据坐标值，lx、ly、lz分别代表需要平移变换的点云数据沿x、y、z三个方向的平移量，sx、sy、sz分表代表比例变换的点云数据沿x、y、z三个方向的比例，αβγ分别代表相应旋转变换的角度值。

进一步的，采用移动最小二乘法算法对点云数据进行上采样处理具体采用如下方式：

确定超平面h，任取采样平面附近一点r，其在超平面h上的投影为q，取一点pi∈ω，其中ω为采样的点云数据集，计算pi与q之间的距离fi，利用最小误差原理计算拟合多项式g(xi，yi)中的各项系数，得到g(xi，yi)的表达方程，其原理公式见公式6-12：

h＝{x|<n,x>-d＝0,x∈ω}(公式6)

q＝r+tn(公式8)

fi＝n·(pi-q)(公式10)

h＝||pi-q||(公式12)

其中t为搜索半径，n为经过r的平面h的单位法向量，α为高斯权函数系数，n为迭代次数。

进一步的，根据隐式曲面创建算法创建基于矫形器点云数据的初始矫形器曲面采用如下方式：

通过隐式函数的零水平面集来表示物体的表面，其算法原理表达式见公式13-15：

v(f)＝{p∈ir³|f(p)＝0}(公式13)

其中：ir³为点云数据集，p为ir³中的任意一点，tp(xi)为ir³中xi点的定向切平面，为tp(xi)的法向量，nbhd(xi)为xi邻近点的点云数据集，y表示nbhd(xi)中的任意点，oi为nbhd(xi)的质心，tp(xi)和oi均由设定xi的邻近点云数据个数自动决定，该过程创建的是初始的脊柱侧弯矫形器模型，是指未设置伸展空间和张口的矫形器模型。

进一步的，所述对初始矫形器曲面进行光顺处理时采用如下方式：

将曲面网格用离散的面片和对应的法向量进行表示形成离散曲面信号，然后设置低通滤波中的信号截断频率处理离散曲面信号，进而将某顶点移动到相应邻近点的中心处，达到曲面光顺的效果,该算法的原理方程见公式16-20

x'＝fn(k)x(公式16)

ωn＝0.54+0.46cos(nπ/(n+1))(公式18)

其中：n为迭代次数，θpb为设置的截断频率对应的唯一解，x'为变换后的顶点坐标，x为原始顶点坐标值；矫形器曲面的裁剪是指依据脊柱侧弯矫形原理，设置矫形器的伸展空间与张口，其算法首先定义裁剪使用的裁剪器，设置球心坐标和球半径等参数定义球裁剪器，用于伸展空间的设置，或设置圆柱的旋转中心轴和旋转半径定义圆柱裁剪器，用于张口的设置，然后将设置的裁剪器与待裁剪曲面求交，得到裁剪后的曲面模型。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种脊柱侧弯矫形器数字化设计方法，该方法充分结合了脊柱侧弯矫形原理，无需构建阳模，更不会给患者带来二次灼伤，且直接从三维层面上处理脊柱侧弯患者外形轮廓点云数据采用一系列的计算机算法从而完成矫形器设计的数字化设计，提高了脊柱侧弯矫形器设计的效率、安全性和可靠性，因此该方法可以得到广泛的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请中记载的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明脊柱侧弯矫形器数字化设计方法的流程图。

图2为本发明中采用半径离散点删除算法的示意图；

图3为本发明中三维体素栅格算法的示意图；

图4为本发明中高通滤波算法对点云数据进行分割处理的示意图；

图5为本发明中条件滤波算法的示意图；

图6为本发明中球裁剪器的裁剪原理示意图；

图7为本发明中圆柱裁剪器的裁剪原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1所示的一种脊柱侧弯矫形器数字化设计方法，包含脊柱侧弯患者外形轮廓点云数据的获取、点云数据预处理(点云数据滤波、下采样与分割)、点云数据后处理(点云数据提取、坐标变换、拼接和上采样)、曲面预处理(曲面创建)、曲面后处理(曲面光顺与裁剪)等。具体包括以下步骤：

s1:利用激光三维扫描仪获取脊柱侧弯外形轮廓点云数据，其中激光三维扫描仪扫描的点云数据扫描范围起于正位站立时腋窝下侧，止于与骶骨锥面平行的平面。

s2:采用半径离散点删除算法对点云数据进行滤波去燥处理，采用三维体素栅格算法对点云数据进行下采样降低密度的处理，采用高通滤波算法对点云数据进行分割处理。

进一步的，点云数据的滤波、点云数据的下采样和点云数据的分割具体方式为：其中点云数据的滤波是采用半径离散点删除算法，目的是滤除原始数据中因操作和环境造成的噪点，其原理是首先确定点云数据中的一点，并以该点为球心设置球半径，若相邻点距离该点的距离小于球半径，则该点被认为内部点，否则被认为是杂质点，具体原理如图1所示；点云数据的下采样是采用三维体素栅格算法，目的是在保持原始点云数据结构的前提下，降低点云数据的密度，提高矫形器的设计效率，其算法原理是依据输入的点云数据创建自定义的三维体素栅格(如设置自定义尺寸的长方体体素栅格)，然后将每个体素栅格内的所有点都用该体素内的点集的重心近似替代，从而降低数据量，实现对大量数据的下采样处理，其原理如图2所示；点云数据的分割是采用高通滤波算法，其目的是将点云数据分为胸腔部位、腰部和盆骨部位三块点云数据，便于点云数据的提取操作，也有助于提高点云数据的处理效率其原理是选定一个分割方向(即选择x、y和z方向中的任一方向)，然后设置滤波器的分割区间(即设置待分割的点云数据坐标值区间，如选取x方向作为分割方向，该区间则指两个分割界点的x坐标值组成的分割区间)，区间内的点云数据即为分割操作得到的数据，具体见图3。

s3:对经过s2处理后的点云数据采用条件滤波算法进行数据提取，采用比例变换、旋转变换和位移变换的方式对点云数据进行坐标转换，采用移动最小二乘法算法对点云数据进行上采样处理；

进一步的，点云数据的后处理是指点云数据的提取、点云数据的坐标变换和点云数据的上采样。其中点云数据的提取是采用条件滤波算法，其目的是提取待变形的点云数据，其算法原理是选择待变形点云数据的中心点，以该点为几何中心建立条件滤波器的条件模型(如长方体等)，并将设置的条件模型输入至条件滤波器中，模型内的点即为待提取的数据，具体见图4；点云数据的坐标变换包含比例变换、旋转变换和位移变换，目的是在特定的部位，通过该操作达到施加矫形压力的目的，其原理如公式1-5。

位移变换原理公式：

比例变换原理公式：

沿x轴旋转变换原理公式：

沿y轴旋转变换原理公式：

沿z轴旋转变换原理公式：

其中：上述公式中各参数含义如下：x'、y'、z'表示变换后的点云数据坐标值，x、y、z表示待变换的点云数据坐标值，lx、ly、lz分别代表需要平移变换的点云数据沿x、y、z三个方向的平移量，sx、sy、sz分表代表比例变换的点云数据沿x、y、z三个方向的比例，αβγ分别代表相应旋转变换的角度值；点云数据的上采样是采用移动最小二乘法算法，其目的是提高点云数据的密度，为创建良好的初始脊柱侧弯矫形器模型奠定基础，其算法原理首先确定超平面h，任取采样平面附近一点r，其在超平面h上的投影为q，然后取一点pi∈ω(ω为采样的点云数据集)，计算pi与q之间的距离fi，最后利用最小误差原理计算拟合多项式g(xi，yi)中的各项系数，得到g(xi，yi)的表达方程，其原理公式见公式6-12。

h＝{x|<n,x>-d＝0,x∈ω}(公式6)

q＝r+tn(公式8)

fi＝n·(pi-q)(公式10)

h＝||pi-q||(公式12)

其中t为搜索半径，n为经过r的平面h的单位法向量，α为高斯权函数系数，n为迭代次数。

s4:根据隐式曲面创建算法创建基于矫形器点云数据的初始矫形器曲面；

进一步的，依据矫形器点云数据的矫形器曲面创建，矫形器曲面创建采用的是一种隐式曲面创建算法其算法原理是通过隐式函数的零水平面集来表示物体的表面，其算法原理表达式见公式13-15：

v(f)＝{p∈ir³|f(p)＝0}(公式13)

其中：ir³为点云数据集，p为ir³中的任意一点，tp(xi)为ir³中xi点的定向切平面，为tp(xi)的法向量，nbhd(xi)为xi邻近点的点云数据集，y表示nbhd(xi)中的任意点，oi为nbhd(xi)的质心，tp(xi)和oi均由设定xi的邻近点云数据个数自动决定，该过程创建的是初始的脊柱侧弯矫形器模型，是指未设置伸展空间和张口的矫形器模型。

s5:对初始矫形器曲面进行光顺和裁剪处理，完成矫形器伸展空间和张口的设置，设计出个性化的脊柱侧弯矫形器。

进一步的，矫形器曲面的光顺和裁剪处理的具体操作是：矫形器曲面的光顺是指针对创建的初始矫形器曲面，光滑其粗糙的部分，进而提高曲面的表面质量，窗口sinc函数算法的基本原理是将曲面网格用离散的小面片和对应的法向量进行表示，形成离散曲面信号，然后设置低通滤波中的信号截断频率处理离散曲面信号，进而将某顶点移动到相应邻近点的中心处，达到曲面光顺的效果,该算法的原理方程为：

x'＝fn(k)x(公式16)

ωn＝0.54+0.46cos(nπ/(n+1))(公式18)

其中：n为迭代次数，θpb为设置的截断频率对应的唯一解，x'为变换后的顶点坐标，x为原始顶点坐标值；矫形器曲面的裁剪是指依据脊柱侧弯矫形原理，设置矫形器上的伸展空间和矫形器的张口，其算法首先定义裁剪使用的裁剪器(设置球心坐标和球半径等参数定义球裁剪器，用于伸展空间的设置，或设置圆柱的旋转中心轴和旋转半径定义圆柱裁剪器，用于张口的设置)，然后将设置的裁剪器与待裁剪曲面求交，得到裁剪后的曲面模型。其中球裁剪器的裁剪原理和圆柱裁剪器的裁剪原理分别如图5和图6所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。