一种参数化人体假肢骨骼建模方法技术

本发明专利技术涉及一种参数化人体假肢骨骼建模方法，其步骤：先将扫描图片导入到图像处理软件中清除了图像外围的噪声，然后根据骨骼和皮肤的吸收密度不同，分别提取出骨骼和皮肤的部分；将重建的皮肤部分生成三维文件，导入到有限元建模软件中；通过样条插值方法，先均匀取点，再由这些点样条插值生成曲线段，对线段均分后得到所需的标志点；以GHBMC人体模型为基准模型，对基准模型的肢体部分与导入的肢体部分进行标志点的选取；将基准模型依次进行平移、旋转、放缩至导入肢体的位置；将变换后的基准模型进一步投影到导入肢体表面；对所有CT数据处理得到有限元模型，进行主成分分析和线性回归分析，建立参数化人体假肢骨骼模型，进而得到残缺肢体的外观形态。

【技术实现步骤摘要】
一种参数化人体假肢骨骼建模方法
本专利技术涉及一种人体假肢建模方法，特别是关于一种参数化人体假肢骨骼建模方法。
技术介绍
在现有技术中，针对存在肢体缺陷的残疾人，假肢主要起到支撑与执行的功能。比如，现有的下假肢主要有两个大类：足式助行假肢和平台式助行假肢。足式助行假肢是指人体的重量全部由假肢承担，平台式助行假肢是指人体的重量通过放置于假肢外围的桁架和假肢共同承担。在进行假肢及助力装置的设计时，往往忽视了对象的体型与外在特征，仅仅保证实现驱动和助行的功能，没有考虑外观以及假肢和人体的适配。在对残疾人越来越友好的社会里，除了相关基础设施的建设，使残疾人在外观上不那么“与众不同”，保障残疾人群体的尊严也是非常重要的问题。此外，目前大部分服装主要针对四肢健全的人体设计，如果搭配外观不协调的假肢，残疾人在穿着时也不能保证比较好的效果。由于设计的难度与计算上的限制，人体假肢往往只有几种尺寸，对于社会残疾人群体而言，这些尺寸显然不足。更重要的是，符合设计尺寸的成年人体往往相对健康，也处在壮年，并不是各类伤害事故的主要受害人群。相对于平均身高的年轻男性，儿童、矮小女性、老人和肥胖者是更易受伤害并遭受残疾的人群，因此需要充分考虑残疾人群体中体型和身材组成的多样性，实现更加人性化、定制化、同时低成本的假肢设计。此外，许多身体上的细节，如上肢假肢中的手骨架、手指等，也没有在现有假肢中得到体现。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种参数化人体假肢骨骼建模方法，能够覆盖更为广泛的人体属性，最大程度地拓宽假肢产品所适用的人群。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种参数化人体假肢骨骼建模方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据医院采集的大量人体上下肢的CT扫描数据，在医学图像处理软件中进行几何重塑；先将扫描图片导入到图像处理软件中清除了图像外围的噪声，然后根据骨骼和皮肤的吸收密度不同，分别提取出骨骼和皮肤的部分；2)将重建的皮肤部分生成三维文件，导入到有限元建模软件中；然后在有限元建模软件中通过样条插值方法，先均匀取点，再由这些点样条插值生成曲线段，对线段均分后得到所需的标志点；3)在有限元建模软件中，以GHBMC人体模型为基准模型，对基准模型的肢体部分与导入的肢体部分进行标志点的选取，标志点的位置一一对应；4)在确定标志点的基础上，进行RBF变换，将基准模型依次进行平移、旋转、放缩至导入肢体的位置；5)将变换后的基准模型进一步投影到导入肢体表面，实现外观几何的充分贴合；6)对所有CT数据重复上述步骤，得到大量变换、投影后的有限元模型，将这些有限元模型的数据进行主成分分析和线性回归分析，进而建立起参数化人体假肢骨骼模型，通过该模型得到残缺肢体的外观形态。进一步，所述步骤3)中，标志点的选取方法：先确定上下肢上的人体解剖学点；然后在每两个解剖学点之间均匀连续地大量取点，并采用样条插值的方法，通过取得的点建立平滑的样条曲线；最后对样条曲线均分取点，作为确定的标志点。进一步，所述步骤5)中，几何外观的充分贴合实现过程如下：5.1)通过基准模型和CT成像上的标志点，以及RBF-morphing的方式，将基准模型映射到CT成像的对应位置处；5.2)将映射之后基准模型的上层几何投影到CT成像的几何上，保证了肢体的关节部位完全贴合。进一步，所述步骤5.1)中，利用空间点的位置关系，利用最小二乘法实现最优映射。进一步，所述步骤5.2)中，投影过程：首先求待投影面在每个节点处的法向量，然后求各法向量与目标面的交点；将待投影面的每个节点的坐标替换为各个交点坐标，得到投影后的面。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本专利技术采用的参数化人体模型能够代表更为广泛的人体属性，最大程度地拓宽假肢所能够保护的残疾人人群。在面向具体对象的研究中，利用参数化人体模型，可以针对具有不同特征的目标群体自动地进行基于人口的模拟，从而克服现有安全设计方法的不足，充分考虑人体几何和生物力学的变化性，实现更加合理高效、高匹配度的设计。2、本专利技术采用手动取点与样条插值自动取点相结合的取标志点的过程，并将RBF-morphing变换和mapping投影相结合，实现比较好的模型重塑，以及CT生成STL文件与有限元模型外观几何的恰当贴合，从而使假肢的外观几何尽可能准确。3、本专利技术由各个有限元模型不同点处的坐标、厚度，结合对应个体的人体参数(身高、年龄、BMI、健全肢体的长度和关节处最大宽度(如果有))进行普氏分析，主成分分析和线性回归分析，得到变换方程，从而建立起参数化模型。最后实现向参数化模型中输入服务客户的身高、年龄、BMI以及健全肢体的长度以及关节处最大宽度(如果没有健全肢体，输入前三个参数即可)，便可得到一个较为准确且外观正常的三维肢体。之后与3D打印技术配合，便能得到需要的假肢。附图说明图1是本专利技术的整体流程示意图；图2是本专利技术变换后的基准模型投影到导入肢体表面的方法流程示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细的描述。如图1所示，本专利技术提供一种参数化人体假肢骨骼建模方法，其包括以下步骤：1)根据医院采集的大量人体上下肢的CT扫描数据，在医学图像处理软件中进行几何重塑；先将扫描图片导入到图像处理软件中清除了图像外围的噪声，然后根据骨骼和皮肤的吸收密度(huvalue)不同，分别提取出骨骼和皮肤的部分；2)将重建的皮肤部分生成三维文件，导入到有限元建模软件中；然后在有限元建模软件中通过样条插值方法，先均匀取点，再由这些点样条插值生成曲线段，对线段均分后得到所需的标志点；3)在有限元建模软件中，以GHBMC人体模型为基准模型，对基准模型的肢体部分与导入的肢体部分进行标志点的选取，标志点的位置一一对应；标志点的选取方法：先确定上下肢上的人体解剖学点；然后在每两个解剖学点之间均匀连续地大量取点，并采用样条插值的方法，通过取得的点建立平滑的样条曲线；最后对样条曲线均分取点，作为确定的标志点。4)在确定标志点的基础上，进行RBF变换，将基准模型依次进行平移、旋转、放缩至导入肢体的位置；5)将变换后的基准模型进一步投影到导入肢体表面，实现外观几何的充分贴合；如图2所示,几何外观的充分贴合实现过程如下：5.1)通过基准模型和CT成像上的标志点，以及RBF-morphing的方式，将基准模型映射到CT成像的对应位置处。其中，RBF-morphing为现有成熟技术，具体实现方法是利用空间点的位置关系，利用最小二乘法实现最优映射。之所以说“映射”，是因为这一步不仅仅是线性的平移、旋转和放缩，还包括了二次拟合等过程。如果选取的标志点足够多，那么单凭RBF-morphing这一步，就可以实现外观几何的近似贴合。但是标志点过多会造成取点这一步工作量过大、可重复性下降，故还需要进行步骤5.2)做mapping投影处理。5.2)将映射之后基准模型的上层几何投影到CT成像的几何上，从而保证了肢体的关节部位完全贴合；投影过程：首先求待投影面在每个节点处的法向量，然后求各法向量与目标面的交点。将待投影面的每个节点的坐标替换为各个交点坐标，即可得到投影后的面。通过步骤5.1)和5.2)两个步骤相结合，可以实现比较好的模型重塑与外观贴合。6)对所有CT数据重复上述步骤，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种参数化人体假肢骨骼建模方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据医院采集的大量人体上下肢的CT扫描数据，在医学图像处理软件中进行几何重塑；先将扫描图片导入到图像处理软件中清除了图像外围的噪声，然后根据骨骼和皮肤的吸收密度不同，分别提取出骨骼和皮肤的部分；2)将重建的皮肤部分生成三维文件，导入到有限元建模软件中；然后在有限元建模软件中通过样条插值方法，先均匀取点，再由这些点样条插值生成曲线段，对线段均分后得到所需的标志点；3)在有限元建模软件中，以GHBMC人体模型为基准模型，对基准模型的肢体部分与导入的肢体部分进行标志点的选取，标志点的位置一一对应；4)在确定标志点的基础上，进行RBF变换，将基准模型依次进行平移、旋转、放缩至导入肢体的位置；5)将变换后的基准模型进一步投影到导入肢体表面，实现外观几何的充分贴合；6)对所有CT数据重复上述步骤，得到大量变换、投影后的有限元模型，将这些有限元模型的数据进行主成分分析和线性回归分析，进而建立起参数化人体假肢骨骼模型，通过该模型得到残缺肢体的外观形态。

【技术特征摘要】
1.一种参数化人体假肢骨骼建模方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据医院采集的大量人体上下肢的CT扫描数据，在医学图像处理软件中进行几何重塑；先将扫描图片导入到图像处理软件中清除了图像外围的噪声，然后根据骨骼和皮肤的吸收密度不同，分别提取出骨骼和皮肤的部分；2)将重建的皮肤部分生成三维文件，导入到有限元建模软件中；然后在有限元建模软件中通过样条插值方法，先均匀取点，再由这些点样条插值生成曲线段，对线段均分后得到所需的标志点；3)在有限元建模软件中，以GHBMC人体模型为基准模型，对基准模型的肢体部分与导入的肢体部分进行标志点的选取，标志点的位置一一对应；4)在确定标志点的基础上，进行RBF变换，将基准模型依次进行平移、旋转、放缩至导入肢体的位置；5)将变换后的基准模型进一步投影到导入肢体表面，实现外观几何的充分贴合；6)对所有CT数据重复上述步骤，得到大量变换、投影后的有限元模型，将这些有限元模型的数据进行主成分分析和线性回归分析，进而建立起参数化人体假肢骨骼模型，通过该模型得到残缺肢体的外观形态。2.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗睿，李亮，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11