[發明專利]一種參數化人體假肢骨骼建模方法

在審

• 申請號: 201810062425.3
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108280881A
• 公開（公告）日: 2018-07-13
• 發明（設計）人: 羅睿;李亮
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G06T17/20
• 分類號: G06T17/20
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;孫楠

本發明涉及一種參數化人體假肢骨骼建模方法，其步驟：先將掃描圖片導入到圖像處理軟件中清除了圖像外圍的噪聲，然后根據骨骼和皮膚的吸收密度不同，分別提取出骨骼和皮膚的部分；將重建的皮膚部分生成三維文件，導入到有限元建模軟件中；通過樣條插值方法，先均勻取點，再由這些點樣條插值生成曲線段，對線段均分后得到所需的標志點；以GHBMC人體模型為基準模型，對基準模型的肢體部分與導入的肢體部分進行標志點的選??；將基準模型依次進行平移、旋轉、放縮至導入肢體的位置；將變換后的基準模型進一步投影到導入肢體表面；對所有CT數據處理得到有限元模型，進行主成分分析和線性回歸分析，建立參數化人體假肢骨骼模型，進而得到殘缺肢體的外觀形態。

技術領域

本發明涉及一種人體假肢建模方法，特別是關于一種參數化人體假肢骨骼建模方法。

背景技術

在現有技術中，針對存在肢體缺陷的殘疾人，假肢主要起到支撐與執行的功能。比如，現有的下假肢主要有兩個大類：足式助行假肢和平臺式助行假肢。足式助行假肢是指人體的重量全部由假肢承擔，平臺式助行假肢是指人體的重量通過放置于假肢外圍的桁架和假肢共同承擔。

在進行假肢及助力裝置的設計時，往往忽視了對象的體型與外在特征，僅僅保證實現驅動和助行的功能，沒有考慮外觀以及假肢和人體的適配。在對殘疾人越來越友好的社會里，除了相關基礎設施的建設，使殘疾人在外觀上不那么“與眾不同”，保障殘疾人群體的尊嚴也是非常重要的問題。此外，目前大部分服裝主要針對四肢健全的人體設計，如果搭配外觀不協調的假肢，殘疾人在穿著時也不能保證比較好的效果。

由于設計的難度與計算上的限制，人體假肢往往只有幾種尺寸，對于社會殘疾人群體而言，這些尺寸顯然不足。更重要的是，符合設計尺寸的成年人體往往相對健康，也處在壯年，并不是各類傷害事故的主要受害人群。相對于平均身高的年輕男性，兒童、矮小女性、老人和肥胖者是更易受傷害并遭受殘疾的人群，因此需要充分考慮殘疾人群體中體型和身材組成的多樣性，實現更加人性化、定制化、同時低成本的假肢設計。

此外，許多身體上的細節，如上肢假肢中的手骨架、手指等，也沒有在現有假肢中得到體現。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種參數化人體假肢骨骼建模方法，能夠覆蓋更為廣泛的人體屬性，最大程度地拓寬假肢產品所適用的人群。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種參數化人體假肢骨骼建模方法，其特征在于包括以下步驟：1)根據醫院采集的大量人體上下肢的CT掃描數據，在醫學圖像處理軟件中進行幾何重塑；先將掃描圖片導入到圖像處理軟件中清除了圖像外圍的噪聲，然后根據骨骼和皮膚的吸收密度不同，分別提取出骨骼和皮膚的部分；2)將重建的皮膚部分生成三維文件，導入到有限元建模軟件中；然后在有限元建模軟件中通過樣條插值方法，先均勻取點，再由這些點樣條插值生成曲線段，對線段均分后得到所需的標志點；3)在有限元建模軟件中，以GHBMC人體模型為基準模型，對基準模型的肢體部分與導入的肢體部分進行標志點的選取，標志點的位置一一對應；4)在確定標志點的基礎上，進行RBF變換，將基準模型依次進行平移、旋轉、放縮至導入肢體的位置；5)將變換后的基準模型進一步投影到導入肢體表面，實現外觀幾何的充分貼合；6)對所有CT數據重復上述步驟，得到大量變換、投影后的有限元模型，將這些有限元模型的數據進行主成分分析和線性回歸分析，進而建立起參數化人體假肢骨骼模型，通過該模型得到殘缺肢體的外觀形態。

進一步，所述步驟3)中，標志點的選取方法：先確定上下肢上的人體解剖學點；然后在每兩個解剖學點之間均勻連續地大量取點，并采用樣條插值的方法，通過取得的點建立平滑的樣條曲線；最后對樣條曲線均分取點，作為確定的標志點。

進一步，所述步驟5)中，幾何外觀的充分貼合實現過程如下：5.1)通過基準模型和CT成像上的標志點，以及RBF-morphing的方式，將基準模型映射到CT成像的對應位置處；5.2)將映射之后基準模型的上層幾何投影到CT成像的幾何上，保證了肢體的關節部位完全貼合。