[發明專利]一種脊柱側彎矯形器數字化設計方法

有效

• 申請號: 201810831960.0
• 申請日: 2018-07-26
• 公開（公告）號: CN109191580B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 武力;關天民;周偉
• 申請（專利權）人: 大連交通大學
• 主分類號: G16H50/50
• 分類號: G16H50/50;G06T17/00;G06T17/20;G06T5/00;G06T7/10;A61F5/01
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 高永德;李洪福

1.一種脊柱側彎矯形器數字化設計方法,其特征在于：包括以下步驟：

S1:采用激光三維掃描儀獲取脊柱側彎外形輪廓點云數據信息；

S2:采用半徑離散點刪除算法對點云數據進行濾波去燥處理，采用三維體素柵格算法對點云數據進行下采樣降低密度的處理，采用高通濾波算法對點云數據進行分割處理；

S3:對經過S2處理后的點云數據采用條件濾波算法進行數據提取，采用比例變換、旋轉變換和位移變換的方式對點云數據進行坐標轉換，采用移動最小二乘法算法對點云數據進行上采樣處理；

采用比例變換、旋轉變換和位移變換的方式對點云數據進行坐標轉換時，其中位移變換原理公式：

比例變換原理公式：

沿X軸旋轉變換原理公式：

沿Y軸旋轉變換原理公式：

沿Z軸旋轉變換原理公式：

其中：上述公式中各參數含義如下：x'、y'、z'表示變換后的點云數據坐標值，x、y、z表示待變換的點云數據坐標值，l_x、l_y、l_z分別代表需要平移變換的點云數據沿x、y、z三個方向的平移量，S_x、S_y、S_z分表代表比例變換的點云數據沿x、y、z三個方向的比例，αβγ分別代表相應旋轉變換的角度值；

采用移動最小二乘法算法對點云數據進行上采樣處理具體采用如下方式：

確定超平面H，任取采樣平面附近一點r，其在超平面H上的投影為q，取一點p_i∈Ω，其中Ω為采樣的點云數據集，計算p_i與q之間的距離f_i，利用最小誤差原理計算擬合多項式g(x_i,y_i)中的各項系數，得到g(x_i,y_i)的表達方程，其原理見公式6-12：

H＝{x|n,x-D＝0,x∈Ω}?(公式6)

q＝r+tn?(公式8)

f_i＝n·(p_i-q)?(公式10)

h＝||p_i-q||?(公式12)

其中t為搜索半徑，n為經過r的平面h的單位法向量，α為高斯權函數系數，N為迭代次數；

S4:根據隱式曲面創建算法創建基于矯形器點云數據的初始矯形器曲面，采用如下方式：

通過隱式函數的零水平面集來表示物體的表面，其算法原理表達式見公式13-15：

V(f)＝{p∈IR³|f(p)＝0}?(公式13)

其中：IR³為點云數據集，p為IR³中的任意一點，T_p(x_i)為IR³中x_i點的定向切平面，為T_p(x_i)的法向量，Nbhd(x_i)為x_i鄰近點的點云數據集，y表示Nbhd(x_i)中的任意點，o_i為Nbhd(x_i)的質心，T_p(x_i)和o_i均由設定x_i的鄰近點云數據個數自動決定，該過程創建的是初始的脊柱側彎矯形器模型，是指未設置伸展空間和張口的矯形器模型；

S5:對初始矯形器曲面進行光順和裁剪處理，完成矯形器伸展空間和張口的設置，設計出個性化的脊柱側彎矯形器；

對初始矯形器曲面進行光順處理時采用如下方式：

將曲面網格用離散的面片和對應的法向量進行表示形成離散曲面信號，然后設置低通濾波中的信號截斷頻率處理離散曲面信號，進而將某頂點移動到相應鄰近點的中心處，達到曲面光順的效果,該算法的原理方程見公式16-20；

x'＝f_N(k)x?(公式16)

ω_n＝0.54+0.46cos(nπ/(N+1))?(公式18)

其中：N為迭代次數，θ_PB為設置的截斷頻率對應的唯一解，x'為變換后的頂點坐標，x為原始頂點坐標值；矯形器曲面的裁剪是指依據脊柱側彎矯形原理，設置矯形器的伸展空間與張口，其算法首先定義裁剪使用的裁剪器，設置球心坐標和球半徑等參數定義球裁剪器，用于伸展空間的設置，或設置圓柱的旋轉中心軸和旋轉半徑定義圓柱裁剪器，用于張口的設置，然后將設置的裁剪器與待裁剪曲面求交，得到裁剪后的曲面模型。