本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程及假肢康復(fù)，尤其涉及大腿殘肢的數(shù)字建模、編輯以及定制化假肢接受腔的設(shè)計。

背景技術(shù)：

1、下肢截肢會造成嚴(yán)重的身體殘疾，據(jù)世界衛(wèi)生組織估計，全世界大約有4000萬截肢者，并且由于人口老齡化以及相應(yīng)的糖尿病和血管疾病發(fā)病率上升，這一數(shù)字預(yù)計還會增加。假肢提供了一種解決方案來減少這些殘疾的負面影響，試圖盡可能地恢復(fù)截肢者正常的功能和自主性。

2、一個兼具功能性和舒適性的假肢接受腔往往是決定整體假肢成功與否的關(guān)鍵因素。鑒于假肢的平均使用時間為每天10小時，因此對使用者而言，一個合適的假肢接受腔必須確保有效的安裝、適當(dāng)?shù)呢撦d和控制的穩(wěn)定性。功能失常的假肢設(shè)備可能導(dǎo)致摩擦、不穩(wěn)定和上下往復(fù)運動，進而給患者帶來疼痛和皮膚刺激，或在行走時引發(fā)嚴(yán)重的不適感，從而不愿意佩戴假肢設(shè)備。

3、目前的假肢接受腔設(shè)計制造過程包括多達7個步驟。在設(shè)計階段，對接受腔適配性的評估主要依賴于對步態(tài)的表現(xiàn)和殘端皮膚刺激的視覺檢查，以及患者對舒適感的口頭反饋。然而，這種定性方法無法提供殘肢和腔壁之間界面受力的詳細情況，需要具備非常強的臨床經(jīng)驗來捕捉適配性差的微妙指標(biāo)。如果假肢醫(yī)師未能檢測到界面壓力分布的錯誤或殘端與接受腔之間的不良耦合，這可能在接受腔完成后的幾天或幾周內(nèi)通過皮膚損傷的形式顯現(xiàn)。

4、當(dāng)前的假肢接受腔制作方法需要經(jīng)歷大量嘗試，采用不同的假肢腔套筒技術(shù)、材料和幾何形狀等來改善套筒的貼合度，但其有效性仍然難以保證。按照目前的制作方式，制作一個合適的假肢接受腔通常需要數(shù)周乃至數(shù)月的時間。而且一旦患者殘肢的尺寸發(fā)生變化，就需要重新設(shè)計和制造新的接受腔。因此，對假肢接受腔設(shè)計和制造過程的改進迫在眉睫，以提高制作效率、準(zhǔn)確性，并更好地滿足患者的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明申請實施例的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種數(shù)字化和柔性壓力傳感器結(jié)合的大腿假肢接受腔優(yōu)化制造方法，包含了數(shù)字化和柔性壓力傳感器結(jié)合的大腿假肢接受腔設(shè)計和優(yōu)化。

2、本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是：

3、方法具體包括：

4、（1）大腿殘肢物理模型的數(shù)字化重建；

5、（2）對重建后的殘肢構(gòu)面數(shù)字模型進行空間標(biāo)定和尺寸校準(zhǔn)處理；

6、（3）對空間標(biāo)定和尺寸校準(zhǔn)后的殘肢構(gòu)面數(shù)字模型進行稀疏化處理，并進行編輯和優(yōu)化；

7、（4）將稀疏點云數(shù)字模型和假肢接受腔物理模型實現(xiàn)匹配的已有的帽檐、坐托的數(shù)字點云模型進行拼接，從而形成完整的大腿假肢數(shù)字模型；

8、（5）針對生成的大腿假肢數(shù)字模型，設(shè)置柔性壓力傳感器進行大腿假肢物理模型與假肢接受腔物理模型之間的壓力分析，并根據(jù)柔性壓力傳感器中的壓力情況調(diào)整假肢接受腔物理模型的局部片段厚度，進而生成外層表面形成雙面稀疏點云的假肢接受腔數(shù)字模型；

9、（6）將雙面稀疏點云的假肢接受腔數(shù)字模型轉(zhuǎn)換處理為三角形構(gòu)面的三維構(gòu)面模型，將最終的三維構(gòu)面模型輸入到打印機中進行3d打印。

10、進一步地，所述步驟（1）通過以下子步驟來實現(xiàn)：

11、（1.1）使用手機圍繞預(yù)先具有的大腿殘肢物理模型一圈拍攝視頻；

12、（1.2）將拍攝好的視頻導(dǎo)入數(shù)字模型生成軟件，并進行圖像提取、參數(shù)調(diào)整和對比，生成三維點云的粗糙模型；

13、（1.3）對粗糙模型進行優(yōu)化后獲得稀疏點云，進而去除環(huán)境噪點通過軟件內(nèi)置的點云上采樣算法轉(zhuǎn)換生成密集點云，并將密集點云轉(zhuǎn)換為三角形構(gòu)面構(gòu)成的殘肢構(gòu)面數(shù)字模型，殘肢構(gòu)面數(shù)字模型中設(shè)置有初始坐標(biāo)系。

14、所述步驟（1.3）中的優(yōu)化包括去除離群點、平滑處理等。

15、進一步地，所述步驟（2）通過以下子步驟來實現(xiàn)：

16、（2.1）針對殘肢構(gòu)面數(shù)字模型，使用stlread算法庫讀取殘肢構(gòu)面數(shù)字模型的三維模型文件，并將其中所有三角形構(gòu)面的各個頂點的坐標(biāo)歸納成各點坐標(biāo)集；

17、（2.2）根據(jù)各點坐標(biāo)集通過算法標(biāo)定建立殘肢構(gòu)面數(shù)字模型的模型整體中心點和頭部中心點，將中心點和頭部中心點之間連線作為殘肢構(gòu)面數(shù)字模型的x軸進而建立新坐標(biāo)系，進行平移處理；

18、（2.3）將殘肢構(gòu)面數(shù)字模型進行平移，并利用空間旋轉(zhuǎn)算法對殘肢構(gòu)面數(shù)字模型中的每個頂點進行矩陣相乘處理，按照新坐標(biāo)系的原點和x軸進行旋轉(zhuǎn)；

19、（2.4）在平移和旋轉(zhuǎn)過后的殘肢構(gòu)面數(shù)字模型基礎(chǔ)上，再和大腿殘肢物理模型進行比對和調(diào)整；

20、（2.5）在比對和調(diào)整過后的殘肢構(gòu)面數(shù)字模型基礎(chǔ)上，再和大腿殘肢物理模型進行比較和驗證。

21、所述步驟（2.2）具體為：

22、（2.2.1）以所有三角形構(gòu)面的所有頂點在初始坐標(biāo)系的?x、y、z?軸坐標(biāo)分別平均作為殘肢構(gòu)面數(shù)字模型的中心點，也作為新坐標(biāo)系的原點，即新原點；

23、隨后將每個三角形構(gòu)面的頂點在初始坐標(biāo)系下的原坐標(biāo)分別減去新坐標(biāo)系的原點坐標(biāo)獲得所有頂點的新坐標(biāo)，使得殘肢構(gòu)面數(shù)字模型從初始坐標(biāo)系的原點空間移動到新坐標(biāo)系的原點空間下；

24、（2.2.2）在獲得了殘肢構(gòu)面數(shù)字模型的中心點的坐標(biāo)后，再對殘肢構(gòu)面數(shù)字模型的頭部中心坐標(biāo)進行標(biāo)定，進而創(chuàng)建貫穿模型中心的新坐標(biāo)軸（新x軸）：

25、a.?對每個三角形構(gòu)面進行頂點判斷，找到頭部收斂區(qū)域：

26、取三角形構(gòu)面的三個頂點在初始坐標(biāo)系下的x軸坐標(biāo)均大于0且在初始坐標(biāo)系下的y軸坐標(biāo)均小于0的三角形構(gòu)面作為頭部收斂區(qū)域的三角形構(gòu)面；

27、b.?提取頭部收斂區(qū)域的三角形構(gòu)面的所有頂點到新坐標(biāo)系的原點之間的距離并進行排序：

28、c.?計算頭部收斂區(qū)域的中心坐標(biāo)：取按降序順序輸出距離前100個三角形構(gòu)面的頂點坐標(biāo)進行平均，得到頭部收斂區(qū)域的中心點；

29、d.?在新坐標(biāo)系的原點和頭部收斂區(qū)域的中心點之間建立連線作為新坐標(biāo)系的x軸，x軸正方向朝向頭部收斂區(qū)域的中心點，即新x軸方向從新坐標(biāo)系的原點出發(fā)朝向頭部收斂區(qū)域的中心點；再過新原點作垂直于新坐標(biāo)系的x軸兩個正交的方向分別作為y軸和z軸，從而構(gòu)建新坐標(biāo)系。

30、所述步驟（2.3）具體為：

31、對步驟（2.2）頭部收斂區(qū)域的中心點的坐標(biāo)作以下位置判斷和處理：

32、若xtop×ytop<0和ztop≥0，則設(shè)置對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

33、

34、若xtop×ytop<0和ztop<0，則設(shè)置對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

35、

36、若xtop×ytop≥0和ztop≥0，則設(shè)置對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

37、

38、若xtop×ytop≥0和ztop<0，則設(shè)置對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

39、

40、其中，rotatey表示繞y軸的單位旋轉(zhuǎn)矩陣，rotatez表示繞z軸的單位旋轉(zhuǎn)矩陣；θ表示三角形構(gòu)面頂點在初始坐標(biāo)系下的y軸坐標(biāo)映射到新坐標(biāo)系下的x軸上相對于新坐標(biāo)系的原點的夾角，β表示三角形構(gòu)面頂點在初始坐標(biāo)系下的z軸坐標(biāo)映射到新坐標(biāo)系下的x軸和y軸上相對于新坐標(biāo)系的原點的夾角。

41、上述夾角θ和β分別按照以下公式計算獲得：

42、θ=arctan(ytop/xtop)

43、β=arctan(ztop/(xtop2+ytop2)1/2)

44、以后利用兩個旋轉(zhuǎn)矩陣對每個三角形構(gòu)面上的頂點坐標(biāo)進行旋轉(zhuǎn)處理：

45、( x n 、y n 、z n)=(?rotatey*(rotatez*(x',y',z')t))t

46、其中， x n 、y n 、z n表示三維空間旋轉(zhuǎn)后，第n個頂點的三維坐標(biāo)；n表示為頂點索引，n=?1,2,...,n，n表示頂點的總數(shù)；x',y',z'表示旋轉(zhuǎn)前該點在新原點坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；t表示矩陣轉(zhuǎn)置。

47、所述步驟（2.4）具體為：

48、（2.4.1）實際測量大腿殘肢物理模型的主軸方向上的一端到另一端的長度距離作為長度 l real，沿主軸方向由粗到細選擇六個位置，在每個位置上測量周長，由周長擬合轉(zhuǎn)換為實際直徑，獲得六個位置各自的實際直徑 d 1? 至?d 6，并記錄六個位置分別到大腿殘肢物理模型頭部中心的沿主軸距離 l 1? 至?l 6；

49、（2.4.2）同時測量殘肢構(gòu)面數(shù)字模型中沿新坐標(biāo)系的x軸的最大坐標(biāo) x max和最小坐標(biāo) x min之間的長度差 l model；

50、（2.4.3）按照比例系數(shù)=真實模型長度/點云模型長度計算獲得比例系數(shù) coef；

51、（2.4.4）對于每個三角形構(gòu)面上的頂點坐標(biāo)（ x n ,?y n ,?z n），根據(jù)比例系數(shù)對殘肢構(gòu)面數(shù)字模型中的所有三角形構(gòu)面的頂點坐標(biāo)均進行放大處理得到匹配大腿殘肢物理模型后的頂點坐標(biāo)。

52、所述步驟（2.5）具體為：

53、（2.5.1）根據(jù)大腿殘肢物理模型選取的沿主軸方向選擇的六個位置的沿主軸距離 l 1? 至?l 6，在殘肢構(gòu)面數(shù)字模型上找到到頭部收斂區(qū)域的中心點沿x軸距離分別相同對應(yīng)的六個x軸位置坐標(biāo) x 1? 至?x 6；

54、（2.5.2）對于殘肢構(gòu)面數(shù)字模型的每一個x軸位置坐標(biāo) x 1? 至?x 6，提取x軸位置在沿x軸方向的預(yù)設(shè)x軸誤差范圍附近內(nèi)所對應(yīng)的所有頂點坐標(biāo)，從中提取距新坐標(biāo)系的x軸最遠的一個頂點作為直徑點，取直徑點到x軸的距離作為當(dāng)前x軸位置的數(shù)字直徑；

55、將六個x軸位置的數(shù)字直徑與大腿殘肢物理模型測量的實際直徑 d 1至 d 6做相除進行對比獲得六個比較值 e 1? 至?e 6；

56、（2.5.3）將六個比較值 e 1? 至?e 6進行判斷，如果六個比較值 e 1? 至?e 6全部不大于預(yù)設(shè)的閾值，則回到步驟（1）重新拍攝視頻建立數(shù)字模型。

57、進一步地，所述步驟（3）通過以下子步驟來實現(xiàn)：

58、（3.1）在?x?軸和?yz?軸平面上依次對殘肢構(gòu)面數(shù)字模型進行切分分段，以匹配后續(xù)步驟（5）中柔性壓力傳感器系統(tǒng)的傳感單元的分布和壓力調(diào)整；

59、（3.2）對殘肢構(gòu)面數(shù)字模型按照x軸分段和yz軸平面分段進行調(diào)整和特定稀疏化，生成一個新的稀疏點云模型，用于后續(xù)結(jié)合柔性壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)進行壓力分析和局部調(diào)整。

60、所述步驟（3.1）具體為：

61、（3.1.1）先在x軸上進行切分：將殘肢構(gòu)面數(shù)字模型沿x軸方向上的長度平均分為預(yù)設(shè)的x軸分段數(shù)；

62、（3.1.2）后在yz軸平面上切分：

63、在x軸分段后，將殘肢構(gòu)面數(shù)字模型每個x軸分段內(nèi)的所有三角形構(gòu)面的頂點一起組成一個單元組，然后針對各單元組在yz軸平面上進行進一步切分；在yz軸平面上根據(jù)y軸和z軸分為四個象限區(qū)域，每個象限區(qū)域根據(jù)到中心原點的徑向角度均分為nyz個扇形區(qū)域作為yz軸分段區(qū)域，將每個單元組的所有頂點按照到中心原點的徑向角度劃分到48個yz軸分段區(qū)域中；

64、按照以下公式對各個單元組里面的所有頂點進行yz軸分段區(qū)域的判斷設(shè)置：

65、dp=ceil?((nyz×arctan?(z/y))/2π)

66、其中，z、y分別表示頂點在新坐標(biāo)系下的z、y坐標(biāo)值，nyz表示yz軸分段區(qū)域的分段數(shù)；dp表示頂點處于nyz個yz軸分段中的分段序數(shù)；ceil()表示向上取整。

67、所述步驟（3.2）具體為：

68、（3.2.1）對于殘肢構(gòu)面數(shù)字模型中的每個三角形構(gòu)面，對三角形構(gòu)面的三個頂點在新坐標(biāo)系下的坐標(biāo)進行三維平均獲得三角形構(gòu)面的平均中心點(xf,yf,zf)，以平均中心點作為稀疏點，由所有三角形構(gòu)面的稀疏點組建初步的稀疏點云數(shù)字模型；

69、（3.2.2）對稀疏點云數(shù)字模型進行調(diào)整，對于同一個x軸分段內(nèi)的所有平均中心點，尋找x軸分段內(nèi)與所有平均中心點最接近且垂直于x軸的橫向平面，并將各個平均中心點的?x?軸坐標(biāo)均調(diào)整為所述橫向平面的x軸坐標(biāo)值；

70、（3.2.3）進一步在各yz軸平面上進行坐標(biāo)的調(diào)整，使得在相同的yz軸平面分段上具有相同的yz軸平面坐標(biāo)斜率，實現(xiàn)與假肢接受腔物理模型內(nèi)柔性壓力傳感器系統(tǒng)的實際物理傳感單元相對應(yīng)。

71、進一步提取在每個同一個yz軸平面分段上的所有平均中心點組成一個點云合集，計算每個點云合集內(nèi)每個平均中心點的yz軸平面的坐標(biāo)斜率并進行平均作為yz軸平面分段的平均斜率，通過將平均斜率應(yīng)用于yz軸平面分段內(nèi)的所有平均中心點得到一條中心回歸線按照以下公式進行調(diào)整得到各個平均中心點在yz軸平面上 y j 、z j的新坐標(biāo)，從而形成最終的稀疏點云數(shù)字模型：

72、( y fnewi+ z fnewi)1/2=( y j +z j)1/2

73、 z j /y j =yz ai

74、其中， y fnewi 、z fnewi代表著第 i個yz軸平面分段中稀疏點的新y、z軸坐標(biāo)， y j 、z j分別代表著第 i個yz軸平面分段中第j個稀疏點的原y、z軸坐標(biāo)， yz ai表示第 i個yz軸平面分段的平均斜率。

75、進一步地，所述步驟（4）通過以下子步驟來實現(xiàn)：

76、（4.1）旋轉(zhuǎn)最終稀疏點云數(shù)字模型：由已有的帽檐、坐托的數(shù)字點云模型構(gòu)成了尾套點云模型，在計算機中三維旋轉(zhuǎn)最終稀疏點云數(shù)字模型，使其和尾套點云模型在空間中方位一致；

77、（4.2）將稀疏點云數(shù)字模型和由帽檐、坐托組成的尾套點云模型進行對齊和拼接融合，確保帽檐的邊緣與原模型無縫連接，形成整體結(jié)構(gòu)。

78、進一步地，所述步驟（5）具體為：

79、（5.1）首先在和大腿殘肢物理模型匹配的假肢接受腔物理模型內(nèi)部布置柔性壓力傳感器，使得其中傳感單元的分布與大腿假肢數(shù)字模型中稀疏點云數(shù)字模型的x軸分段和yz軸平面分段相對應(yīng)；

80、柔性壓力傳感器系統(tǒng)主要由多條柔軟的帶狀傳感器組成，帶狀傳感器沿主軸均勻分布在假肢接受腔物理模型的內(nèi)壁上；每一條帶狀傳感器的帶狀長度沿x軸方向布置，每一條帶狀傳感器主要由沿周向間隔均布的多個傳感單元組成，形成了一個密集感知結(jié)構(gòu)陣列；

81、（5.2）大腿殘肢物理模型插入到布置柔性壓力傳感器后的假肢接受腔物理模型中，由各個傳感單元記錄壓力數(shù)據(jù)；

82、（5.3）根據(jù)傳感單元的位置和大小，調(diào)整假肢接受腔的局部片段厚度：

83、（5.3.1）通過獲取傳感單元的位置和賭贏的壓力數(shù)據(jù)進行位置映射，映射到大腿假肢數(shù)字模型上；

84、（5.3.2）對記錄的壓力數(shù)據(jù)進行分析，將壓力大于預(yù)設(shè)壓力閾值的區(qū)域作為調(diào)整區(qū)域；

85、（5.3.3）將稀疏點云數(shù)字模型的調(diào)整區(qū)域中的稀疏點按照以下公式進行調(diào)整：

86、(yadjust+zadjust)1/2=(nadjust+1)×(yfnew+zfnew)1/2

87、yadjust/zadjust=?yfnew/zfnew

88、其中，nadjust是預(yù)設(shè)平均厚度，yadjust、zadjust分別是大腿假肢數(shù)字模型中稀疏點云數(shù)字模型的各個稀疏點修改過后的y軸、z軸坐標(biāo)，yfnew、zfnew分別表示大腿假肢數(shù)字模型中稀疏點云數(shù)字模型的稀疏點原有的y軸、z軸坐標(biāo)；

89、（5.3.4）對調(diào)整后的大腿假肢數(shù)字模型進行光滑處理；

90、（5.3.5）最后將當(dāng)前大腿假肢數(shù)字模型作為里層表面，在外面擴展生成一個外層表面，進而構(gòu)建雙面稀疏點云的假肢接受腔數(shù)字模型：

91、所述外層表面是通過按照以下公式增厚里層表面的厚度來實現(xiàn)：

92、(yshell+zshell)1/2=(nthick+1)×(yadjust+zadjust)1/2

93、yshell/zshell=?yadjust/zadjust

94、其中，nthick是模型預(yù)設(shè)厚度，yshell、zshell分別是假肢接受腔數(shù)字模型中生成的外層表面的各稀疏點的y軸、z軸坐標(biāo)。

95、本技術(shù)提供的技術(shù)方案可以包括以下有益效果：

96、（1）本發(fā)明提供了一種新型的大腿假肢接受腔的設(shè)計和制造方法。本創(chuàng)新方法結(jié)合數(shù)字化技術(shù)、柔性壓力傳感器和3d打印技術(shù)，采用手機拍攝殘肢視頻，生成殘肢數(shù)字化模型，進行大腿假肢接受腔設(shè)計和制作。

97、（2）本發(fā)明通過在檢測接受腔中配備多柔性壓力傳感器，利用柔性傳感單元與數(shù)字化皮膚上的點云單元相對應(yīng)，進行靜態(tài)和動態(tài)下肌肉受力的實時變化評估，為接受腔的優(yōu)化和調(diào)整提供了準(zhǔn)確的量化壓力和壓強信息，從而提供了假肢腔設(shè)計的科學(xué)的理論依據(jù)。

98、（3）本發(fā)明產(chǎn)生的數(shù)字模型，能夠調(diào)整接受腔的設(shè)計，并自動生成符合患者靜態(tài)和動態(tài)最佳需求的3d打印文件。最終實現(xiàn)對接受腔的快速3d打印，完成接受腔的個性化快速制造。

99、（4）本發(fā)明能夠在再次檢查時能夠快速適應(yīng)患者的生理變化。通過歷史數(shù)據(jù)和新生成的數(shù)據(jù)，迅速生成新接受腔，顯著縮短制作周期，為患者提供更為個性化和及時的康復(fù)解決方案。這一流程極大地減少了患者訪問醫(yī)院或診所的次數(shù)，為康復(fù)過程提供了更便捷和高效的支持。