CN110314028A - 一种个性化骨科外固定全自动3d打印的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，包括通过PC端主控台，将患者信息录入；在PC端主控台启动扫描，模型生成、打印方位调整、表面打孔、自动生成3D打印控制指令、输出每层的打印坐标信息、每层相邻线段夹角计算及输出、外固定打印，该方法自动化程度高，操作简单，简化设计流程，适用于临床医生用于异形打印头的骨科个性化外固定的3D实物打印。
Description
技术领域
本发明涉及医学技术领域，尤其涉及一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法。
背景技术
常见临床骨折患者外固定方式有石膏、小夹板和高分子化合物绷带。石膏具有可塑性，干燥后比较坚固，但是临床实践表明，石膏固定的肢体部位无法清洗，石膏固定可能会压迫血管，或局部压迫产生压疮；小夹板固定无法满足个性化需求，固定松紧程度需要医生的经验；高分子化合物绷带具有重量轻、硬度高、防水透气等优点，但操作过程比较繁琐，依旧依靠医生经验。随着3D打印在医学领域应用的不断发展，精准医疗成为趋势，但目前个性化外固定的设计复杂、打印时间长，无法满足临床治疗的即时性，因此，发明一种个性化骨科外固定全自动化、快速的3d打印方法。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，自动化程度高，操作简单。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，包括：
S1、通过PC端主控台，将患者信息录入；
S2、在PC端主控台启动扫描，或人工自动驱动光扫描仪扫描患者病区躯干，获取个性化的三维表面网格模型；
S3、模型生成：包括个性化的外固定模型生成、外固定打印模型自动切片，所生成的外固定模型适用于任何类型骨折临床复位后的固定；
S4、打印方位调整：采用空间姿态矩阵变换方法，进行外固定三维网格模型的位姿调整，沿Z轴方向自动对齐3D打印机的打印方位；
S5、表面打孔：利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与外固定打印模型作布尔运算，对外固定打印模型进行打孔，因而透气并减重，更新外固定打印模型；
S6、自动生成3D打印控制指令；
S7、输出每层的打印坐标信息，打印轨迹点依次输出其X、Y、Z坐标；
S8、每层相邻线段夹角计算及输出：计算每层轨迹相邻直线段之间的夹角，并将该角度添加到每层相邻打印轨迹线，输出带角度的GCODE代码；
S9、外固定打印：通过有线/无线传输3D打印控制指令，可控制多台3D打印机，实现本地和远程的自动打印。
进一步，步骤S3中，所述外固定模型生成，包括：
S301、外固定初始模型生成：由于躯干部分表面三维扫描模型较大，且边界散乱，获取三维扫描模型的包围盒，包围盒的形状为具有六个平面的长方体，赋予包围盒三个方向的移动和旋转功能，调整包围盒的旋转和大小，依次将六个平面与三维网格模型进行布尔切割运算，快速得到骨折损伤区域合适大小的外固定初始三维网格模型；
S302、外固定初始模型光顺与偏置：外固定初始模型为三角形网格曲面模型，采用Laplacian算法对外固定初始三维网格模型的表面进行光顺；由于外固定初始三维网格模型的表面与躯干面是贴合的，需要依据打印头的尺寸进行距离d的偏置；对光顺后的表面模型进行采样，获取采样点，由采样点建立隐式曲面，将隐式曲面进行距离d的偏置，最后采用移动立方体MC的算法进行隐式曲面网格化，得到偏置曲面；
S303、外固定打印模型生成：依据不同类型骨折临床复位后的固定要求，对偏置后的三维网格模型，采用其包围盒和几何扫描网格曲面工具，与偏置后的三维网格模型作布尔切割运算，获得对半或者任意大小的合适的外固定三维网格模型；
进一步，所述外固定打印模型自动切片，包括：
S304、按层高切片：切片方向沿Z向上，设定切片层高h，由外固定打印模型包围盒的Z向最大值Zmax减去最小值Zmin，除以层高，得到打印的层数n，循环定义与原包围盒方位相同、但Z向最大值z'max＝zmin+i×h(0＜i≤n)的切割包围盒，分别切割外固定打印模型，获取并存储每层相交求得的直线；
S305、排序：针对分层相交求得的直线，通过相交线段拓扑关系，寻找每层内部边界点和相邻两层外部边界点，获取每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，生成往复的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹；
S306、轨迹优化：在一定精度下，为避免喷头没必要的旋转，根据轨迹线段的长度，剔除长度极小线段，更新线段拓扑关系，然后在一定精度下判断相邻两线段是否共线，如共线，剔除相邻线段的交点，将相邻线段首尾两点相连形成一条线段，更新拓扑关系，得到优化的打印轨迹。
进一步，患者信息管理、患者病区扫描的启动、模型生成及打印指令的传输控制集成在PC端主控台，个性化外固定模型生成和切片功能集成为统一的***环境。
进一步，步骤S301和步骤S302对扫描设备获取的三维表面网格模型进行初始快速切割、光顺和偏置；
步骤S303依据不同类型骨折临床复位后的固定要求，对偏置后的三维网格模型，采用其包围盒和几何扫描网格曲面工具，与偏置后的三维网格模型作布尔切割运算，获得对半或者任意大小的合适的外固定三维网格模型。
进一步，利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与外固定打印模型作布尔运算，对所述外固定打印模型进行打孔。
进一步，采用对所述包围盒的依次快速切割，获取并存储每层相交求得的直线，寻找每层内部和相邻两层外部边界点，得到每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，经过轨迹每段线段的长度和精度优化，生成往复的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹。
进一步，所述PC端主控台，输出3D打印控制指令，通过有线或无线传输给多台3D打印机。
进一步，所述PC端主控台可显示每台3D打印机的打印进度、温度、耗材消耗量、空闲、离线和正在打印的工作状态。
进一步，所述3D打印机，采用单片机控制***，能解析GCODE代码中坐标和角度，通过坐标值控制X、Y、Z轴的三个电机，实现三个方向的移动；通过角度值控制打印头的旋转电机，实现打印头部件沿Z轴的旋转，保证实时与打印线段方向垂直。
本发明的有益效果为：该方法通过患者信息录入，能够管理与患者相关的数据模型，自动启动三维扫描，得到患者病区个性化三维表面网格模型，依据不同类型骨折临床复位后的固定型式，进行快速三维表面网格模型的编辑，生成个性化外固定模型，在集成的环境下自动切片，生成3D打印控制指令，通过有线/无线传输3D打印控制指令，可控制多台3D打印机，实现本地和远程的自动打印。打印机的工作台或打印头部件具有X、Y、Z轴三个方向的移动自由度，同时打印头部件还具有沿Z轴的旋转自由度，打印头为非圆形的异形结构。比石膏、小夹板和高分子绷带制作更方便，并减轻患者治疗期间多次更换石膏的痛苦；三维扫描数据精确，满足患者患肢不同外形特征，具有很好的个性化；无需打印支撑，轻便、透气、舒适，并可以水洗；打印速度快，满足临床操作的即时性；
该方法自动化程度高，操作简单，简化设计流程，适用于临床医生用于异形打印头的骨科个性化外固定的3D实物打印。
附图说明
图1为本发明一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法的流程图；
图2为模型生成实现的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1和图2，一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法：
S1、通过PC端主控台，将患者信息录入；
其中，在PC端主控台可以将患者的姓名、年龄、骨折位置及类型等相关直接录入数据库，也可以和医院或其他组织的数据库相融合，从而管理患者的信息。
S2、在PC端主控台启动扫描，或人工自动驱动光扫描仪扫描患者病区躯干，获取个性化的三维表面网格模型；
其中，在PC端主控台启动扫描，或人工自动驱动光扫描仪扫描患者病区躯干，扫描结束后得到.stl、.obj等类型的三维表面网格模型，通常情况下，三维表面网格模型由若干三角网格面片组成。
S3、模型生成：包括个性化的外固定模型生成、外固定打印模型自动切片，所生成的外固定模型适用于任何类型骨折临床复位后的固定；
人体不同部位骨折后，临床复位后所需要的固定型式是不同的，例如腕部、肘部和踝关节处，典型的型式如腕部的柯力氏(Colles)骨折，该方法生成的外固定模型适用于任何类型。
S301、外固定初始模型生成：由于躯干部分表面三维扫描模型较大，且边界散乱，获取三维扫描模型的包围盒，包围盒的形状为具有六个平面的长方体，赋予包围盒三个方向的移动和旋转功能，调整包围盒的旋转和大小，依次将六个平面与三维网格模型进行布尔切割运算，快速得到骨折损伤区域合适大小的外固定初始三维网格模型；
S302、外固定初始模型光顺与偏置：外固定初始模型为三角形网格曲面模型，采用Laplacian算法对外固定初始三维网格模型的表面进行光顺；网格曲面光顺的方法很多，也可以采用其他方法，如基于曲率光顺、HCLaplacian光顺和Taubin光顺算法。
由于外固定初始三维网格模型的表面与躯干面是贴合的，需要依据打印头的尺寸进行距离d的偏置；同时根据病区肿胀程度进行偏置，偏置的距离通常为3mm、4mm和5mm。
对光顺后的表面模型进行采样，获取采样点，由采样点建立隐式曲面，将隐式曲面进行距离d的偏置，最后采用移动立方体MC(Marching Cubes)的算法进行隐式曲面网格化，得到偏置曲面；
S303、外固定打印模型生成：依据不同类型骨折临床复位后的固定要求，对偏置后的三维网格模型，采用其包围盒和几何扫描网格曲面工具，与偏置后的三维网格模型作布尔切割运算，获得对半或者任意大小的合适的外固定三维网格模型；
其中，该步骤提供包围盒切割工具和几何扫描网格曲面切割工具，采用一种或组合对偏置后的三维网格模型作布尔切割运算，获得适应临床复位后所需要的固定型式。
S4、打印方位调整：采用空间姿态矩阵变换方法，进行外固定三维网格模型的位姿调整，沿Z轴方向自动对齐3D打印机的打印方位；
S5、表面打孔：利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与外固定打印模型作布尔运算，对外固定打印模型进行打孔，因而透气并减重，更新外固定打印模型；
外固定打印模型自动切片，包括：
S304、按层高切片：切片方向沿Z向上，设定切片层高h，由外固定打印模型包围盒的Z向最大值Zmax减去最小值Zmin，除以层高，得到打印的层数n，循环定义与原包围盒方位相同、但Z向最大值的切割包围盒，分别切割外固定打印模型，获取并存储每层相交求得的直线；
S305、排序：针对分层相交求得的直线，通过相交线段拓扑关系，寻找每层内部边界点和相邻两层外部边界点，获取每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，生成往复的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹；
S306、轨迹优化：在一定精度下，为避免喷头没必要的旋转，根据轨迹线段的长度，剔除长度极小线段，更新线段拓扑关系，然后在一定精度下判断相邻两线段是否共线，如共线，剔除相邻线段的交点，将相邻线段首尾两点相连形成一条线段，更新拓扑关系，得到优化的打印轨迹；
S6、自动生成3D打印控制指令；
与传统三轴GCODE代码不同，该方法不仅输出每层的打印轨迹点的X、Y、Z坐标，同时输出打印轨迹相邻直线段之间的夹角。
S7、输出每层的打印坐标信息，打印轨迹点依次输出其X、Y、Z坐标；
S8、每层相邻线段夹角计算及输出：计算每层轨迹相邻直线段之间的夹角，并将该角度添加到每层相邻打印轨迹线，输出带角度的GCODE代码；
S9、外固定打印：通过有线/无线传输3D打印控制指令，可控制多台3D打印机，实现本地和远程的自动打印。
其中，PC端主控台可显示每台3D打印机的打印进度、温度、耗材消耗量、空闲、离线和正在打印的工作状态；
其中，3D打印机的工作台或打印头部件具有X、Y、Z轴三个方向的移动自由度，同时打印头部件还具有沿Z轴的旋转自由度。
其中，3D打印机采用单片机控制，能解析GCODE代码中坐标和角度，通过坐标值控制X、Y、Z轴的三个电机，实现三个方向的移动。通过角度值控制打印头的旋转电机，实现打印头部件沿Z轴的旋转，保证实时与打印线段方向垂直。
该方法适应人体躯干个性化和骨折固定类型的骨科外固定自动、快速3d打印，该方法只需要处理三维扫描表面模型，无需生成实体模型和支撑，通过集成的个性化外固定模型生成、切片并自动生成3D打印控制指令的功能，有线/无线传输3D打印控制指令，实现多台3D打印机本地和远程的自动打印，打印机具有X、Y、Z轴的移动自由度和异形打印头沿Z轴旋转的自由度，实现个性化外固定的快速打印。自动化程度高，操作简单，临床医生使用容易。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于，包括：
S1、通过PC端主控台，将患者信息录入；
S2、在PC端主控台启动扫描，或人工自动驱动光扫描仪扫描患者病区躯干，获取个性化的三维表面网格模型；
S3、模型生成：包括个性化的外固定模型生成、外固定打印模型自动切片，所生成的外固定模型适用于任何类型骨折临床复位后的固定；
S4、打印方位调整：采用空间姿态矩阵变换方法，进行外固定三维网格模型的位姿调整，沿Z轴方向自动对齐3D打印机的打印方位；
S5、表面打孔：利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与外固定打印模型作布尔运算，对外固定打印模型进行打孔，因而透气并减重，更新外固定打印模型；
S6、自动生成3D打印控制指令；
S7、输出每层的打印坐标信息，打印轨迹点依次输出其X、Y、Z坐标；
S8、每层相邻线段夹角计算及输出：计算每层轨迹相邻直线段之间的夹角，并将该角度添加到每层相邻打印轨迹线，输出带角度的GCODE代码；
S9、外固定打印：通过有线/无线传输3D打印控制指令，可控制多台3D打印机，实现本地和远程的自动打印。
2.根据权利要求1所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于，步骤S3中，所述外固定模型生成，包括：
S301、外固定初始模型生成：由于躯干部分表面三维扫描模型较大，且边界散乱，获取三维扫描模型的包围盒，包围盒的形状为具有六个平面的长方体，赋予包围盒三个方向的移动和旋转功能，调整包围盒的旋转和大小，依次将六个平面与三维网格模型进行布尔切割运算，快速得到骨折损伤区域合适大小的外固定初始三维网格模型；
S302、外固定初始模型光顺与偏置：外固定初始模型为三角形网格曲面模型，采用Laplacian算法对外固定初始三维网格模型的表面进行光顺；由于外固定初始三维网格模型的表面与躯干面是贴合的，需要依据打印头的尺寸进行距离d的偏置；对光顺后的表面模型进行采样，获取采样点，由采样点建立隐式曲面，将隐式曲面进行距离d的偏置，最后采用移动立方体MC的算法进行隐式曲面网格化，得到偏置曲面；
S303、外固定打印模型生成：依据不同类型骨折临床复位后的固定要求，对偏置后的三维网格模型，采用其包围盒和几何扫描网格曲面工具，与偏置后的三维网格模型作布尔切割运算，获得对半或者任意大小的合适的外固定三维网格模型。
3.根据权利要求1所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于，所述外固定打印模型自动切片，包括：
S304、按层高切片：切片方向沿Z向上，设定切片层高h，由外固定打印模型包围盒的Z向最大值Zmax减去最小值Zmin，除以层高，得到打印的层数n，循环定义与原包围盒方位相同、但Z向最大值z'max＝zmin+i×h(0＜i≤n)的切割包围盒，分别切割外固定打印模型，获取并存储每层相交求得的直线；
S305、排序：针对分层相交求得的直线，通过相交线段拓扑关系，寻找每层内部边界点和相邻两层外部边界点，获取每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，生成往复的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹；
S306、轨迹优化：在一定精度下，为避免喷头没必要的旋转，根据轨迹线段的长度，剔除长度极小线段，更新线段拓扑关系，然后在一定精度下判断相邻两线段是否共线，如共线，剔除相邻线段的交点，将相邻线段首尾两点相连形成一条线段，更新拓扑关系，得到优化的打印轨迹。
4.根据权利要求1所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于：患者信息管理、患者病区扫描的启动、模型生成及打印指令的传输控制集成在PC端主控台，个性化外固定模型生成和切片功能集成为统一的***环境。
5.根据权利要求2所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于：步骤S301和步骤S302对扫描设备获取的三维表面网格模型进行初始快速切割、光顺和偏置；
步骤S303依据不同类型骨折临床复位后的固定要求，对偏置后的三维网格模型，采用其包围盒和几何扫描网格曲面工具，与偏置后的三维网格模型作布尔切割运算，获得对半或者任意大小的合适的外固定三维网格模型。
6.根据权利要求2所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于：利用定制孔大小的包围盒、或圆柱面、或椭圆柱面，与外固定打印模型作布尔运算，对所述外固定打印模型进行打孔。
7.根据权利要求3所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于：采用对所述包围盒的依次快速切割，获取并存储每层相交求得的直线，寻找每层内部和相邻两层外部边界点，得到每层轨迹点的次序和相邻层间轨迹的最短连接，经过轨迹每段线段的长度和精度优化，生成往复的高效打印轨迹和快速移动的空走轨迹。
8.根据权利要求1所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于：所述PC端主控台，输出3D打印控制指令，通过有线或无线传输给多台3D打印机。
9.根据权利要求8所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于：所述PC端主控台可显示每台3D打印机的打印进度、温度、耗材消耗量、空闲、离线和正在打印的工作状态。
10.根据权利要求9所述的一种个性化骨科外固定全自动3D打印的方法，其特征在于：所述3D打印机，采用单片机控制***，能解析GCODE代码中坐标和角度，通过坐标值控制X、Y、Z轴的三个电机，实现三个方向的移动；通过角度值控制打印头的旋转电机，实现打印头部件沿Z轴的旋转，保证实时与打印线段方向垂直。
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| CN201910602053.3A CN110314028A (zh) | 2019-07-05 | 2019-07-05 | 一种个性化骨科外固定全自动3d打印的方法 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111419537A (zh) * | 2020-02-26 | 2020-07-17 | 东莞理工学院 | 一种个性化3d打印医用隔离眼罩的制备方法 |
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2019
- 2019-07-05 CN CN201910602053.3A patent/CN110314028A/zh active Pending
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