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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