基于三维重建的大腿假肢接受腔有限元分析与修型研究

发布时间：2020-09-17 08:35

　　据统计,我国目前肢体残疾人数量有数千万人,为了让这些残疾人能够恢复日常生活的一些基本功能,医疗人员通常会为他们定制假肢。假肢包括假肢接受腔,支撑件,关节,假脚等部分。假肢接受腔是残疾人与假肢的直接连接部件,起到固定,承重,受力等作用。接受腔的定制是假肢定制的最关键因素,接受腔的好坏与残疾人的穿戴效果直接相关。因此,如何设计稳固,耐用,舒适的接受腔是一直以来的研究重点。针对大腿假肢接受腔石膏取模法工艺落后,修型依赖假肢技师水平,穿戴体验提升空间小等不足,以及CAD方法设备昂贵,对假肢技师的计算机能力要求高,过程复杂,患者体验不佳以及可能存在潜在的应力集中等问题,本文主要进行了以下研究工作:利用深度相机扫描残肢,存储各个角度的点云,基于点云库和VS2012,构建KD树实现快速近邻搜索,计算点云中任一点的k邻域FPFH特征,结合随机采样算法进行相邻帧点云初始配准,利用ICP算法实现精确配准,研究仿射变换下点云配准的问题,提出改进算法,提升配准精度。与CT重建结果对比,证明了基于深度相机的三维重建结果误差小,还原精度高。从志愿者CT图像逆向建模,通过区域增长,截面分割等方法分割骨骼和软组织,经过曲面修复和拟合形成NURBS曲面,通过实体化体建模,建立骨骼,软组织,衬套和接受腔实体模型,将模型按照几何关系进行装配,满足有限元仿真对输入数据要求。应用有限元仿真方法,分析残肢-接受腔系统受力情况,给出了残肢几何形状规则情况下普遍的应力分布情况,得出在典型步态周期下关键区域的正应力和剪切力分布,说明预应力的作用。根据仿真结果,提出接受腔的修型建议,可有效对接假肢技师经验平台。根据残肢表面三维重建结果和有限元仿真的修型结论,对大腿假肢接受腔模型进行修型,导出STL文件,设定参数完成切片,选择PLA作为接受腔材料,利用3D打印机进行假肢接受腔快速成型实验。实验结果表明,3D打印成型时间短,精度高,有利于根据残疾人试穿情况快速修改。综上,本文对假肢接受腔定制过程中非接触式扫描,受力分析和成型方法等问题进行了详细的研究,解决了现有方法的一些不足,具有重要的应用价值和实际意义。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;R318.17
【部分图文】：

流程图,三维重建,流程

本文提出以消费级深度相机非接触式扫描残肢，设计三维重疾人残肢外形重建，在残肢几何形状规则情况下，通过有限元仿真分析统应力分布情况，结合假肢技师经验平台进行修型。通过３Ｄ打印快速成过程，缩短更换周期，可以根据患者反馈快速调整，如图２．２所示。逡逑肢接受腔定制的首要问题是形状适配。目前，国内很多残疾人康复医院为在接受腔适配过程中仅仅根据残疾人残肢的实际尺寸挑选某个型号的接受产的接受腔模型对大部分残疾人来说都存在过大或过小的问题，在残疾人受腔过于松弛可能产生大幅滑动，过紧则会导致对残肢压迫过大而造成皮红肿。因此，定制化接受腔首先必须解决形状适配的问题。逡逑章基于深度相机对残肢进行扫描，基于ＰＣＬ点云库设计三维重建算法并将三维重建后的残肢表面作为假肢接受腔的内腔，达到形状适配的目标。的三维重建算法流程如图２．３所示，实现了相机标定，点云滤波，初始配。逡逑

深度相,点云

逡逑２．１．１深度相机及点云库逡逑本文所用的深度相机型号是Ｋｉｎｅｃｔ邋ｖ２，实物如图２．４所示。在文中均用Ｋｉｎｅｃｔ指代逡逑Ｋｉｎｅｃｔｖ２。Ｋｉｎｅｃｔ采用ＴＯＦ原理，通过红外线照射物体反射的方法测量深度距离，由于逡逑其工作原理，深度相机采集的深度信息是离散点形成的点云。Ｋｉｎｅｃｔ的有效范围是０．５ｍ逡逑到４．５ｍ，深度摄像头采集的频率是３０帧每秒，分辨率达到５１２＊４２４。Ｋｉｎｅｃｔ的测量原逡逑理导致了其无法测量类镜面的表面深度信息，采集时会出现空洞。逡逑＇ｍｕｔｍｍ邋ｗ逡逑图２．４深度相机Ｋｉｎｅｃｔ邋Ｖ２逡逑ＰＣＬ［５７＿邋ｐｏｉｎｔ邋ｃｌｏｎｄ邋ｌｉｂｒａｒｙ。ＰＣＬ是用于点云处理的Ｃ＋＋库，包含了大量点云的类逡逑与算法。本文基于ＰＣＬ进行点云的配准，存储与显示。逡逑１２逡逑

基于三维重建的大腿假肢接受腔有限元分析与修型研究

图２．５张正友标定板逡逑

【参考文献】