制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列及扫描方法
【专利摘要】本发明涉及一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列及扫描方法。该三维扫描相机阵列及扫描方法通过“相机拍摄—软件处理—生成模型”的方式获取人体部位信息，其拍摄流程和三维处理流程相对独立，患者只需参与最初拍摄流程，无需等待后续的数据处理过程。通过预先设置好的软件，相机拍摄所获取的图像可以直接被处理，经过处理后的图像数据将生成对应的三维模型并且直接用以骨折固定外支架的设计与制作，本发明具有获取数据更加快速与便捷，患者需要承载的负担更小，医院相关人员学习成本更低等特点；并为后续骨骼辅助支架的精准设计，有限元分析及3D打印加工制造提供完整的依据和数据。
【专利说明】
制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列及扫描方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种三维扫描相机阵列及扫描方法，属于医疗器械制造领域，具体涉 及一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列及扫描方法。
【背景技术】
[0002] 骨折是常见的外伤症状。大多数的骨折症状在经过医生的应急处理和复位治疗 后，会在原来部位重置并使用铸型来固定。这些铸型可以是石膏，玻璃纤维，或其他合成材 料。自19世纪以来，大部分此类技术和材料沿用至今，并未有显著改进。尽管这些铸型在临 床上可以满足基本要求，但是此类铸型在康复及整形外科上还存在一些缺点。
[0003] -般来说，一个典型的手前臂骨折病人会在急诊室里被安装上一个大约重3-4镑 的石膏或玻璃纤维铸型支架。这些石膏或玻璃纤维铸型支架具有很强的隔水性，这使得空 气不能轻易穿透支架与身体接触，同时也阻碍了皮肤呼吸作用产生的水汽排出。康复期内， 密不透气的治疗环境会使病人承受难以忍受的痛苦，且导致一系列的皮肤病。大量的临床 病历显示，在传统支架固定康复期间，患者会出现比如皮肤感染，皮疹，瘙痒，灼痛，过敏或 者皮肤软组织大量死亡的情况。更严重的是，由于在受创部位恢复的过程中，传统的支架由 于是一次成型，厚重且不能观察到内部情况，导致铸型并不能很好的贴合患者的受创部位， 有时支架压迫组织从而致使血液循环不畅，严重者甚至可导致组织坏死。
[0004] 为避免以上提到的疾病发生，如何为病人量身定做一款能够保持空气流通和皮肤 干燥，且满足医生要求的铸型成为了骨骼支加研究的首要任务。
[0005]在设计及三维打印骨折固定外支架之前，需要对患者的骨折部位进行三维扫描。 通过对患者受创部位的三维扫描，可以获得必要的三维数据并生成扫描部位的三维模型。 运用获取到的三维数据及模型，可以进行定制化的骨折固定外支架的设计和3D打印。
[0006] 现有技术的扫描一般采用传统的三维扫描仪进行。在扫描时，由于人体手臂在扫 描过程中并非完全静止，若使用传统的三维扫描仪，整个扫描过程所需时间较长，极易发生 由于患者被扫描手臂移动所导致的三维扫描不准确，不仅获取数据速度慢并且操作不便。 此外，传统三维扫描仪的操作复杂，医院相关人员学习成本较高。
【发明内容】
[0007] 本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种制备骨骼辅助 支架的三维扫描相机阵列及扫描方法。该三维扫描相机阵列及扫描方法获取数据更加快速 与便捷，患者需要承载的负担更小，医院相关人员学习成本低。
[0008] 为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种制备骨骼辅助支架的三 维扫描相机阵列，包括若干个相机同圆心等间距设置构成的相机阵列。
[0009] 优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列，包括至少两个环形 相机阵列，各个环形相机阵列之间平行设置，所述环形相机阵列由若干个相机同圆心等间 距设置。
[0010]优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列，所述环形相机阵列 上设置有12个相机，每个相机之间间隔30度。
[0011]优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列，所述环状相机阵列 为4个，每个环形相机阵列的半径为8.25英寸。
[0012] 优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列，所述环状相机阵列 上设置有用于探测手臂与相机距离的近距离传感器。
[0013] 为了解决上述问题，根据本发明的另一个方面，提供了一种制备骨骼辅助支架的 三维扫描方法，基于相机获取人体骨组织图像数据，并利用三维模型生成软件基于骨组织 图像数据生成人体三维模型。
[0014] 优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描方法，基于相机构成的相机阵 列获取人体骨组织图像数据，所述相机阵列包括至少两个环形相机阵列，并且各个环形相 机阵列之间平行设置，所述环形相机阵列由若干个相机同圆心等间距设置。
[0015] 优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描方法，基于相机构成的相机阵 列获取人体骨组织图像数据，所述环形相机阵列为两个，在获取人体骨组织图像时将待扫 描人体部位从两个环形相机阵列中间穿过，其中，待扫描人体部位与环形相机阵列所在平 面平行。
[0016] 优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描方法，基于相机构成的相机阵 列获取人体骨组织图像数据，在获取人体骨组织图像时将待扫描人体部位依次从各个环形 相机阵列的圆心穿过，其中，待扫描人体部位与环形相机阵列所在平面平行垂直。
[0017] 优化的，上述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描方法，通过三维模型生成软件 将所获取的骨组织图像数据处理成包括点阵和几何构造图的人体三维模型，将人体三维模 型导入到3D制图软件，对人体模型表面进行平整处理。
[0018] 因此，本发明具有如下优点：（1)获取数据更加快速与便捷，患者需要承载的负担 更小；（2)设备结构简单，制造和使用成本低，并且能显著降低医院相关人员学习成本。
【附图说明】
[0019] 附图1是相机视角（field of view or F0V)原理示意图；
[0020] 附图2是Z向环状相机阵列示意图；
[0021 ]附图3是Y向环状相机阵列示意图；
[0022]附图4是Y向环状相机阵列的另一种示意图；
[0023]附图5三维扫描设备的概念设计CAD模型侧视图；
[0024]附图6是Creo Parametric模拟制作的三角形结构方案；
[0025]附图7是人体模型示意图；
[0026] 附图8是模型在Creo Parametric DTM3参考平面下的示意图；
[0027] 附图9是模型在Creo Parametric DTM5参考平面下的不意图；
[0028] 附图10是外壳不意图；
[0029]附图11是开口后的外壳示意图；
[0030]附图12是外壳打开第一排孔后的结构示意图；
[0031 ]附图13是外壳上半面打孔完成后的结构示意图；
[0032] 附图14是打孔完成后的结构示意图；
[0033] 附图15是通过连接条连结后的外壳结构示意图；
[0034]附图16附图15的局部放大不意图；
[0035]附图17附图15的另一种局部放大不意图；
[0036]附图18是有限元分析时的支架受力示意图；
[0037]附图19是有限元分析时的支架另一种受力示意图；
[0038]附图20是竖直打印并进行表面处理的时间和受力图；
[0039]附图21是竖直打印并进行表面处理的应力和受力图；
[0040]附图22是竖直打印不进行表面处理的时间和受力图；。
[0041]附图23是竖直打印不进行表面处理的应力和受力图；
[0042]附图24是水平打印并进行表面处理的时间和受力图；
[0043]附图25是水平打印并进行表面处理的应力和受力图；
[0044]附图26是水平打印不进行表面处理的时间和受力图；
[0045]附图27是水平打印不进行表面处理的应力和受力图。
[0046] 图中，1-相机/摄像头阵列。
【具体实施方式】
[0047] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0048] 实施例：
[0049]本实施例采用三D打印法来进行骨骼支架的生产。使用三维扫描和增材制造的方 法可以满足为病患量身定做符合医生要求的骨折辅助支架的这一要求。选择合适的材料进 行3D打印的铸型，能够实现轻便、防水及通风的要求。在外型方面，也可根据病人的要求有 不同的颜色选择。
[0050]本实施例的骨骼辅助支架的制备方法包括：人体扫描、支架建模、三维打印等步 骤，下面分别介绍这几个步骤，并且利用有限元分析和实物测试对实施例结果进行测试。 [0051 ] 1、人体扫描
[0052]在设计三维打印骨折固定外支架之前，需要对患者的骨折部位进行三维扫描。通 过对患者受创部位的三维扫描，可以获得必要的三维数据并生成扫描部位的三维模型。运 用获取到的三维数据及模型，可以进行定制化的骨折固定外支架的设计和3D打印。现阶段， 针对手前臂骨折这一特定骨折案例，有多种三维扫描方案可供使用。
[0053]专业三维扫描设备指的是使用三维扫描仪(3D Scanner)进行人体的三维扫描。通 过三维扫描仪，可以直接扫描患者的受创部位从而生成该创伤部位的三维模型。目前的专 业扫描设备主要有以下几种：
[0054] (I)Artec Eva 3D Scanner
[0055] Artec Eva三维扫描仪是为需要快速、准确以及纹理扫描的客户量身定做的三维 扫描仪。该扫描仪具有不需要对物体进行标记或校准的特点。扫描过程中，Artec Eva三维 扫描仪可以迅速地用高分辨率捕获物体外形，并可以真实还原物体鲜艳的色彩。Artec Eva 三维扫描仪的工作原理类似于一台配有三维捕获功能的摄影机。扫描仪最高的可以达到16 帧每秒的捕获精度。所获得每一帧图像可以自动校准对齐，使整个3D扫描过程变得简单快 捷。这种特点对于特效制作、医学应用以及生物力学的研究尤为重要，可以广泛的应用到CG 动画制作、现场取证、医药等行业。
[0056] (2)NextEngine 3D Laser Scanner
[0057] NextEngine 3D Laser Scanner是一种三维激光扫描仪，可以通过激光捕捉更加 细节的信息，在工业生产以及医疗教育行业中广泛使用。NextEngine具有独家的多激光技 术(Multi-Laser Technology)，可以提供卓越的三维扫描精确度和保真度。
[0058] (3)3D3-HDI Advance Scanner
[0059] 3D3-HDI Advance Scanner是一种三维光学扫描仪，该扫描仪采用了一对单色CCD FireWire摄像头及12.5mm镜头。通过一台白光投影仪，该扫描仪将参考图案投射到扫描物 体上以获取必要的信息并通过摄像头捕捉这些数据。
[0060] (4)3D3-HDI Advance Scanner
[0061] 除了使用与使用专业的三维扫描设备，通过照片捕捉并借助相关软件（Photo Capturing and Scanning)亦可生成所需的三维模型。与借助三维扫描设备获取三维信息 的方法不同，Photo Capturing and Scanning是通过对扫描物体环绕拍照的方式，获取对 象物体必要的信息，通过后期的软件处理生成三维模型的三维扫描方案。目前，可以使用 Autodesk公司的"123D Catch"和Agisoft公司的"Agisoft PhotoScan"这两款软件生成三 维模型。
[0062]相比使用专业的扫描设备，拍照扫描的方式具有获取数据更加快速与便捷，患者 需要承载的负担更小，医院相关人员学习成本更低等特点。由于人体手臂在扫描过程中并 非完全静止，若使用传统的三维扫描仪，整个扫描过程所需时间较长，极易发生由于患者被 扫描手臂移动所导致的三维扫描不准确。而拍照扫描的方式则是通过"相机拍摄一软件处 理一生成模型"的流程，拍摄流程和三维处理流程相对独立，患者只需参与最初拍摄流程， 无需等待后续的数据处理过程。通过预先设置好的软件，相机拍摄所获取的图像可以直接 被处理，经过处理后的图像数据将生成对应的三维模型并且直接用以骨折固定外支架的设 计与制作。
[0063]同时，为了更快速地获取扫描物体的照片图像，本实施例采用了Multi-cameras Photo Capture的方式，即同时连接多台相机通过计算机统一处理并拍摄。通过使用该方 法，在拍摄过程中，多台相机可以同时捕捉图像，在最短的时间内这些相机便可完成多角度 的环绕拍摄。在一分钟之内便可完成环绕拍摄，拍摄所获得图像将直接传送至电脑并导入 三维处理软件。
[0064] 通过拍摄照片并运用大量照片所提供的信息来生成三维模型的方法高度依赖高 质量的照片以及三维模型生成软件的可靠性。以Agisof t公司的"Agisoft PhotoScan"三维 模型生成软件为例，该软件可以完全通过所提供的大量照片进行三维重构。进行三维重构 时，该软件对相机所拍摄的照片有着诸多要求，相机的光圈、焦距、景深等参数以及被扫描 对象的材质和扫描环境都需要考虑在内。当拍摄照片时，被扫描物体不可以是透明、反光、 玻璃材质的物体，同时被扫描物体不可移动。被扫描物体所处的扫描环境需要有相对稳定 持续的光源，作为参照的背景同样不能出现透明反光的现象并且需要与被扫描物体形成一 定识别度。
[0065] 除了被扫描物体本身和扫描环境的要求，相机的参数同样影响三维模型生成的精 确度。在理想条件下，使用高像素的单反数码相机配合定焦镜头在低感光度和小光圈的条 件下可以输出符合软件要求质量较高的照片。例如，使用尼康D800和尼康D7100两台单反数 码相机，在35mm的定焦镜头配合下使用，所生成的照片在进行过畸变处理后可以完全满足 "Agisoft PhotoScan"的要求。然而，使用单反数码相机带来的高成本和单反数码相机自身 的一些局限（如多台单发数码相机的同时控制和拍摄以及单反相机阵列所占用的空间）使 得操作较为复杂。
[0066]在相机拍摄过程中，景深（The depth of field，D0F)、视角（field of view, FOV)、光圈以及传感器尺寸是控制一张照片的几个基本变量。控制以上这几个参数便可推 导出符合三维扫描软件的最低相机参数要求。
[0067] 本实施例采用1/2.5英寸(5.76mmX4.29mm)的传感器尺寸(传感器的面积)作为参 数要求，该尺寸的传感器广泛的运用于网络摄像头、手机镜头和各种相机组件之中，便于获 取且价格相对低廉。针对改尺寸的的传感器，项目团队将光圈固定在f/2.8以便于测试。其 中，f为光圈值，光圈f值=镜头的焦距/光圈口径，光圈越大进光量越大，景深越小，f值越 小。
[0068] 在确定了传感器尺寸以及光圈大小后，需要对景深和视角的参数进行测算和实际 测试。景深是指相机对焦点前后能生成清晰图像的范围，在固定传感器尺寸和光圈的条件 下，相机与被拍摄物体之间的距离成为了计算和测试的变量。在现有的参数条件下，相机与 被拍摄物体之间的最短距离约为4英寸。为保证生成清晰的图像，在具体实施时，增加了额 外的1英寸宽容空间。
[0069] 由于在拍摄所得的大量照片中，三维生成软件要求各相邻照片之间需要有一定的 内容重复率(overlap)，在测算和确定完上述的参数之后，需要计算改参数条件下相机的视 角，即相机所拍摄图像的角度范围，如图1所示。
[0070] 一般情况下，相机的视角可以从下列公式中求出：
[0071]
[0072]其中，d代表所采用的传感器尺寸，f代表相机与被拍摄物体之间的最短距离。经过 计算在给定的参数下，相机水平方向的视角约为70.17度，竖直方向的视角约为55.23度，对 角线方向的视角则为82.41度。
[0073]针对"通过照片捕捉并借助相关软件完成三维扫描（Photo Capturing and Scanning)"的方案，本实施例采用两种方式进行三维扫描设备的设计，分别介绍如下。 [0074] (I)Z向环状相机阵列：
[0075] 本方案将多台数码相机通过固定支架固定，在xy平面上沿着竖直的z轴形成两个 环状相机阵列，如图2所示。扫描时手臂将放置与两个环状相机阵列中间，与阵列保持相对 平行，位于手臂上下两侧的相机阵列将分别捕捉手臂两侧的360度全方位图像。
[0076] 运用两台单反数码相机分别模拟两个环状相机阵列中某一固定机位，运用多相机 控制软件，通过移动两台相机的机位对一个预设好固定静止的手臂模型进行拍摄。经过测 试，在光线相对恒定且背景干扰较少的情况下，收集约16张左右的手臂全方位图像(上下两 相机阵列各拍摄约8张图像)即可生成精确度满足支架制作要求的手臂三维模型。该方案的 优点在于相同扫描质量的情况下所使用的相机数量较少，且定位于支架上的相机可按需求 移动，有利于今后对不同人体部位的扫描测试。但同时该方案也有着一定缺陷，如每个环状 相机阵列占用的空间较大(环状阵列的半径约一米)导致整个设备将占用较大空间。同时该 方案对扫描场地的环境要求(光源、参照背景等)也较高，不稳定的光源或背景干扰极易导 致扫描失败。
[0077] (2)Y向环状相机阵列：
[0078] 本方案改变了两个环状相机阵列的整体位置，如图4所示，两个环状相机阵列将在 xz平面(竖直方向）上沿着y轴(水平线)设置。扫描时，手臂将穿过两个阵列，两个相机阵列 上的相机将从其固定机位上捕捉图像，所收集的图像将直接传送至单台电脑集中处理。不 同于Z向环状相机阵列的方案，此方案对每张照片间的内容重复率要求较高，现阶段测试所 得的照片间的内容重复率(overlap)约为80%以上。与此同时，为了适当缩小环状阵列的半 径以及提高扫描精确度，该方案需要需要收集约24张不同位置的手臂图像（即每个阵列搭 载12台相机)每台相机之间的间隔角度约为30度。
[0079] 为了进一步集成和缩小扫描设备的体积和规模，可以缩小环状阵列的半径，缩小 后的环状阵列半径为8.25英寸，为了保证照片间的内容重复率(overlap)约为80%以上，在 每个阵列搭在12台相机的前提下，环状相机阵列由原来的两个增加为4个，如图4-5所示，最 大扫描长度为20英寸，可涵盖几乎所有的使用人群，每一个阵列环包含12台高清摄像头或 集成相机组件（图中圆孔位置)相机间间隔角度为30度，各相机矩阵环之间的间隔为5英寸。 该方案将一次性拍摄48张患者手臂不同部位的照片，这些照片将包含手前臂的每一个分 段，达到三维重构处理所需的要求。
[0080] 为确保患者手臂伸入设备后正好位于各阵列环的中心位置，每一个环上将加装近 距离传感器(proximity sensor)用以探测手臂与相机的距离。与此同时，作为外部支撑，将 有一个独立的支架支撑患者被扫描手臂的后端以此辅助支撑和定位。
[0081 ] 2、支架建模
[0082]在建立支架模型前，首先要建立人体待支撑部位的三维模型。本实施例中，通过使 用Agisoft PhotoScan三维模型生成软件，所获取的图片信息被处理成一个由点阵和几何 构造图构成的三维模型。该三维模型虽具有较完整的表面信息，但由于此时的三维模型并 非实体模型(solid model)，所以仍需进行一些后续三维模型处理工作。
[0083] 为了让制模软件Creo Parametric能够使用生成的初始文件，由Agisoft PhotoScan导出的文件还需转成Creo Parametrie专用的.prt文件。项目团队首先需要考虑 通过扫描仪取得的数据在几何构造上可能存在漏洞和缝隙的问题。为了解决这一问题，需 要固化三维模型的表面部分。通过使用Meshlab软件可以将初期导出模型存在的漏洞和缝 隙填上。同样使用Meshlab或者Rhinocero软件可以细化模型并且是模型形成实体三维模 型。在完成三维模型的细节处理和固化后，最后使用FreeCAD软件来将文件从初始的.stl格 式转化为所需要的.prt格式版本。
[0084]针对骨折辅助支架的结构和外观设计，可以采用两种方式。分别介绍如下：
[0085] (1)桁架式支架
[0086]本方案结合了现实生活中经常出现的桥梁结构构造。采用桁架桥可以分散整个结 构的压力，以至于任何一个单独的横梁不会承受过多的压力的特点。本方案模仿桥梁结构 的骨折辅助支架设计。该设计方案可以在Creo Parametric制作模型时将支架模型围绕手 臂三维模型进行复制，同时稍加改变和调整，便可生成大量尺寸相似的三角形构成的三角 形结构支架，病人就可以将受创的手前臂放入该支架模型里，如图6所示。
[0087] (2)六边形支架
[0088] 六边形结构设计来源于自然界中常见的蜂窝结构，该结构相比传统的三角形结构 有着相似的结构稳定性，在之后的有限元分析中，六边形结构有多项参数优于三角形结构。 并且六边形结构在辅助支架模型设计及后期的3D打印中，其独特的结构可以节省较多的打 印材料，这在成本控制上有着更好的表现。
[0089] 下面，本实施例重点描述六边形支架的制作过程。
[0090] (1)辅助支架CAD设计
[0091] 将3D扫描的结果导入到3D制图软件Creo Parametric 2.0,能得到一个如图8所示 的手臂模型，考虑到扫描过程中出现的偏差所造成的凹凸不平，在进行操作之前可进行额 外的处理以保证手臂模型基本平整，如图7所示。
[0092]不同于Creo通常制图的是，导入的模型并没有现成的三维平面可供参考。因此，需 要制图者选点建立参考平面。
[0093] 在此，利用平面DTM3大致将手臂模型分为左右两个部分，利用平面DTM5大致将手 臂模型分为上下两个部分，如图8-9所示。当建立一个平面的时候，可以这个平面为基准，根 据需要建立与之平行、垂直或者有特定夹角的其他平面。
[0094] 选取DTM3以及DTM5并以此平面为基准制图，Creo能够在制图过程中绘制曲线，沿 着手臂模型外侧边缘画出4条曲线(每个平面各画两条），分别为上下左右四条曲线。
[0095]选定之前绘制的4条曲线，使用Boundary Blend指令生成外壳，如图10所示，外壳 的厚度可以根据需要进行调整(过份加厚可能会导致系统错误而无法生成）。
[0096]考虑到在实际应用中，病人大拇指部分需要有一定的活动空间，因此上图中拇指 部分不能够是封闭的，因此将模型的大拇指部分移除留下开口，如图11所示。
[0097]在使用Boundary Blend并且加厚的过程中，所有的边角都是自动认定问90度，因 此打磨模型的边角，以提高实际使用时的舒适度：
[0098] DTM5是一个将手臂模型分成上下两个部分的平面，以DTM5为基础建立一个平行平 面，并且在这个新的平面上绘制六边形结构图，之后使用Extrude remove指令，在外壳上打 第一排孔，如图12所示。
[00"]使选定刚刚完成的第一排孔，使用Pattern指令，让六边形结构布满模型上半部如 图13所示。模型上下部分的孔结构是相同的，因此可以使用Mirror指令，让相同结构对称分 布在模型下半部分。
[0100] (2)辅助支架的接合
[0101] 在实际使用的时候，支架至少要分成上下两片(或者更多）生产使用，为了有效的 将上下两片牢固连接在一起，模型采用如图15-17所示的设计。
[0102] 在连接处运用到了橡胶的可变形性质。现有的3D打印技术已经能够打印一些软性 材料，比如尼龙以及软性PLA等等，因此可以用来作为上下片之间的连接带。如下右图所示， 在测试中，用硬PLA打印出的两片红色长条，上面各有一排半圆柱体，白色的软PLA则有对应 间距的圆孔。将连接带嵌入预留的凹槽，极大的摩擦力能够确保连接带将上下片牢固的结 合在一起。而且在实际使用中，也不会那么容易取出，从而避免意外(特别是未成年病人)发 生。
[0103] 3、三维打印
[0104] 整体模型完成之后，以之前所提到的DTM5为分界线，移除任意半片保留另外半片， 存为STL格式文件以备打印。
[0105] 4、有限元分析
[0106]有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟。在利用3D打印机打印 最终样板原型以及成品之前，产品需要在电脑软件上进行有限元分析来模拟各种可能发生 的情况(撞击，压缩，弯曲），从而得出该产品能够接受的最大承受力。
[0107] (1)分析条件
[0108] 材料:采用的是ABS plastic，具体的各项参数如下所示：
[0109]表1:分析条件1
L011U 由十最常也是最容易友生在产品上的力大部分郡集中在产品的前端。所以在有丨很 元分析中，我们将会模拟产品的前端（即手心手背处)产生一个大小不同的力。固定点将设 置为产品的末端，如图18所示。在本次有限元分析中，我们将会改变力的大小从而得出该产 品最大能够承受的压力。
[0112] (2)不同受力情况测试结果
[0113] 对产品施加了四组力（1 · 44KG，4KG，7KG)得出了不同的结果。
[0114] 根据ABS plastic材料的特性，该材料最大能够承受的压力是在60MPa到64.5MPa 之间。以此可以看出三次有限元分析都符合材料的要求并且在承受该应力之下不会发生形 变。但是由于电脑模拟与真实的情况有很大的差异。我们将会加入一个安全系数来保证有 限元分析的准确性。因此，默认材料能够承受的应力在40MPa到45MPa之间。所以根据有限元 分析的结果可以得出，该产品在该模拟条件下，能够承受的最大力在39.2牛到49牛之间。 [0115] (3)三角形结构与六边形结构对比
[0116]单从结构稳定性出发，三角形结构和正六边形结构各有自己的优势与劣势。三角 形在承受正切于产品平面的压力的时候具有较高的稳定性，正六边形则更容易发生形变甚 至产生裂痕。然而，正六边形能够承受比三角形更大的来自垂直于平面的压力。
[0117]从产品材料使用上，如果想要覆盖相同的面积，正六边形所需要的材料比三角形 要少得多，因此可以减少不少的打印时间，从而减低了生产成本。
[0118]从产品可靠性来看，由于护具所受到的大部分力和压力都来自于外界，也就是垂 直于平面的力与压力，所以可以得出正六边形结构将会更适合该产品，因此我们决定用正 六边形结构来填充产品。我们将用有限元分析来证实我们的猜想。
[0119]有限元分析的边界条件与之前的测试类似，测试材料采用的是ABS plastic，各参 数如下所示：
[0120]表2:分析条件2
[0122] 常也是最容易发生在产品上的力大部分都垂直于产品。所以在有限元分析中，我 们将会在正六边形平面与三角形平面上模拟一个垂直于平面的力如图。固定点将设置为平 面的的四周。在本次有限元分析中，我们将会对比两个平面在承受相同的力的时候所承受 的压力以及力的分布。模拟的前提条件如图19所示。
[0123] 在承受相同的力的情况下，正六边形结构更够将力更好的分布在平面上，并且平 面所承受的压力远小于三角形结构所承受的压力。
[0124] 5、实物测试
[0125] 为进一步验证设计的机械特性，以及在实际应用中3D打印材料的表现特性，我们 从两方面进行了机械测试。
[0126] 首先使用UltiMaker 3D打印机获得四个样品，其中两个使用竖直方向打印成型， 另外两个使用横向打印的方式成型。随后，各取一个样品，加热丙酮至沸腾，悬挂样品至同 样高度，使其浸在丙酮蒸汽中，在通风橱内进行表面处理。
[0127] 测试得到应变化曲线如图20-27所示。从图中可以得出横向打印并且未做过表面 处理的样品具有更高的材料强度，能够承受更大的载荷而不发生形变以及断裂。
[0128] 但是由于最终产品将面向市场，而且未经处理的产品将会对用户的体验造成很大 的影响，所以我们最终使用一个权重分析表来得出最终的打印方法：
[0129] 表3:最优打印方法参数
[0131] 从权重分析表里可以看出，横向打印以及表面处理的产品将会是我们的最优选 择。
[0132]本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
【主权项】
1. 一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列，其特征在于，包括若干个相机同圆心 等间距设置构成的相机阵列。2. 根据权利要求1所述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列，其特征在于，包 括至少两个环形相机阵列，各个环形相机阵列之间平行设置，所述环形相机阵列由若干个 相机同圆心等间距设置。3. 根据权利要求1所述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描相机阵列，其特征在于，所 述环形相机阵列上设置有12个相机，每个相机之间间隔30度。4. 根据权利要求1所述的一种骨骼辅助支架的制备方法，其特征在于，所述环状相机阵 列为4个，每个环形相机阵列的半径为8.25英寸。5. 根据权利要求1所述的一种骨骼辅助支架的制备方法，其特征在于，所述环状相机阵 列上设置有用于探测手臂与相机距离的近距离传感器。6. -种制备骨骼辅助支架的三维扫描方法，其特征在于，基于相机获取人体骨组织图 像数据，并利用三维模型生成软件基于骨组织图像数据生成人体三维模型。7. 根据权利要求6所述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描方法，其特征在于，基于相 机构成的相机阵列获取人体骨组织图像数据，所述相机阵列包括至少两个环形相机阵列， 并且各个环形相机阵列之间平行设置，所述环形相机阵列由若干个相机同圆心等间距设 置。8. 根据权利要求6所述的基于相机矩阵进行三维扫描制备骨骼支架的方法，其特征在 于，基于相机构成的相机阵列获取人体骨组织图像数据，所述环形相机阵列为两个，在获取 人体骨组织图像时将待扫描人体部位从两个环形相机阵列中间穿过，其中，待扫描人体部 位与环形相机阵列所在平面平行。9. 根据权利要求6所述的基于相机矩阵进行三维扫描制备骨骼支架的方法，其特征在 于，基于相机构成的相机阵列获取人体骨组织图像数据，在获取人体骨组织图像时将待扫 描人体部位依次从各个环形相机阵列的圆心穿过，其中，待扫描人体部位与环形相机阵列 所在平面平行垂直。10. 根据权利要求6所述的一种制备骨骼辅助支架的三维扫描方法，其特征在于，通过 三维模型生成软件将所获取的骨组织图像数据处理成包括点阵和几何构造图的人体三维 模型，将人体三维模型导入到3D制图软件，对人体模型表面进行平整处理。
【文档编号】A61B90/00GK106073903SQ201610389236
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月3日 公开号201610389236.8, CN 106073903 A, CN 106073903A, CN 201610389236, CN-A-106073903, CN106073903 A, CN106073903A, CN201610389236, CN201610389236.8
【发明人】周功耀, 费逸凡
【申请人】上海德稻集群文化创意产业（集团）有限公司