一种脊柱侧弯矫形器的设计方法与流程

本发明属于脊柱侧弯矫形器，具体而言，涉及一种脊柱侧弯矫形器的设计方法。

背景技术：

1、脊柱侧弯是一种常见的脊柱畸形疾病,主要发生在青少年期间,严重影响患者的身心健康和日常生活。脊柱侧弯的病因复杂,包括遗传因素、生长发育异常、肌肉张力失衡、骨质疏松等多方面原因。根据侧弯的严重程度,脊柱侧弯可分为轻度、中度和重度三个阶段。轻度侧弯可通过物理治疗和矫形器矫治,而中重度侧弯则需要手术治疗。

2、矫形治疗是脊柱侧弯最常见的非手术治疗方法。矫形器的作用是通过外力施加在脊柱和躯干上,以改善脊柱和躯干的位置和形态,从而达到矫正脊柱侧弯的目的。现有的脊柱侧弯矫形器主要有硬质支架式和软质包裹式两种类型。硬质支架式矫形器采用硬质材料如塑料或金属制成,能提供强大的支撑力；软质包裹式矫形器则采用布料或软质塑料,相对更加舒适和美观。

3、传统的脊柱侧弯矫形器设计主要依赖于矫形师的经验和手工修型。矫形师通常会先根据患者的x光片或ct扫描数据,确定脊柱侧弯的严重程度和变形状态,然后在石膏人形上进行手工修型,制作出初步的矫形器样品。随后让患者穿戴该矫形器,并通过x光复查检查矫正效果。如果效果不理想,则需要继续调整矫形器的形状和压力点位置,直至达到理想的矫正效果。这种依赖经验的手工设计方法存在诸多局限性:

4、1.设计时间长,需要多次调整才能达到满意的矫正效果,给患者和矫形师带来较大的时间和精力成本。

5、2.难以准确预测矫形器对脊柱和躯干的作用力,容易出现局部过度压迫或无法达到预期矫正效果的情况。

6、3.难以评估矫形器的舒适性和易耐性,很难在设计阶段优化这些指标。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种脊柱侧弯矫形器的设计方法，能够解决现有方法往往依靠矫形师的个人经验和手工修型，存在设计时间长，准确度不够的技术问题。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明的第一方面提供一种脊柱侧弯矫形器的设计方法，其中，包括以下步骤：

4、s10、根据患者的人体扫描3d图像，基于与患者基本信息匹配的人体标准表面模型建立患者人体表面3d模型；

5、s20、根据患者的x光或ct扫描数据，基于与患者基本信息匹配的人体标准骨骼3d模型建立患者的骨骼3d模型；

6、s30、将所述人体表面3d模型和所述骨骼3d模型融合为人体矫正模型，并确定所述人体矫正模型的安全范围，包括脊柱各节段的最大矫正角度、肋骨和髋骨的承压限度、软组织的压力阈值；

7、s40、获取预设的矫形器3d模型，通过穿戴的方式穿戴在所述人体矫正模型外侧，并利用有限元分析计算多组矫正数据，包括矫形器对人体的压力分布、矫正力矩、摩擦力以及脊柱各节段的受力情况、椎间盘压力、肌肉拉伸程度和软组织变形程度；

8、s50、以所述多组矫正数据为输入变量,以矫正效果、舒适度、矫形器重量和耐久性为多目标适应度函数,采用遗传算法,对矫形器的形状、厚度分布和材料属性进行优化,得到多组优化的矫正参数；

9、s60、根据优化后的矫正参数,修改矫形器3d模型,并进行第二轮有限元分析,验证优化效果，得到最优矫正参数；

10、s70、根据所述最优矫正参数计算脊柱侧弯矫形器的参数，包括矫形器的整体形状、厚度分布、材料选择、压力点位置、矫正力施加点、支撑结构设计、通气孔布局以及固定带位置；

11、s80、根据所述侧弯矫形器的参数制作矫形器样品，测试患者穿戴效果，并根据患者反馈和临床评估对脊柱侧弯矫形器的参数进行微调，得到脊柱侧弯矫形器目标参数，用于制作脊柱侧弯矫形器。

12、其中,所述步骤s10,具体包括以下步骤:根据患者的人体扫描三维图像,获取描述患者人体表面形状的点云或网格数据；利用数据预处理技术对原始扫描数据进行去噪、平滑和缺失区域修复等处理,以提高数据质量；准备一个与患者基本信息匹配的标准人体表面三维模型,该模型通过统计人体测量数据建立；采用非刚性配准算法,例如迭代最近点(icp)算法,将处理后的患者扫描数据与标准模型进行变形配准,使之最大程度贴合患者实际人体表面形状；最后,结合人体解剖学知识,进一步优化三维模型的细节形状,得到精确描述患者人体表面的三维模型。

13、其中,所述步骤s20,具体包括以下步骤:获取描述患者骨骼结构的医学影像数据,如x光片或ct断层扫描；利用图像分割技术,例如基于阈值或区域生长的算法,从医学影像数据中提取出单独的骨骼区域；准备一个与患者基本信息匹配的标准人体骨骼三维模型,该模型同样通过统计测量数据建立；采用基于特征点或表面的刚性/非刚性配准算法,将分割出的患者骨骼数据与标准骨骼模型进行配准和变形,使之与患者实际骨骼结构吻合；最后,结合骨骼解剖学知识,进一步优化三维模型的细节形状,得到精确描述患者骨骼结构的三维模型。

14、其中,所述步骤s30,具体包括以下步骤:将步骤s10和s20构建的人体表面三维模型和骨骼三维模型进行配准和融合,生成一个综合的人体矫正三维模型；针对该人体矫正模型,结合患者的脊柱侧弯程度、骨龄发育状态、肌肉柔韧性等信息,确定在矫正过程中脊柱各节段的最大允许矫正角度、肋骨和髋骨的承压限度,以及软组织的压力阈值等安全范围参数。

15、其中,所述步骤s40,具体包括以下步骤:准备一个初始的矫形器三维模型,该模型包含矫形器的整体形状、厚度分布、材料属性等参数；将步骤s30构建的人体矫正模型与预设的矫形器三维模型进行配准和结合,模拟矫形器穿戴在患者身上的实际情况；采用有限元分析技术,计算矫形器在穿戴状态下对人体施加的压力分布、矫正力矩、摩擦力,以及脊柱各节段的受力情况、椎间盘压力、肌肉拉伸程度和软组织变形程度等多项指标。

16、其中,所述步骤s50,具体包括以下步骤:以矫正效果、舒适度、矫形器重量和耐久性为目标,建立多目标适应度函数；采用遗传算法对矫形器的几何形状、厚度分布和材料属性等参数进行优化,得到满足各项性能要求的最优设计方案。遗传算法通过编码、初始化、适应度评估、选择和遗传操作等步骤进行迭代优化,最终输出适应度最高的个体,即为优化后的矫形器设计参数。

17、其中,所述步骤s60,具体包括以下步骤:将步骤s50中得到的优化矫形器设计参数应用到预设的三维模型上,生成修改后的矫形器三维模型；再次将修改后的矫形器模型与步骤s30的人体矫正模型进行配准和结合；采用有限元分析技术,重新计算修改后矫形器在穿戴状态下对人体各项性能指标,如压力分布、矫正力矩、脊柱受力等；对比优化前后的分析结果,验证优化效果是否满足要求,如果仍需进一步优化则返回步骤s50重复迭代。

18、其中,所述步骤s70,具体包括以下步骤:根据步骤s60中得到的最优矫形器设计参数,如形状、厚度分布、材料属性、压力点位置、矫正力施加点等,采用b样条曲面拟合、梯度厚度设计、材料选择等技术手段,计算出脊柱侧弯矫形器的整体结构、局部构造和关键性能指标；这些参数为后续制造矫形器样品提供了技术依据。

19、其中,所述步骤s80,具体包括以下步骤:根据步骤s70计算得到的矫形器参数制作出实体样品；邀请目标患者试戴样品,观察并记录患者的穿戴反馈,包括适配性、稳定性、活动受限程度以及矫正效果、舒适度、重量感受等方面；同时邀请临床医生对样品进行专业评估,提出优化建议；综合患者反馈和临床评估结果,对原有参数进行微调,确保最终设计方案能够满足患者的个性化需求；最终确定脊柱侧弯矫形器的目标参数。

20、其中，所述患者基本信息包括骨龄、肌肉脂肪值、身体柔软度、矫形强度的可承受能力、脊柱侧弯程度、脊柱旋转程度、生长速度、年龄、性别、体重。

21、其中，所述矫正效果用于评估cobb角度的改善程度,评估脊柱旋转的矫正程度,评估体型对称性的改善情况。

22、其中，所述舒适度用于评估压力分布的均匀性,评估接触面积与总表面积的比例,评估软组织变形程度,评估通气性和热舒适性以及评估活动范围的限制程度。

23、其中，所述矫形器重量用于根据3d模型计算矫形器的体积,结合所选材料的密度计算总重量,评估重量分布的均匀性,评估重量对患者日常活动的影响。

24、其中，所述耐久性用于进行材料疲劳分析,评估高应力区域的结构强度,模拟长期使用后的形变情况,考虑材料的耐磨性和抗腐蚀性,评估接缝和连接部位的可靠性。

25、也就是说，所述多目标适应度函数中,矫正效果考虑cobb角度改善、脊柱旋转矫正、体型对称性改善和长期矫正稳定性；舒适度考虑压力分布均匀性、接触面积比例、软组织变形程度、通气性和活动范围限制；重量评分考虑总重量、重量分布均匀性和日常活动影响；耐久性考虑材料疲劳、结构强度、长期形变、耐磨性、抗腐蚀性和接缝可靠性。下面是如何根据最优矫正参数计算脊柱侧弯矫形器的各个参数:

26、1.矫形器的整体形状:

27、基于患者的3d人体扫描模型,结合最优矫正参数中的脊柱矫正角度,生成矫形器的基本轮廓。

28、使用曲面拟合算法,确保矫形器形状与患者体型相匹配,同时实现理想的矫正效果。

29、考虑患者的活动需求,在保证矫正效果的同时,优化矫形器在腋下、臀部等关键部位的形状,以提高舒适度。

30、2.厚度分布:

31、根据有限元分析结果,确定矫形器各部位所需承受的应力。

32、在高应力区域增加厚度,低应力区域适当减薄,以优化重量分布。

33、使用梯度厚度设计,确保矫形器各部位间的平滑过渡,避免应力集中。

34、考虑患者的体重和活动水平,调整整体厚度范围。

35、3.材料选择:

36、基于最优矫正参数中的刚度要求,选择合适的主体材料(如聚乙烯、碳纤维复合材料等)。

37、在压力点和摩擦区域选用柔软、透气的衬垫材料。

38、考虑患者的皮肤敏感度,选择低致敏性材料。

39、根据耐久性要求,选择合适的表面处理或涂层材料。

40、4.压力点位置:

41、根据最优矫正参数中的压力分布数据,确定主要压力点的位置。

42、考虑患者的骨骼突出处和敏感区域,调整压力点位置以避免不适。

43、设计压力分散结构,如凸起或衬垫,以优化压力分布。

44、5.矫正力施加点:

45、基于脊柱侧弯的类型和程度,确定主要矫正力的施加位置。

46、考虑三点压力原理,设计矫正力的作用方向和大小。

47、根据患者的肌肉力量和柔韧性,调整矫正力施加点的具体位置。

48、6.支撑结构设计:

49、根据最优矫正参数中的刚度要求,设计矫形器的主要支撑结构。

50、在高应力区域增加加强肋或支撑条。

51、设计可调节的支撑结构,以适应患者生长和矫正进展。

52、7.通气孔布局:

53、基于热舒适性分析结果,确定需要增加通气的区域。

54、设计通气孔的大小、形状和分布,在保证结构强度的同时最大化通气效果。

55、考虑患者的活动模式,在运动量大的区域增加通气设计。

56、8.固定带位置:

57、根据矫正力施加点和压力分布,确定主要固定带的位置。

58、设计固定带的宽度和角度,以确保稳定性和舒适性。

59、考虑患者的日常穿脱需求,优化固定带的布局以方便操作。

60、在计算这些参数时,需要综合考虑最优矫正参数中的各项数据,如矫正角度、压力分布、应力分析等。同时,还需要结合患者的个体特征(如年龄、体型、活动水平等)进行个性化调整。此外,可以使用计算机辅助设计(cad)软件和参数化建模技术,快速生成和调整矫形器的3d模型,以实现精确的参数计算和优化。

61、其中，所述标准人体表面模型和骨骼模型是通过收集大量人体测量数据,采用网格生成、曲面重构等技术手段构建而成的。

62、其中，所述整体形状的设计采用b样条曲面拟合算法,通过调整控制点位置和权重,用于实现矫形器轮廓与患者体型的最佳匹配。

63、其中，所述厚度分布的设计采用梯度厚度设计方法,在高应力区域增加厚度,低应力区域减薄,同时保证各部位间的过渡平滑。

64、其中，所述通气孔布局的设计采用泊松盘采样算法,根据局部应力分布和温度场,优化通气孔的大小、形状和分布。

65、与现有技术相比较，本发明提供的一种脊柱侧弯矫形器的设计方法的有益效果是：

66、1.精准描述患者解剖结构:本发明方法能够根据患者的人体扫描数据和医学影像资料,建立包括人体表面形状和骨骼结构在内的精细三维模型。这不仅能够准确捕捉患者的个体化特征,还为后续的矫形器设计提供了可靠的几何依据。相比之下,现有的矫形器多依赖于经验性的人体测量数据,无法充分反映患者的个性化需求。

67、2.实现多目标矫形器优化:本发明方法采用遗传算法对矫形器的几何形状、厚度分布、材料属性等参数进行优化设计,同时考虑矫正效果、舒适度、重量和耐久性等多个性能目标。通过权衡这些目标指标,能够设计出兼顾矫正效果和使用体验的优化矫形器。相比之前单一追求矫正效果的设计方法,本发明方案更加注重患者的整体需求。

68、3.提高矫正治疗的个性化水平:本发明方法结合计算机辅助设计技术,能够针对每位患者的个体特征,定制化设计出最佳的矫形器。不仅能够精准匹配患者的解剖结构,还可以根据其矫正需求、活动水平、皮肤敏感性等因素进行参数优化。这种个性化设计方案,有助于提高矫正治疗的针对性和满意度。

69、4.增强矫正后的生活质量:本发明方法在矫正效果的基础上,还重点关注了矫形器的舒适性和耐久性。通过优化压力分布、活动自由度、重量感受等指标,能够显著改善患者在日常生活和活动中的体验,从而提高其生活质量。相比现有的矫形器,本发明设计更加注重患者的整体使用感受。

70、综上所述,本发明提出的基于计算机辅助设计的脊柱侧弯矫形器设计方法,能够充分利用患者的个体化特征,设计出既能有效矫正脊柱畸形,又能提升患者使用体验的定制化矫形器。该方法的核心在于采用先进的计算机技术,如三维建模、有限元分析、遗传算法优化等,系统地解决了矫形器设计中的多目标优化问题，解决了背景技术部分提到的现有方法往往依靠矫形师的个人经验和手工修型，存在设计时间长，准确度不够的技术问题。