[发明专利]骨骼建模与仿真方法

说明书

本发明提供了一种骨骼建模与仿真方法，包括：步骤1，对骨骼进行CT扫描从而得到图像数据，得到点云数据；步骤2，根据点云数据的轮廓进行基面投影，得到点云数据的参数值和表面控制点；步骤3，将表面控制点作为已知条件进行体插值，利用离散Coons体插值算法得到体参数化模型；步骤4，设置多个采样点，并且将体参数化模型划分出多个节点，通过最小二乘法原理和二次型优化求得表面控制点和内控制点的灰度值；步骤5，根据采样点的参数值和灰度值得到骨骼的骨骼模型；步骤6，进行网格细分得到单元网格，将单元网格的单元刚度矩阵装到总体刚度矩阵中，然后得到未知量的值，最后对未知量的值处理后的结果进行显示。

技术领域

本发明属于骨骼模型构建领域，具体涉及一种能够构建更加精确的骨骼建模与仿真方法。

背景技术

仿真是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，随着科技的发展，仿真技术的应用越来越广泛,被应用于电气、机械、化工、水力、热力等系统,也包括社会、经济、生物医学、管理等系统。在生物医学方面，仿真在人类的医疗史上具有重要的意义。在有了生物医学仿真之后，医生就可以通过虚拟的病体来提升技术，这样减少了病人的痛苦，并且成本低、可重复、结果直观。人体碰撞损伤是最常发生的。所以,通过对骨骼碰撞损伤的研究具有非常重要的医学价值。目前，使用通过建立骨骼模型来进行仿真试验。

一般，面向材料反求构建产品的模型，反求工程包括几何反求、材料反求和工艺反求等。对于均质产品的材料反求，由于材料性能各向同性，因此易于用几个主要的材料性能参数来表达整个产品的材料性能，反求重点在于材料性能参数的测试，而骨骼属于非均质产品，其材料性能各向异性，且位于不同空间位置点的材料性能也可能不一样，骨骼的材料性能与几何位置等都有密切相关。传统材料检测手段如硬度测量、金相检验、化学分析、光谱分析等方法主要针对均质材料，因此，检测手段一度成为骨骼材料反求的难点。另外，材料反求的问题是非均质材料设计与表达法，现有的骨骼材料表达方法都不是太理想。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能够构建更加精确的骨骼建模与仿真方法。

本发明提供了一种骨骼建模与仿真方法，用于对人体的骨骼进行建模与仿真，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对骨骼进行CT扫描从而得到图像数据，然后，对图像数据进行图像处理后得到点云数据；步骤2，根据点云数据的轮廓进行基面投影，并且与B样条相对应对点云数据进行的B样条参数化，从而得到点云数据的参数值，然后，将点云数据中的散乱点进行基曲面投影得到该散乱点的参数值，然后，利用最小二乘法原理将散乱点进行B样条曲面拟合并且得到表面控制点；步骤3，将表面控制点作为已知条件进行体插值，利用离散Coons体插值算法得到体参数化模型，体参数化模型中的表面控制点对应骨骼的表面信息，体参数化模型中的内控制点对应骨骼的材料信息；步骤4，设置多个采样点，并且将体参数化模型划分出多个节点，然后，寻找与采样点最近的节点，该节点的参数值作为采样点的初始参数值，然后在初始参数值附近离散B样条的区域，在区域中找出距离采样点最近的B样条体节点，将该B样条体节点作为采样点的参数值；并且，根据采样点的参数值并且通过最小二乘法原理和二次型优化求得表面控制点和内控制点的灰度值；步骤5，根据采样点的参数值和灰度值得到骨骼的骨骼模型；以及步骤6，根据B样条进行网格细分得到单元网格，将未知量表示为与B样条的基函数相对应的形式，然后采用弱解形式以及最小势能原理将单元网格的单元刚度矩阵装到总体刚度矩阵中，然后对总体刚度矩阵进行处理，得到未知量的值，最后对未知量的值处理后的结果进行显示。

在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1包含对图像数据进行噪声滤波、锐化特征和边缘增强的预处理。

在本发明提供的骨骼建模与仿真方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1还包含对图像数据的阀值进行设定，使得图像数据中的骨骼的对比度增大，通过对图像数据的内插值处理以及界定阀值的范围，并且采用区域增长原理对图像数据中进行分割，从而得到模型灰度值和点云数据。