(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210673610.2 (22)申请日 2022.06.14 (71)申请人 湖南大学 地址 410082 湖南省长 沙市岳麓区麓山 南 路1号 (72)发明人 徐世伟　蒋彬辉　袁秋奇　白中浩　 张冠军　 (74)专利代理 机构 北京律谱知识产权代理有限 公司 11457 专利代理师 孟德洲 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06T 7/33(2017.01) G06V 10/44(2022.01) G06V 10/77(2022.01) (54)发明名称 一种基于人体特征的快速人体骨骼有限元 模型建模方法 (57)摘要 本发明涉及一种基于人体特征的快速人体 有限元模型建模方法， 包括： 获取人体骨骼CT图 像， 将人体骨骼 CT图像导入软件中获取相应的特 征人体骨骼外表面点云数据， 获取人体有限元模 型； 在软件中提取各骨骼有限元模 型的外表面点 云， 提取基准骨骼外表面点集PS中的关键点， 将 特征人体骨骼 外表面点集P_C向基准骨骼外表面 点集P_S进行粗配准等， 对基准骨骼有限元点集 FEMS_P进行变换， 将特征骨 骼有限元点集FEMC_P写 入基准骨骼有限元模型K文件中， 生成特征人体 骨骼有限元模型FEMC； 若生成的特征人体骨骼有 限元模型FEMC网格质量等同或者高于基准骨骼 有限元模型FEMS， 则输出特征人体骨骼有限元模 型FEMC。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 115048838 A 2022.09.13 CN 115048838 A 1.一种基于人体特 征的快速人体有限元模型建模方法， 其特 征在于： 步骤1、 获取 人体骨骼CT图像， 此 过程为提取目标 人体骨骼的几何形状外轮廓； 步骤2、 将人体骨骼CT图像导入Mimics软件中获取相应的特征人体骨骼外表面点云数 据， 标记为特 征人体骨骼外表面 点集PC； 步骤3、 获取THUMS(Total  Human Model for Safety)人体有限元模型， 并对模型进行 拆分， 分别提取 人体各骨骼有限元模型， 标记为基准骨骼有限元模型 FEMS； 步骤4、 在Hypermesh软件中提取各骨骼有限元模型的外表面点云， 标记为基准骨骼外 表面点集PS； 步骤5、 采用ISS(Intrinsic  shape signatures， 内部形态描述子)算法， 提取基准骨骼 外表面点集PS中的关键点， 通过关键点描述目标的几何特征， 将提取出来的点标记为基准 骨骼外表面控制点 集PS_C； 步骤6、 采用基于主成分分析方法的初始配准方法， 将特征人体骨骼外表面点集P_C向 基准骨骼外表 面点集P_S进 行粗配准， 将特征人体骨骼外表 面点集P_C与基准骨骼外表 面点 集P_S的主轴初步对齐； 步骤7、 采用CPD(Coherent  Point Drift)算法将基准骨骼外表面控制点集PS_C向特征 人体骨骼外表面点集PC进行配准， 将变换后的基准骨骼外表面控制 点集PS_C标记为初始基 准骨骼外表面控制点 集PS_C_I； 步骤8、 采用CPD(Coherent  Point Drift)算法， 将初始特征骨骼外表面控制点集PS_C_I 向特征人体骨骼外表面点集PC进行配准， 将变换后的初始特征骨骼外表 面控制点集PS_C_I为 特征骨骼外表面控制点 集PC_C； 步骤9、 提取S3步骤中保存的基准骨骼有限元模型K文件中的网格顶点点集， 标记为基 准骨骼有限元点 集FEMS_P； 步骤10、 采用RBF(Radial  basis function)对基准骨骼有限元点集FEMS_P进行变换， 控 制点集为基准骨骼外表面控制点集PS_C， 目标点集为特征骨骼外表面控制点集PC_C， 核函数 采用TPS(thin ‑plate splines)函数， 变换后的基准骨骼有限元点集标记为特征骨骼有限 元点集FEMC_P； 步骤11、 将特征骨骼有限元点集FEMC_P写入基准骨骼有限元模型K文件中， 替代其中的 网格顶点 点集， 生成特 征人体骨骼有限元模型 FEMC； 步骤12、 对网格质量通过雅克比、 扁平比、 翘曲度以及倾斜度进行判断， 若S11步骤中生 成的特征人体骨骼有限元模型FEMC网格质量低于基准骨骼有限元模型FEMS， 则重复步骤3， 改变ISS算法参数， 重复步骤4 ‑12； 步骤13、 若生成的特征人体骨骼有限元模型FEMC网格质量等同或者高于基准骨骼有限 元模型FEMS， 则输出特征人体骨骼有限元模型 FEMC。 2.根据权利要求1所述的基于人体特征的快速人体有限元模型建模方法， 其特征在于： 步骤3中： 骨骼包括颅骨、 胸腔骨骼、 骨盆、 股骨、 胫骨、 颈椎、 腰椎、 肱骨、 桡骨、 尺骨、 肩胛骨和锁 骨， 有限元模 型分别导出并保存为K文件格式， 有限元模型包括网格顶点、 网格、 材料属性和 单元属性。 3.根据权利要求1所述的基于人体特征的快速人体有限元模型建模方法， 其特征在于：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115048838 A 2步骤5中， 设基准骨骼外表面控制点集PS_C中包含n个点(xi， yi， zi)， i＝1， 2， ...， n.ISS关键 点提取流程如下： 步骤5.1、 对基准骨骼外表面控制点集PS_C每个点PS_C_i建立一个局部坐标系， 并对每个 点设定近邻搜索点数 K； 步骤5.2、 确定基准骨骼外表面控制点集PS_C中以每个点PS_C_i为中心， 计算所有近邻搜 索点的权值 wij， 表达式为： wij＝1/||Pi‑Pj||， |Pi‑Pj|＜K 步骤5.3、 计算每 个点PS_C_i的协方差矩阵， 表达式为： 步骤5.4、 计算每 个点的协方差矩阵的特 征值 并进行大小排列； 步骤5.5、 设置阈值 ε1， ε2， 若满足 和 则为关键点； 步骤5.6、 重复上述 步骤， 遍历基准骨骼外表面控制点 集中所有点。 4.根据权利要求1所述的基于人体特征的快速人体有限元模型建模方法， 其特征在于： 步骤7中， 对于采用CPD算法将基准骨骼外表面控制 点集PS_C向特征人体骨骼外表面点集PC 进行配准， 其变换关系如下： PC＝T(PS_C， θ ) 其中T为转换关系， θ 为PS_C的变换矩阵。 在此步骤中， θ 为刚性 转化矩阵， 包 含旋转矩阵R， 平 移矩阵t。 5.根据权利要求1所述的基于人体特征的快速人体有限元模型建模方法， 其特征在于： 步骤8中， 对于采用CPD算法， 将基准骨骼外表面控制点集PS_C_i向特征人体骨骼外表面点集 PC进行配准， 其变换关系如下： PC＝T(PS_C_I， θ ) 其中T为转换关系， θ 为PS_C_I的变换矩阵； 在此步骤中， θ 为刚性 转化矩阵， 包 含旋转矩阵R， 平 移矩阵t， 缩放比例S。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115048838 A 3