一种基于3d颅骨模型的电极帽设计方法、制造方法及其系统
阅读说明：本技术 一种基于3d颅骨模型的电极帽设计方法、制造方法及其系统 (Electrode cap design method, manufacturing method and system based on 3D skull model ) 是由 张军鹏 王文 于 2020-11-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于3D颅骨模型的电极帽设计方法、制造方法及其系统,该设计方法通过对用户头部的CT图像或MRI图像依次进行二值化和区域增长处理,得到用户的3D颅骨模型,再对3D颅骨模型进行表面修洁处理,然后对表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模,并按照电极摆放规则,确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；最后,将电极帽三维模型导出为3D打印格式文件,以3D打印出相应的电极帽。因此,本发明实现针对不同用户的头部特征的个性化电极帽的设计,使设计出的电极帽能够更好地贴合用户头部,更精准的EEG信号测量。(The invention discloses a design method, a manufacturing method and a system of an electrode cap based on a 3D skull model, wherein the design method comprises the steps of sequentially carrying out binarization and region growing processing on a CT image or an MRI image of the head of a user to obtain the 3D skull model of the user, carrying out surface cleaning processing on the 3D skull model, carrying out three-dimensional modeling on the electrode cap on the 3D skull model after the surface cleaning processing, and determining the position coordinates of each electrode on the three-dimensional model of the electrode cap according to the electrode placement rules; and finally, exporting the three-dimensional model of the electrode cap into a 3D printing format file, and printing out the corresponding electrode cap in a 3D mode. Therefore, the invention realizes the design of the personalized electrode cap aiming at the head characteristics of different users, so that the designed electrode cap can be better attached to the head of the user, and the EEG signal measurement is more accurate.)
技术领域
本发明涉及电极帽设计与3D打印技术，尤其涉及基于3D颅骨模型的电极帽设计方法、制造方法及其系统。
背景技术
随着其技术的发展成熟，越来越多的研究基于此展开，脑电采集技术也应用到了各个方面，如新生儿脑损伤的检测，人类情绪的监测，精神性疾病判断，教育心理等等。而随着临床需求的不断提升，EEG功能的不断延展，对脑电信号采集系统的各项性能的要求也渐渐地提升了，使得脑电信号采集系统的设计与制造不得不在成本，精准性，便捷性，用户体验等方面做出平衡。
目前，为了方便快捷地采集EEG信号，通常电极帽作为前端采集设备，具有设备成本低、便于携带、佩戴使用方便快捷等优点，但是目前的电极帽绝大部分仍采用松紧带缝制，在使用时针对不同的用户很难确保每个电极的位置均满足采集精度，而且需要人工长时间调试。
因此，有必要设计一种针对不同用户的头部特征的个性化电极帽方案。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种基于3D颅骨模型的电极帽设计方法，实现针对不同用户的头部特征的个性化电极帽的设计，使设计出的电极帽能够更好地贴合用户头部，更精准的EEG信号测量。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于3D颅骨模型的电极帽设计方法，其包括以下步骤：
S1：获取用户头部的CT图像或MRI图像；
S2：对获取到的图像进行二值化处理，得到用户头部的表面轮廓；
S3：对所述表面轮廓进行区域增长处理，得到用户头部的3D颅骨模型；
S4：对所述3D颅骨模型进行表面修洁处理；
S5：基于经所述表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；
S6：将所述电极帽三维模型导出为3D打印格式文件，用于3D打印出相应的电极帽。
根据一种具体的实施方式，本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法中，采用MIMICS软件实现所述二值化处理、所述区域增长处理以及所述表面修洁处理。
根据一种具体的实施方式，本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法中，基于经所述表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模时，以所述3D颅骨模型的外表面作为电极帽的内表面，并基于电极帽的内表面向外均匀扩展，而得到所述电极帽三维模型。
进一步地，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标后，对所述电极帽三维模型进行镂空处理，得到基于电极安装框架的电极帽三维模型。
根据一种具体的实施方式，本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法中，所述电极帽三维模型还设置有基准点位置，用于确定电极帽使用时是否穿戴正确。
本发明在具体实施的一方面，还提供一种基于3D颅骨模型的电极帽制造方法，其包括：获取利用本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法而导出的3D打印格式文件，再根据所述3D打印格式文件以及预先配置的3D打印技术参数，3D打印出相应的电极帽。
根据一种具体的实施方式，本发明基于3D颅骨模型的电极帽制造方法中，采用SLA3D打印技术进行3D打印，以及采用光敏树脂材料作为打印材料。
根据一种具体的实施方式，本发明基于3D颅骨模型的电极帽制造方法中，所述电极帽上安装的电极采用纯银镀氯化银电极。
本发明在具体实施的一方面，还提供一种基于3D颅骨模型的电极帽设计系统，其包括：
二值化处理模块，用于对获取到的用户头部的CT图像或MRI图像进行二值化处理，得到用户头部的表面轮廓；
区域增长模块，用于对所述表面轮廓进行区域增长处理，得到用户头部的3D颅骨模型；
表面修洁模块，用于对所述3D颅骨模型进行表面修洁处理；
三维建模模块，用于基于经所述表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；以及将所述电极帽三维模型导出为用于3D打印出相应的电极帽的3D打印格式文件。
本发明在具体实施的一方面，还提供一种基于3D颅骨模型的电极帽制造系统，其包括：
二值化处理模块，用于对获取到的用户头部的CT图像或MRI图像进行二值化处理，得到用户头部的表面轮廓；
区域增长模块，用于对所述表面轮廓进行区域增长处理，得到用户头部的3D颅骨模型；
表面修洁模块，用于对所述3D颅骨模型进行表面修洁处理；
三维建模模块，用于基于经所述表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；以及将所述电极帽三维模型导出为用于3D打印出相应的电极帽的3D打印格式文件；
SLA 3D打印机，用于根据所述3D打印格式文件以及预先配置的3D打印技术参数，3D打印出相应的电极帽。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法，通过对用户头部的CT图像或MRI图像依次进行二值化和区域增长处理，得到用户的3D颅骨模型，再对3D颅骨模型进行表面修洁处理，然后对表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；最后，将电极帽三维模型导出为3D打印格式文件，以3D打印出相应的电极帽。因此，本发明实现针对不同用户的头部特征的个性化电极帽的设计，使设计出的电极帽能够更好地贴合用户头部，更精准的EEG信号测量。
2、本发明基于3D颅骨模型的电极帽制造方法，利用本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法而导出的3D打印格式文件，并SLA 3D打印技术进行3D打印，以及采用光敏树脂材料作为打印材料。因此，利用本发明方法制造的电极帽抗冲击能力强且环保，而且3D打印速度快且精度高。
附图说明
图1为本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法的流程图；
图2为国际10-20系统电极安放示意图；
图3为本发明电极帽三维模型与制造的电极帽的示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
如图1所示，本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法，其包括以下步骤：
S1：获取用户头部的CT图像或MRI图像；具体的，采用MIMICS软件对图像进行后续的处理，即将用户头部的CT图像或MRI图像文件导入MIMICS软件中，由于MIMICS软件集成了诸多用于处理各种医学图像的模块，其基础模块包括：图像导入模块，图像分割模块、图像可视化模块、图像配准模块以及图像测量模块。
S2：对获取到的图像进行二值化处理，得到用户头部的表面轮廓；具体的，为了得到3D颅骨模型，需要勾画颅骨区域。因此，采用灰度分割这一方式来勾画颅骨区域，利用MIMICS软件自带的功能进行阈值分析，选择合适的阈值即可实现。通过确定灰度值的上界和下界，利用分割掩模将所有灰度值在上下界之间的像素保留下来。为了方便后续建模操作，设定灰度最小值为29-88。
S3：对所述表面轮廓进行区域增长处理，得到用户头部的3D颅骨模型；具体的，利用MIMICS软件自带的区域增长工具能够将二值化得到的分割分成几块，同时去除漂浮像素。而且，经过步骤S2的二值化处理后，图像中会有很多不需要的色块以及漂浮像素。由于图像不包含结构信息，这些像素是图像识别过程中必然会出现的，为了除去这些不需要的部分，需运用mimics自带的画笔功能对每层图像逐一进行修改。
S4：对所述3D颅骨模型进行表面修洁处理；具体的，由于经过上述步骤的处理后，得到的模型非常粗糙，有许多尖刺、不平滑的部分以及生理上并不存在的构造。这是由于图像中并不包含组织结构信息，因此在根据CT或MRI数据生成三维表示的时候一定会出现漂浮像素，而且得到的模型中还有许多实际中不存在的结构或空洞，这种模型是无法直接进行有限元分析的，在后续处理中也会导致诸多问题。因此，使用MIMICS软件自带的3-matic进行进一步处理，光滑表面，也能使计算机计算量减少。同时，为了方便后续的电极帽三维建模，将3D颅骨模型导出为3ds格式文件。
S5：基于经所述表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标。
具体的，本发明采用建模软件sketchup进行电极帽三维建模，而且，本发明电机摆放规则采用如图2所示的国际10-20系统电极安放图，即首先连接前后矢状线：鼻根至枕外粗隆，其次连接横线：左耳前点通过中间点至右耳前点，最后连接侧面。电极在每条线上的位置比例遵循1:2:2:2:2:1。各电极名称数字代表的意义：左脑的电极序号为单数，右脑的电极序号为双数；/代表中间，如：F3/C3就是指额叶至中间点的中间点；-表示包含这两点或者相连的所有点，如：F3-C3代表包含这两点之间的所有点。如果需要增加电极数量，则应以该标准为根本，将其他电极摆放在原系统各电极之间。电极之间需保持一定最小距离。
代表字母：
F：额叶(Frontal lobe)
Fp：前额叶(Frontal poles)
T：颞叶(Temporal lobes)
O：枕叶(Occipital lobes)
P：顶叶(Parietal lobes)
C：中心部(Central)或感觉运动皮层(sensorimotorcortex)
Z：零点(zero)即左右脑中心
在实施时，将格式为3ds的3D颅骨模型文件导入至sketchup中，为了实现头盔和头部的特定于主体的适应性，3D颅骨模型的最外表面被定制和修整，作为电极帽的最内表面。同时，表面均匀地向外扩展，使得在头部和头盔内表面之间存在舒适的公差空间，然后通过衬里和复合壳的厚度连续地向外扩展表面，以获得泡沫衬里的外表面和复合壳的外表面。最后，去除3D颅骨模型，仅留下电极帽三维模型。
接着，由于在采集脑电信号时，电极帽并不需要完整地覆盖头皮表面，为了节约成本，对电极帽三维模型进行镂空处理，得到基于电极安装框架的电极帽三维模型，即通过在已得到的电极帽三维模型的基础上，可将不必要的部分去除，仅留下框架部分以及电极安放位置即可。按照图2所示的国际10-20系统电极安放图，进行开孔，勾出电极位置后,基于电极的尺寸对该部分进行推拉、去除，最终得到基于电极安装框架的电极帽三维模型如图3a和图3b所示。
为了方便电极帽在实际使用时，能够快速穿戴正确，以确保准确地采集到脑电信号，电极帽三维模型还设置有基准点位置，用于确定电极帽使用时是否穿戴正确。只要基准点与被测者对应部位重合时，即可判定电极帽穿戴正确。基准点可选择为：鼻根、左右耳前点、枕骨隆突四个点。通过正确对准这四个点，便能够唯一确定每个电极的空间位置，极大地方便了脑电信号的后续处理。
S6：将所述电极帽三维模型导出为3D打印格式文件，用于3D打印出相应的电极帽。具体的，将电极帽三维模型导出为STL格式文件。
因此，本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法通过对用户头部的CT图像或MRI图像依次进行二值化和区域增长处理，得到用户的3D颅骨模型，再对3D颅骨模型进行表面修洁处理，然后对表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；最后，将电极帽三维模型导出为3D打印格式文件，以3D打印出相应的电极帽。因此，本发明实现针对不同用户的头部特征的个性化电极帽的设计，使设计出的电极帽能够更好地贴合用户头部，更精准的EEG信号测量。
本发明在具体实施的一方面，还提供一种基于3D颅骨模型的电极帽制造方法，其包括：获取利用本发明基于3D颅骨模型的电极帽设计方法而导出的3D打印格式文件，再根据所述3D打印格式文件以及预先配置的3D打印技术参数，3D打印出相应的电极帽。
具体的，本发明基于3D颅骨模型的电极帽制造方法中，基于电极帽设计的要求的考量，打印材料应选择强度、韧性较高的为佳，同时考虑到成本问题，因此，选择了光敏树脂材料。光敏树脂材料强度较高，抗冲击能力较好，并且十分环保，适合电极帽的制作。同时，对于对于SLA材料而言，SLA技术成型速度快，工作稳定性很强，同时也具有很高的精度，比FMD技术和SLS技术更具有优势。因此，本发明3D打印的方式采用SLA 3D打印技术。
在实施时，本发明基于3D颅骨模型的电极帽制造方法中，电极帽上安装的电极采用纯银镀氯化银电极。该电极可广泛用于测量脑电、心电、肌电等生物电信号，作为脑电采集电极具有抗干扰性能强，不易极化；测量精度高，噪音小，可重复使用等优点。
本发明在具体实施的一方面，还提供一种基于3D颅骨模型的电极帽设计系统，其包括：
二值化处理模块，用于对获取到的用户头部的CT图像或MRI图像进行二值化处理，得到用户头部的表面轮廓；
区域增长模块，用于对所述表面轮廓进行区域增长处理，得到用户头部的3D颅骨模型；
表面修洁模块，用于对所述3D颅骨模型进行表面修洁处理；
三维建模模块，用于基于经所述表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；以及将所述电极帽三维模型导出为用于3D打印出相应的电极帽的3D打印格式文件。
本发明在具体实施的一方面，还提供一种基于3D颅骨模型的电极帽制造系统，其包括：
二值化处理模块，用于对获取到的用户头部的CT图像或MRI图像进行二值化处理，得到用户头部的表面轮廓；
区域增长模块，用于对所述表面轮廓进行区域增长处理，得到用户头部的3D颅骨模型；
表面修洁模块，用于对所述3D颅骨模型进行表面修洁处理；
三维建模模块，用于基于经所述表面修洁处理后的3D颅骨模型进行电极帽三维建模，并按照电极摆放规则，确定每个电极在电极帽三维模型上的位置坐标；以及将所述电极帽三维模型导出为用于3D打印出相应的电极帽的3D打印格式文件；
SLA 3D打印机，用于根据所述3D打印格式文件以及预先配置的3D打印技术参数，3D打印出相应的电极帽。
应该理解到，本发明所揭露的系统，可通过其它的方式实现。例如所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，模块之间的通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个处理单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。