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摘要：現(xiàn)有外固定支具比較笨重，不美觀，不透氣，與患部不能很好貼合，對(duì)康復(fù)效果造成影響。采用逆向技術(shù)，通過三維掃描儀掃描采集患者患部，獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到三維數(shù)據(jù)模型。利用UG軟件進(jìn)行正向建模設(shè)計(jì)，根據(jù)醫(yī)生及患者的要求設(shè)計(jì)出符合人體工程學(xué)特性的外固定支具。將逆向與正向建模設(shè)計(jì)相結(jié)合，為個(gè)性化醫(yī)療外固定支具設(shè)計(jì)提供一種高效的方法。

關(guān)鍵詞：逆向技術(shù)；外固定支具；UG

0前言

近年來，隨著社會(huì)節(jié)奏的加快，人們?cè)絹碓阶非髠€(gè)性化發(fā)展，使得醫(yī)療支具的發(fā)展趨于精準(zhǔn)化、個(gè)性化、時(shí)尚化。外固定支具是利用體外設(shè)計(jì)的裝置，將患部治療之后保持在正常位置，如骨折和肢體矯形手術(shù)之后，保持到正常位置，以便于患部和其他組織盡快修復(fù)。傳統(tǒng)的醫(yī)療外固定支具有石膏、夾板等，但這些固定方式都有自己的局限性。石膏固定比較笨重、不美觀、不透氣，固定之后不能調(diào)整；夾板固定時(shí)，是根據(jù)患者的部位設(shè)定型號(hào)，這樣使得夾板不能與被固定的部位完全貼合，可能在治療中達(dá)不到預(yù)期的康復(fù)效果。為了能夠達(dá)到醫(yī)生、患者的需求，逆向技術(shù)能夠很好的利用其還原物體原有結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]，解決外固定支具與患部不能完全貼合的問題，通過對(duì)患部的掃描設(shè)計(jì)外固定支具，來解決笨重不美觀、不透氣的問題；然后再用快速成型機(jī)將設(shè)計(jì)的模型制造出產(chǎn)品。這樣既滿足了患者個(gè)性化的需求，也達(dá)到了快速康復(fù)的效果。隨著逆向工程技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)逆向工程技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，蘇恒等[2]提出使用GeomagicDesignX軟件對(duì)腳踝掃描的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行逆向和正向混合建模，設(shè)計(jì)醫(yī)療護(hù)具；張凱等[3]利用GeomagicDesignX軟件對(duì)毛球修剪器進(jìn)行了模型重構(gòu)，并對(duì)模型進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。他們都是在GeomagicDesignX軟件中進(jìn)行的逆向和正向設(shè)計(jì)。目前，從唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系參加教育部主辦的職業(yè)院校職業(yè)技能大賽——“工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)”的經(jīng)驗(yàn)中得到，GeomagicDesignX是一款有強(qiáng)大的逆向建模功能的軟件，尤其是處理大曲面時(shí)更有優(yōu)勢，但在正向設(shè)計(jì)中，操作方式、建模速度都存在劣勢。所以，本文采用GeomagicDesignX逆向建模、UG正向建模的混合方式進(jìn)行設(shè)計(jì)[4-5]，以腕部關(guān)節(jié)外固定支具為設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)介紹一種精準(zhǔn)化、個(gè)性化、時(shí)尚化外固定支具的設(shè)計(jì)流程、方法和特點(diǎn)。

1設(shè)計(jì)流程

依照患部制定外固定支具首要環(huán)節(jié)是要采集患部三維數(shù)據(jù)，目前常用獲取患部數(shù)據(jù)的方式有兩種。第一種是利用醫(yī)學(xué)影像（CT、MRI）等技術(shù)，通過層面掃描獲取二維圖像，再通過專用的三維軟件（Mimics、Simpleware、3D-DOCTOR等）將層面圖像構(gòu)建出三維圖像，主要用途是檢查人體骨骼、軟組織、器官等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該方法可獲得精度較高三維數(shù)據(jù)模型。第二種是利用三維掃描儀掃描患部獲取三維數(shù)據(jù)，此方法可以方便、快捷的獲取患部點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過后處理軟件GeomagicWrap得到患部的外部數(shù)據(jù)模型。筆者將患部掃描采集的數(shù)據(jù)在GeomagicWrap中進(jìn)行點(diǎn)云拼接、去噪、填補(bǔ)、封裝等，得到一個(gè)完整患部三角面片模型；將三角面片模型導(dǎo)入GeomagicDesignX進(jìn)行逆向建模，鑒于掃描模型是由若干個(gè)曲面組成，在進(jìn)行逆向建模時(shí)，不需要重新劃分領(lǐng)域，可以利用軟件將三角面片直接擬合成曲面，進(jìn)行剪切等操作得到外固定支具的內(nèi)表面模型，再根據(jù)患部所在的位置以及醫(yī)生、患者的具體要求設(shè)計(jì)外固定支具，最終得到精準(zhǔn)、個(gè)性化的支具。設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

2逆向設(shè)計(jì)

2.1腕部數(shù)據(jù)采集。設(shè)計(jì)腕部外固定支具，首先要獲得腕部外表面結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，使用固定式三維掃描儀采集腕部數(shù)據(jù)，把患者的前臂平放在表面鋪有黑布的掃描平臺(tái)上，前臂處于自然狀態(tài)，從正面和背面分兩步掃描，確保掃描儀能夠?qū)⒒疾繏呙柰暾贿B接并啟動(dòng)掃描儀，對(duì)掃描儀進(jìn)行標(biāo)定，確保掃描環(huán)境光線穩(wěn)定，防止光線對(duì)掃描造成的影響。掃面過程中需要前臂保持固定姿勢，以免掃描圖形在軟件拼接中失敗。

2.2腕部點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。從掃描物體表面三維坐標(biāo)系統(tǒng)中得到點(diǎn)數(shù)據(jù)集合稱為點(diǎn)云數(shù)據(jù)。采集前臂數(shù)據(jù)過程中，會(huì)受到周圍環(huán)境干擾產(chǎn)生不相關(guān)噪點(diǎn)等，需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)去噪和優(yōu)化處理。筆者將采集的前臂點(diǎn)云數(shù)據(jù)在GeomagicWrap中進(jìn)行處理，首先去除體外孤點(diǎn)、非連接項(xiàng)、噪音去除、平滑等，再進(jìn)行手工注冊(cè)，選用“n點(diǎn)注冊(cè)”方式，選擇兩個(gè)掃描模型共同部位的點(diǎn)云進(jìn)行拼接、注冊(cè)、合并、封裝，得到點(diǎn)云模型；對(duì)模型進(jìn)行刪除釘狀物、減少噪音、補(bǔ)孔等細(xì)節(jié)操作時(shí)，不要過于追求表面光滑，會(huì)使模型的局部（尺骨等）特征丟失；最后檢查局部特征有無瑕疵并修正，保存輸出STL文件格式。

2.3腕部曲面創(chuàng)建。自動(dòng)創(chuàng)建曲面命令可以采用自動(dòng)或手動(dòng)的方式構(gòu)建曲線網(wǎng)格，并且曲面擬合時(shí)要能夠保證底層網(wǎng)格精度的網(wǎng)格，GeomagicDesignX軟件可內(nèi)部進(jìn)行估算或根據(jù)操作者指定的某一曲面片數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后對(duì)自動(dòng)生成的曲面片進(jìn)行縫合。這種重構(gòu)模型的方法擬合效率和精度高，但對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理要求較高[6]。采用自動(dòng)創(chuàng)建曲面的方法適合被掃描部件細(xì)節(jié)特征較多且對(duì)曲面精度要求不是太高的模型。處理之后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)模型是由多個(gè)面片組成，每個(gè)面片是由3個(gè)點(diǎn)連接組成的三角形，若干個(gè)三角面片組合到一起顯示產(chǎn)品復(fù)雜曲面以及形狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于一般特征的產(chǎn)品逆向建模需要的流程有：對(duì)齊坐標(biāo)、劃分領(lǐng)域、草圖繪制、創(chuàng)建特征、偏差分析等。但腕部關(guān)節(jié)沒有規(guī)則特征，是由若干個(gè)曲面組成，所以在GeomagicDesignX軟件建模中，筆者采用自動(dòng)創(chuàng)建曲面命令，進(jìn)行腕部模型的逆向建模。執(zhí)行自動(dòng)創(chuàng)建曲面命令時(shí)，構(gòu)造出的曲面網(wǎng)格是由GeomagicDesignX軟件依據(jù)曲面整體的輪廓隨機(jī)生成，在隨機(jī)生成的曲面片中，一些網(wǎng)格不符曲面特征和結(jié)構(gòu)特征，需要通過手動(dòng)方式對(duì)曲面片網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整，使生成的曲面與實(shí)物更加匹配，最后將逆向建模的實(shí)體模型導(dǎo)出STP格式用于正向設(shè)計(jì)。

3正向設(shè)計(jì)

3.1人體工程學(xué)設(shè)計(jì)。通過三維掃面議掃描得到人體的患部數(shù)據(jù)，充分利用逆向建模數(shù)據(jù)，在UG軟件進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。正向設(shè)計(jì)要保證患部在康復(fù)或矯正時(shí)能夠獲得良好的效果，需要使設(shè)計(jì)的外固定支具與患部具有仿形帶來的高契合度；將外固定支具外觀設(shè)計(jì)成鏤空形狀，滿足舒適性和透氣性；將外固定支具增加可調(diào)節(jié)松緊不銹鋼喉箍或環(huán)形魔術(shù)貼，保證支具在患部具有更好的穩(wěn)定、可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。筆者將逆向建模中保存的STP文件導(dǎo)入到UG軟件中，進(jìn)行正向建模。由于本外固定支具主要是針對(duì)腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了便于正向設(shè)計(jì)，將模型的一部分手指剪切，能夠使后續(xù)生成外固定主體更加貼合模型。實(shí)體建模可以用參數(shù)化去繪制草圖，然后利用命令特征生成實(shí)體，但腕部模型沒有具體尺寸而且是不規(guī)則的物體，所以在曲面建模不能完全參數(shù)化進(jìn)行繪制。UG軟件具有強(qiáng)大的曲面建模及設(shè)計(jì)的能力，使用偏置曲面命令，將剪切之后的模型進(jìn)行曲面偏置，生成一個(gè)與模型一樣的曲面；將腕部模型與偏置曲面留有2mm間隙，為后期康復(fù)纏繃帶留出余量；使用加厚命令，對(duì)偏置曲面進(jìn)行加厚處理，厚度為6mm，使之成為一個(gè)實(shí)體模型。加厚之后進(jìn)行拆分，將實(shí)體模型分為上下兩部分，進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮安裝可靠及便捷性，將拆分線設(shè)計(jì)為曲線，然后在分割的上下實(shí)體接觸面設(shè)計(jì)出凹凸槽結(jié)構(gòu)，使上下兩部分在進(jìn)行安裝時(shí)能夠準(zhǔn)確快速定位。為了使分割的上下兩部分固定牢固，在手腕和尾部采用環(huán)形槽設(shè)計(jì)，然后利用不銹鋼喉箍或環(huán)形魔術(shù)貼對(duì)支具進(jìn)行調(diào)解。

3.3個(gè)性化設(shè)計(jì)。對(duì)于傳統(tǒng)的石膏固定、夾板固定等支具而言，其外觀比較笨重、不美觀，長時(shí)間佩戴后容易滋生細(xì)菌，導(dǎo)致患部潰爛、發(fā)炎等并發(fā)癥。針對(duì)上述問題，本外固定支具在表面設(shè)計(jì)出鏤空形狀，增加透氣性，支具更輕量化。在UG軟件中，通過掃描、逆向得到的腕部數(shù)據(jù)模型，在此基礎(chǔ)進(jìn)行正向建模模設(shè)計(jì)，利用UG軟件強(qiáng)大的曲面建模特點(diǎn)，使用曲面命令特征創(chuàng)建外固定支具實(shí)體模型，在將表面進(jìn)行個(gè)性化鏤空設(shè)計(jì)，得到了一種精準(zhǔn)化、個(gè)性化、時(shí)尚化外固定支具。

4總結(jié)

本研究針對(duì)醫(yī)療外固定支具現(xiàn)狀，提出基于逆向技術(shù)的個(gè)性化醫(yī)療外固定支具的設(shè)計(jì)方法，采用三維掃描儀來采集患部的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用GeomagicWrap軟件進(jìn)行點(diǎn)云處理，利用GeomagicX進(jìn)行逆向建模，利用UG軟件對(duì)外固定支具進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，添加個(gè)性化設(shè)計(jì)。通過以上方法得到一種美觀、輕便，便于安裝的外固定支具，為今后醫(yī)療外固定支具應(yīng)用與發(fā)展提供了參考。

作者:閻金剛 張吉利 王建新 姚海明 孔蕊 單位:唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院唐山市農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站