計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作大腿假肢的應(yīng)用研究

賴卿,曹學(xué)軍,莊建龍,王林,田罡,崔繼龍

計(jì)算機(jī)輔助接受腔設(shè)計(jì)(computer aided socket design,CASD)是通過獲取殘肢輪廓或外形尺寸,在計(jì)算機(jī)中對殘肢三維模型進(jìn)行建模和修改的計(jì)算機(jī)程序。CASD可以在短時間內(nèi)得出滿足接受腔結(jié)構(gòu)、功能和基本尺寸的三維模型,并輸出陽模數(shù)據(jù)信息。計(jì)算機(jī)輔助接受腔制作(computer aided socket manufacture,CASM)是通過讀取CASD輸出的三維模型數(shù)據(jù),在規(guī)定時間內(nèi)完成接受腔陽模的加工。

國外,從 20世紀(jì) 80年代已經(jīng)開始了 CASD/CASM技術(shù)的廣泛研究與應(yīng)用[1-5]。工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼出現(xiàn)多種系統(tǒng),典型的有:美國俄亥俄州的OMEGA Tracer CAD系統(tǒng)、加拿大Varum公司的CANFIT系統(tǒng)、瑞典的CAPOD系統(tǒng)、德國的 IPOS公司系統(tǒng)、OTTO BOCK公司以及其他一些系統(tǒng)(如加拿大的VORVM公司、英國的Shape公司以及美國圣地亞哥的BioSculpter、美國Seattle系統(tǒng)等),CASD/CASM 在發(fā)達(dá)國家已得到廣泛的臨床推廣使用。在我國,將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作(CAD/CAM)技術(shù)引入假肢/矯形器領(lǐng)域的研究才剛剛起步,離實(shí)際臨床應(yīng)用尚有不小距離。2000年民政部假肢科學(xué)研究所聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)開發(fā)了一套假肢接受腔CAD/CAM原型系統(tǒng)[6],采用理論設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)口型圈和實(shí)際測量相結(jié)合的方法,對假肢接受腔計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行了初步研究;2002年中國康復(fù)研究中心聯(lián)合北京航空航天大學(xué)摸索了一套假肢接受腔表面建模/修模的方法[7],研制了一套假肢接受腔快速成型裝置并申請專利[8],目前正深入研究這套CAD/CAM系統(tǒng)在臨床的應(yīng)用效果。

本文介紹一種基于三維掃描與逆向工程建立并修改大腿接受腔陽模三維模型的方法,應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制作坐骨包容式接受腔,為患者制作、裝配假肢,進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,并與傳統(tǒng)手工制作的假肢進(jìn)行靜力學(xué)、步行動力學(xué)及殘肢-接受腔界面壓力的比較評價。

1 臨床資料

病例1,男性,29歲,身高 162 cm,體重64 kg,因肢體壞死致左大腿截肢,中等長度殘肢,髖關(guān)節(jié)各肌力正常,除18°髖屈曲攣縮,其他關(guān)節(jié)活動度正常,末端有約10 cm手術(shù)瘢痕,其余皮膚組織良好?；颊呓刂?個月來本中心安裝假肢,穿戴石膏接受腔2個月,殘肢萎縮定形,現(xiàn)需安裝正式接受腔假肢。

病例2,女性,22歲,身高 163 cm,體重42 kg,車禍致右大腿截肢,短殘肢,伸髖及外展髖關(guān)節(jié)肌力Ⅳ級,髖20°屈曲攣縮,其他關(guān)節(jié)活動度正常,殘肢軟組織松弛,皮膚移動度大?；颊呓刂?個月來本中心安裝假肢,殘肢肌肉處于萎縮期。

病例3,男性,37歲,身高 179 cm,體重65 kg,術(shù)后感染致右大腿截肢,殘肢中等偏長,髖外展、后伸肌力Ⅳ級,髖內(nèi)收、屈曲肌力Ⅳ級,髖 16°屈曲攣縮,其他關(guān)節(jié)活動度正常?；颊呓刂?個月來本中心安裝假肢。

2 方法

2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作坐骨包容式接受腔假肢使用3D Camega三維掃描系統(tǒng)拍攝殘肢外型輪廓,并測量殘肢圍長數(shù)據(jù)備用。應(yīng)用Cloudform軟件對采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行除躁和拼接,導(dǎo)出點(diǎn)云至Geomagic 10.0對模型作全局拼接、光順等工作,生成殘肢的三維模型(圖1b);同時人工取患者大腿根部口型石膏陰型,采用相同的方法得到口型圈三維模型(圖1a)。在Geomagic中實(shí)現(xiàn)模型的位移、旋轉(zhuǎn)、縮放、連接和光順,制作成符合接受腔要求的三維模型(圖2)。輸出數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)輔助制作加工機(jī)床,進(jìn)行模型的切削加工得到最終的陽模(圖3)。

對加工出來的硬泡沫樹脂接受腔陽模進(jìn)行圍長尺寸測量,與測量的殘肢圍長尺寸對比,確定壓縮量是否滿足條件;翻石膏陰型,并通過患者不斷試穿的信息反饋在計(jì)算機(jī)中對接受腔模型進(jìn)行不斷調(diào)整,直到患者感覺大小合適、各個部位舒適為止。

指導(dǎo)患者穿戴臨時接受腔假肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,包括單腿站立訓(xùn)練、平地行走、上下坡行走訓(xùn)練和碎石子路行走、草地路面行走訓(xùn)練等,待患者殘肢條件穩(wěn)定并對穿戴假肢適應(yīng)良好后,可以安裝正式假肢。

2.2 手工制作坐骨包容式接受腔假肢 采用手工取石膏模型、修石膏陽型的傳統(tǒng)方法,同樣為患者制作坐骨包容式接受腔,進(jìn)行試穿、調(diào)整和康復(fù)訓(xùn)練。

2.3 生物力學(xué)測試比較 實(shí)驗(yàn)包括靜止站立和跑臺行走兩部分,對患者穿戴兩種不同方法制作的假肢穩(wěn)定性、步行對稱性和殘肢-接受腔界面壓力情況進(jìn)行測試比較。所用設(shè)備為美國Tekscan壓力傳感器測試系統(tǒng)和德國Zebris步態(tài)分析跑步儀。壓力傳感片放置位置為接受腔近端前、后、內(nèi)側(cè)和遠(yuǎn)端前、后、外側(cè),分3次完成殘肢-接受腔界面壓力數(shù)據(jù)的采集;步態(tài)分析跑步儀收集患者足與地面作用力和重心水平面變化數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果

病例1穿戴手工制作和CAD/CAM接受腔假肢靜力學(xué)指標(biāo)和步行假肢側(cè)支撐期百分比指標(biāo)差異不顯著,步行假肢側(cè)和健側(cè)步線長比顯著改善,步行對稱性提高。病例2穿戴CAD/CAM接受腔比手工制作接受腔靜力學(xué)指標(biāo)提高顯著,步行動力學(xué)指標(biāo)差異不顯著。病例3穿戴兩種方法制作的接受腔靜力學(xué)和動力學(xué)指標(biāo)均較穩(wěn)定,其中假肢側(cè)與健側(cè)步線長比指標(biāo)接近正常理論值1,步行對稱性較好。詳見表1。

3例患者殘肢條件、身體狀況和假肢組件不同,相互間殘肢-接受腔界面壓力值差別較大,但患者自身對照呈現(xiàn)出一定規(guī)律性(表2)。手工制作假肢是由有經(jīng)驗(yàn)的假肢師在經(jīng)過患者反復(fù)試穿修改合適后制作的,CAD/CAM方法制作的假肢其殘肢-接受腔界面壓力變化與手工制作的越接近則說明CAD/CAM假肢越符合患者的穿戴需求。

病例3手工制作假肢有硅膠內(nèi)襯套,壓力傳感片置于硅膠套和接受腔之間,其余5個接受腔均與殘肢直接接觸。

靜止站立時病例1 CAD/CAM接受腔較緊,各部位壓力值比手工制作接受腔略大;病例2患者穿戴兩種方法制作的接受腔壓力具有較好的相似性,最高壓力值出現(xiàn)在近端后側(cè),其次是近端前側(cè)和內(nèi)側(cè),最大壓力值小于800 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa);病例3穿戴手工制作假肢近端壓力高于遠(yuǎn)端,最大壓力值出現(xiàn)在近端后側(cè),達(dá)1200 mmHg,CAD/CAM 接受腔近端和遠(yuǎn)端界面壓力差值得到緩和,壓力最大值在近端后側(cè),為889 mmHg,其次為遠(yuǎn)端外側(cè)和近端內(nèi)、前側(cè)。

在步行各時相,殘肢-接受腔各部位界面壓力均值分布在200～1000 mmHg和0～1500 mmHg之間。病例1、病例2穿戴手工制作和CAD/CAM 接受腔各部位壓力隨步行周期變化具有較好的相似性。病例3穿戴手工制作假肢近端后側(cè)壓力在支撐中期至末期達(dá)最大接近1500 mmHg,遠(yuǎn)端外、后側(cè)壓力由擺動期0增加至支撐期600～700 mmHg,遠(yuǎn)端前側(cè)在步態(tài)周期中測得壓力為0,這可解釋為硅膠套對壓力的分散和集中致兩端壓力分化明顯,CAD/CAM制作的接受腔則避免了這種情況的發(fā)生,壓力變化回歸正常。

表1 手工制作與CAD/CAM接受腔靜止站立和1.6 km/h行走步行力學(xué)參數(shù)比較(手工/CAD)

表2 手工制作與CAD/CAM接受腔靜止站立和1.6 km/h行走各步態(tài)時相殘肢-接受腔界面壓力均值比較(手工/CAD,mmHg)

Radcliffe關(guān)于殘肢-接受腔界面經(jīng)典壓力假設(shè)認(rèn)為,步行中內(nèi)外方向的力穩(wěn)定骨盆,前后方向的力穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)。為了穩(wěn)定骨盆,作用于股骨的一對力偶將在支撐中期近端內(nèi)側(cè)和遠(yuǎn)端外側(cè)部分產(chǎn)生最大壓力;考慮膝的穩(wěn)定性,支撐初期的最大壓力會發(fā)生的近端前側(cè)和遠(yuǎn)端后側(cè),而支撐末期的最大壓力發(fā)生在遠(yuǎn)端前側(cè)和近端后側(cè)部分(圖4)[9]。本實(shí)驗(yàn)測得的患者穿戴CAD/CAM接受腔假肢的界面壓力數(shù)值與 Radcliffe假設(shè)基本相符,股骨遠(yuǎn)端外側(cè)壓力變化顯著,在支撐初、中期達(dá)峰值,而坐骨部分壓力值不再遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位,這是坐骨包容接受腔相比四邊形接受腔保持股骨內(nèi)收和包容坐骨、坐骨支的獨(dú)有特征。

4 討論

本文通過采用基于逆向工程的CASD/CASM方法為3例患者裝配大腿假肢并與傳統(tǒng)手工制作假肢進(jìn)行了靜力學(xué)、步行動力學(xué)和殘肢-接受腔界面壓力的評價比較,CASD/CASM假肢滿足生物力學(xué)要求,患者穿戴舒適,制作過程更加快捷、自動化,避免了制作師因經(jīng)驗(yàn)不同導(dǎo)致的主觀差異,減少了石膏污染,改善了工作環(huán)境,工作室可以改造成擁有計(jì)算機(jī)、掃描設(shè)備、數(shù)控加工機(jī)床等更高科技化的新型實(shí)驗(yàn)工作室。建立患者假肢電子檔案、提供后期維修和更換時的可視參考模型,同時不斷累積坐骨包容式接受腔的三維模型庫,將來可以直接調(diào)用口型以設(shè)計(jì)制作接受腔模型[10],實(shí)現(xiàn)由半自動化向全自動化的逐漸轉(zhuǎn)變,最終達(dá)到一人多機(jī)的高效率制作目標(biāo)。

圖4 穩(wěn)定髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的3對力偶

殘肢-接受腔界面要求能獲得滿意的力傳遞、穩(wěn)定性和有效控制的人-機(jī)界面,對界面壓力的測量和理解是為了檢驗(yàn)接受腔的合理性[11]。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供了每次測量2個部位壓力值條件,參考 Edward等的設(shè)計(jì)[12],分3次獲得數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)測得的壓力值處于多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道過的殘肢-接受腔壓力范圍之內(nèi)[12-14]。3例患者身體狀況和選配的假肢組件(接受腔材料、膝關(guān)節(jié)、假腳等)雖然不同,但病例自身具有較高的對照意義,CAD/CAM系統(tǒng)也將在未來臨床實(shí)踐中不斷完善。

本文與另一個假肢的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域——有限元分析殘肢-接受腔界面壓力[11,15]關(guān)系緊密,即在加工接受腔陽模前,若先采用有限元方法模擬靜止載荷及步態(tài)周期載荷對接受腔三維模型進(jìn)行加載和分析,得到理論界面壓力值并指導(dǎo)修改三維模型直至受力合理,可以增加CASD/CASM假肢的成功率[16-17]。

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