基于逆向工程技術(shù)構(gòu)建假肢-接受腔有限元模型

周雪兆 石光林 呂少文

摘? ? 要：為研究下肢截肢者使用的假肢接受腔適應(yīng)患者殘肢的幾何形狀和生物力學(xué)需求，建立一個高精度特定對象的有限元模型，更好的研究接受腔和殘肢之間的載荷轉(zhuǎn)移狀況，將一名女性小腿截肢患者的殘肢CT圖像導(dǎo)入到Mimics軟件中進(jìn)行圖像處理實現(xiàn)對骨骼模型的三維重建;然后利用手持式激光掃描儀掃描殘肢表面，利用逆向工程軟件Geomagic studio對圖像進(jìn)行曲面化處理，再將骨骼與殘肢軟組織數(shù)據(jù)進(jìn)行空間復(fù)合，建立殘肢-接受腔模型;最后將殘肢-接受腔模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys中，建立有限元模型. 結(jié)果表明：利用手持式掃描儀建立的殘肢表面模型能夠更高效的完成殘肢-接受腔模型的建立，使有限元模型的建立更為精確.

關(guān)鍵詞：假肢接受腔;CT;手持式激光掃描儀;有限元模型

中圖分類號：R318.1? ? ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.010

0? ? 引言

目前，假肢接受腔的定制主要有兩種：一種是石膏取模法手工制作（傳統(tǒng)石膏取模法）;另一種利用計算機輔助設(shè)計制作.在國內(nèi)，假肢接受腔定制主要采用的是傳統(tǒng)石膏取模法： 技師對殘肢進(jìn)行石膏取形，制作石膏陰模和陽模，根據(jù)技師經(jīng)驗進(jìn)行修型后使用機器抽真空成型. 這種方法使用時間較長，工藝比較成熟，但存在的問題是過度依賴技師的經(jīng)驗而且效率比較低.患者在實際應(yīng)用中容易出現(xiàn)殘肢局部受壓嚴(yán)重，殘肢表面出現(xiàn)紅腫以及配帶不舒適等問題[1].20世紀(jì)80年代末，計算機輔助設(shè)計與制造（CAD/CAM）技術(shù)在國外開始應(yīng)用于接受腔的設(shè)計制作過程中. 假肢接受腔CAD/CAM系統(tǒng)不再只是以殘肢為模板，而是根據(jù)殘肢形狀匹配系統(tǒng)內(nèi)已有的可重復(fù)利用的陽模模型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)個體功能性和舒適度的要求對形狀和尺寸進(jìn)行修型，進(jìn)而通過數(shù)控機床加工成型，最后通過真空注塑方法從陽模上抽取出接受腔[2]. 采用假肢接受腔CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)控設(shè)備具有自動化功能，主要體現(xiàn)在殘肢的取型和接受腔修型方面，大大提高了接受腔的生成效率以及生成質(zhì)量.但是整套設(shè)備比較昂貴，而且要求使用者有一定的CAD設(shè)計基礎(chǔ).由于計算機取模法與傳統(tǒng)石膏取模法相同，系統(tǒng)中的陽模仍然需要技師依據(jù)經(jīng)驗在計算機上進(jìn)行修型. 此種設(shè)備對技師的經(jīng)驗要求高、制作周期長、設(shè)備價格昂貴以及對技師提出軟件應(yīng)用的要求等，導(dǎo)致系統(tǒng)的普及率低，因此，假肢接受腔CAD/CAM系統(tǒng)在康復(fù)醫(yī)院比較難推廣. 近年來，反求工程技術(shù)在康復(fù)醫(yī)療方面得到越來越多的應(yīng)用. 胡迎春等[3]研究了人體腰椎節(jié)段圖像的反求建模和有限元分析. 鄭淑賢等[4]提出結(jié)合CT斷層測量技術(shù)與圖像處理技術(shù)，由二維圖像數(shù)據(jù)快速地提取出骨骼、皮膚軟組織特征，利用反求工程技術(shù)對殘肢骨骼和皮膚軟組織進(jìn)行三維重建，為下一步對殘肢的生物力學(xué)分析和接受腔的CAD設(shè)計建立了數(shù)字化模型.

針對目前假肢接受腔設(shè)計過程中存在的問題，為了提升測量的精度和效率，提高患者的舒適度，本文提出采用高精度非接觸式激光掃描儀對患者殘肢進(jìn)行掃描，得到點云數(shù)據(jù)后用相應(yīng)的軟件進(jìn)行處理得到患者殘肢的數(shù)字模型，隨后建立殘肢-接受腔有限元模型.

1? ? 方法

1.1? ?骨骼模型的三維重建

1.1.1 圖像的處理

本實驗招募志愿者女性一名（身高160 cm，體重? ? ? 56 kg），小腿截肢，殘肢形態(tài)較為規(guī)整. 基于患者的CT圖像，利用Mimics軟件進(jìn)行骨骼模型的重建.如圖1所示，由于CT圖像本身存在噪音影響，利用圖像濾波突出圖像中所需要的部分，降低圖像中的噪音，從而提高骨骼圖像的生成質(zhì)量. 圖像數(shù)據(jù)處理和建模的方式如下：

圖像處理：將導(dǎo)入的CT圖進(jìn)行圖像增強，利用圖像濾波器，增強對比度，提高分辨率，提高圖像質(zhì)量.

圖像分割成型：采用閾值分割法將骨骼和人體其他組織圖像分離開. 閾值分割法是根據(jù)人體不同組織的密度各不相同，灰度值存在差異的原理進(jìn)行圖像分割. 將所需要的骨骼圖像分割出保存到蒙板中，由于骨骼內(nèi)含有骨髓等因素的影響，在閾值分割后生成的骨骼模型中存在很多孔洞，為了不影響骨骼模型實體化后的質(zhì)量需要手動填充生成骨骼三維模型.

1.1.2? 曲面優(yōu)化處理

由于受CT掃描設(shè)備的精度以及軟件的局限性等因素的影響，Mimics重構(gòu)的骨骼模型表面粗糙度較高，是存在很多孔洞和釘狀物等. 利用Geomagic studio強大的點云處理功能得到理想的骨骼模型點云數(shù)據(jù)，統(tǒng)一封裝成理想的骨骼多邊形數(shù)據(jù)模型，然后對骨骼模型表面進(jìn)行平滑處理，孔洞填充，去除釘狀物等一系列處理形成規(guī)整的骨骼多邊形模型. 通過面片處理，格柵處理，NURBS曲面處理等生成理想的骨骼曲面模型，如圖2所示.

1.2? ?殘肢表面的三維重建

手持式激光掃描儀掃描有著較高的便攜性，操作過程十分輕便靈活、成本低，對于模型表面的重建精度比較高. Mimics應(yīng)用于人體組織重建，是利用各人體組織灰度值的差異進(jìn)行圖形的提取. 骨骼的灰度值與人體其他組織的灰度值有很大的區(qū)別，模型生成時精度高，所以目前Mimics大多應(yīng)用于對人體骨骼的重建，而對于人體軟組織來說，每個軟組織的灰度值差別不大，因而在重建過程中CT的噪音會比較多，從而導(dǎo)致生成模型會有很多缺失致使模型精度不高.

1.2.1 圖像的提取

三維掃描取型法是逆向工程領(lǐng)域中的一種應(yīng)用，通過對三維掃描儀搜集到的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化處理，在軟件中進(jìn)行逆向建模來重構(gòu)出實際物體的三維模型. 掃描物體表面各點的空間坐標(biāo)，得到的點集被稱為點云，大量的點云構(gòu)成物體表面的外輪廓.

本研究志愿者采用坐式，殘肢處于放松狀態(tài)，殘肢表面貼定位標(biāo)點如圖3所示，然后配置好掃描儀參數(shù)，對殘肢表面進(jìn)行多次掃描，每次掃描的局部三維圖像數(shù)據(jù)會自動拼接，直到獲得小腿殘肢完整的三維數(shù)據(jù)，如圖4所示.

1.2.2 曲面優(yōu)化處理

基于掃描得到的殘肢表面模型存在著毛刺、曲率過高等問題，可能導(dǎo)致有限元仿真出現(xiàn)異常. 將模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic studio軟件中消除釘狀物、劃分曲面片、構(gòu)造格柵、曲面擬合等步驟，生成軟組織NURBS曲面.

1.3? ?殘肢-接受腔模型的建立

小腿殘肢接收腔一般采用坐骨包容式接受腔，患者需要佩戴襯套與接受腔進(jìn)行接觸. 實現(xiàn)殘肢三維重建后，為了滿足有限元仿真的需要，要求對患者的襯套和接受腔進(jìn)行設(shè)計. 殘肢的骨骼與殘肢表面皮膚圖像是單獨重建的，利用Geomagic studio對骨骼與皮膚進(jìn)行空間匹配建立骨骼和皮膚的空間復(fù)合，恢復(fù)它們原有的空間相對位置關(guān)系. 將殘肢模型導(dǎo)入到UG軟件中，分別向外偏移5 mm抽殼得到襯套和接受腔，然后對接受腔的口型進(jìn)行設(shè)計，使其盡可能多包裹殘肢的同時，能夠保證患者在穿戴時殘肢在接受腔內(nèi)不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，不限制膝關(guān)節(jié)活動，如圖5所示. 最后將殘肢、襯套、接受腔進(jìn)行裝配，形成殘肢-接受腔模型.

2? ? 殘肢-接受腔有限元模型的生成

2.1? ?有限元參數(shù)的設(shè)定

2.1.1 材料參數(shù)的選擇

為了保證模型在有限元分析過程中后續(xù)計算的收斂性和成本，本研究將襯套和接受腔簡化為均質(zhì)的、各向同性線彈性體. 在ANSYS中對彈性材料進(jìn)行定義，需要定義材料密度、彈性模量和泊松比3個參數(shù). 本文采用的具體參數(shù)如表1所示.

人體軟組織的力學(xué)特性是非常復(fù)雜的，它具有各向異性、非均質(zhì)、非線性的特性，本研究將軟組織簡化成均質(zhì)、各向同性的超彈性材料. 在ANSYS軟件分析中選擇了Neo-Hookean模型定義小腿殘肢軟組織材料的本構(gòu)關(guān)系[5].

2.1.2? 相互作用

由于接受腔與軟組織剛度不同，設(shè)定較硬的接受腔表面為目標(biāo)面，較軟的軟組織表面為接觸面，設(shè)定摩擦系數(shù)為μ=0.5. 約束接受腔下端面的6個自由度.

2.1.3? 單元格的劃分

在有限元分析中，網(wǎng)格劃分方式以及單元類型的選擇是比較重要的一個環(huán)節(jié)，因為合理的單元類型選擇和正確的網(wǎng)格劃分方式會使分析結(jié)果更加接近實際結(jié)果. 一般情況下，單元類型通常選擇五面體或六面體，但是由于小腿假肢接受腔、殘肢的軟組織和骨骼的力學(xué)特性比較復(fù)雜，殘肢部位的曲面也極其不規(guī)則，若采用六面體或五面體單元類型可能導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂. 為了簡化計算，綜合考慮之下選擇三維10節(jié)點的四面體單元. 采用ANSYS默認(rèn)的自由網(wǎng)格劃分方式對假肢-接受腔有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 對小腿假肢接受腔、殘肢軟組織和骨骼的有限元模型都采用三維10節(jié)點的四面體單元，是因為這種四面體單元具有二次位移特性，和假肢接受腔及殘肢的材料特性相符，并且對于不規(guī)則的幾何模型，采用三維10節(jié)點的四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可使有限元分析結(jié)果更接近實際應(yīng)力分布情況.

2.1.4? 定義載荷

在站立狀態(tài)下，目前的載荷加載主要有兩種方式：一種是采用實驗法測得地面支反力，將地面支反力施加到接受腔底部來模擬人體站立狀態(tài)下所受載荷;另一種是將人體所受重力的一半，施加到膝關(guān)節(jié)骨骼作為站立狀態(tài)下的載荷. 本文采用第二種方式，將人體所受重力的一半（280 N）作為施加載荷加載到膝關(guān)節(jié)上，目的是考慮到骨骼對殘肢-接受腔模型的受力分析有較大影響.

2.2? ?計算方法

患者在穿戴假肢的過程中，假肢會對殘肢產(chǎn)生一個預(yù)應(yīng)力，而且預(yù)應(yīng)力對模型的分析結(jié)果會產(chǎn)生比較大的影響. 穆晨等[5]驗證了預(yù)應(yīng)力對大腿殘肢的有限元分析結(jié)果的影響. 綜合文獻(xiàn)提出的方法，將計算分兩個步驟進(jìn)行：第一步固定接受腔末端，在沒有外作用力的前提下施加50 N的力模擬殘肢穿戴接受腔的過程;第二步在保持第一步計算所得應(yīng)力和變形的基礎(chǔ)上在膝關(guān)節(jié)上施加280 N的外載力分析殘肢界面應(yīng)力的大小和分布特征[6-9].

2.3? ?結(jié)果分析

小腿假肢的接受腔類型區(qū)別于大腿假肢接受腔，小腿假肢接受腔采用的是坐骨包容式接受腔，主要是髕韌帶承重，兩吊耳懸吊，如圖6所示. 根據(jù)假肢制作技師經(jīng)驗與生物力學(xué)特性，小腿殘肢的髕韌帶部位可以承受較大載荷，小腿殘肢的脛骨兩側(cè)較平坦也可分擔(dān)主要的載荷，小腿腘窩部位也是承受載荷的關(guān)鍵部位并且該部位還能起到一定的抗旋作用. 另一方面，由于小腿的脛骨凸起明顯，該處的軟組織厚度很薄，如受到較大的壓力會表現(xiàn)明顯的疼痛，還有腓骨小頭也是有明顯的凸起，這類部位都是壓力敏感區(qū)，應(yīng)盡量避免受到集中應(yīng)力的作用[10].

通過仿真而得到的殘肢表面應(yīng)力分布云圖（圖7）可看出，在載荷作用下，接受腔與殘肢表面相互擠壓，殘肢表面主要髕韌帶處集中受力，滿足壓力耐受區(qū)的受力要求，另外殘肢表面應(yīng)力較大的部位還有接受腔兩吊耳處，符合技師經(jīng)驗以及生物力學(xué)的要求，其余部位受力明顯小于這兩處. 根據(jù)Rogers and Wilson’s 曲線，超過60 kPa的持續(xù)壓力會造成持續(xù)的溫度升高，臨床表現(xiàn)為皮膚破損. 從圖7可以看出最大應(yīng)力主要分布于髕韌帶附近，大小約為? ? ? ?40.7 kPa，在人體的承受范圍之內(nèi)，可見該接受腔的結(jié)構(gòu)基本滿足舒適度要求.

3? ? 結(jié)論

本文通過利用CT圖像與手持式掃描儀相結(jié)合對殘肢進(jìn)行三維重建定制假肢接受腔的方法成本低，精度高，更接近殘肢的真實情況，適合應(yīng)用于高效、高精度的假肢個性化設(shè)計. 模型的快速生成保證了模型更快通過有限元分析法對患者進(jìn)行個體化分析，幫助技師了解患者殘肢的受力情況，對假肢接受腔適配性進(jìn)行判斷修正，使患者穿戴假肢后殘肢表面受力更加符合人體的生物力學(xué)特性，從而提高患者穿戴假肢的舒適度.

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Building of finite element model of prosthesis - receiver cavity based on reverse engineering technology

ZHOU Xuezhao， SHI Guanglin*， LYU Shaowen

（School of Mechanical and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract：In order to study the prosthetic socket used by lower limb amputees to meet the geometric shape and biomechanical requirements of the residual limb of patients， a finite element model of a? ? specific object with high precision was established. And the load transfer between the prosthetic socket and the residual limb was studied. The CT data of the residual limb of a female leg amputee was? ? ? ? imported into Mimics software for image processing to realize the 3D reconstruction of the bone， and then the surface of the residual limb was reconstructed by the hand-held laser scanner. Geomagic? ? ? ?studio， a reverse engineering software， was used to surface the image， and then the bone and soft tissue