基于磁共振成像殘肢三維重建模型設計的壓緊/釋放型大腿假肢接受腔

孟昭建，張明，梁錦倫

1.廣東省工傷康復中心康復研究所，廣東廣州市 510400；2.香港理工大學生物醫(yī)學工程系，香港

下肢截肢患者主要依賴假肢輔助站立和行走。截肢患者的功能恢復受截肢平面的影響，截肢平面越高，患者使用假肢康復時遇到的障礙就越大。與小腿截肢患者相比，大腿截肢患者因為膝關節(jié)的喪失，情況會變得更加糟糕[1?2]。下肢假肢通常所包含的部件包括假肢接受腔、關節(jié)(髖、膝或踝)、假腳和其他附屬連接件。除了患者本身殘肢條件以及身體健康狀況外，這些不同假肢部件的選擇和組合也會影響患者使用假肢的發(fā)揮。

隨著科技的發(fā)展，智能假肢關節(jié)、假腳部件以及高性能材料部件取得飛速發(fā)展。電腦芯片控制或者外動力膝關節(jié)的出現(xiàn)使得患者的步態(tài)更加自然，各種碳纖或者儲能假腳使患者的步態(tài)更加輕盈、省力。這些研究都集中在提高材料強度、降低患者的能量消耗和模仿身體運動功能上[3?5]?；颊呤褂眠@些先進的假肢配件后，步態(tài)和能量消耗得到有效改善。然而，對于截肢患者來說，成功的假肢裝配主要依賴于假肢的接受腔，而并非前述的先進組件。接受腔是直接接觸殘肢和連接假肢其他部件的載體，起著容納殘肢、懸吊、傳遞力和運動的重要作用。不管假肢其他部件有多么先進和智能，截肢患者很可能會因為接受腔的不合適而拒絕使用假肢。

臨床上因假肢接受腔不合適所引起的殘肢問題很多，如壓瘡、皮膚刺激、囊腫、皮膚繭和疣狀增生[8?10]。這些癥狀往往是因為接受腔和殘肢皮膚之間的剪切力、潮濕環(huán)境和過大的壓應力造成[11]。目前，大腿假肢接受腔的應用還是以坐骨承重和坐骨包容接受腔口型比較普遍。過高的接受腔上緣阻礙髖關節(jié)的活動，不適當?shù)慕邮芮磺惑w控制使殘肢在接受腔內產生活塞運動，并增加股骨在軟組織內的運動，不能有效傳遞殘肢的驅動力。

近年來，壓緊/釋放型接受腔試圖通過對于殘肢軟組織的進一步加壓和周圍組織的釋放以達到穩(wěn)定股骨，促進殘肢對假肢的有效控制[12?13]。接受腔上緣的高度可以被降低，因為殘肢對假肢接受腔有更有效的控制[14]。制作接受腔的一般流程為：取模(石膏繃帶/3D 掃描)?陽模修型?成型制作。在此過程中，石膏繃帶取模和陽模修型對假肢師的臨床技能依賴度很高，而且較難量化[15]，而3D 掃描因為人體在正常生理位站立時，左右大腿內側相互影響，很難掃描到內側輪廓。

本研究旨在設計一種以患者MRI重建的三維殘肢模型為基礎創(chuàng)建的壓緊/釋放型大腿假肢接受腔，進一步優(yōu)化和量化大腿假肢接受腔的制作。

1 對象與方法

1.1 實驗對象

患者男性，48歲，左側大腿截肢，無其他既往病史，日常使用大腿假肢，生活完全自理并進行室內、戶外活動。實驗前向患者告知本研究詳細內容，簽署知情同意書。本研究經香港理工大學倫理委員會批準。

1.2 方法

1.2.1MRI

患者平躺于磁共振檢查床，髖關節(jié)保持中立位，患者殘肢側穿戴保持殘肢自然狀態(tài)的陰型石膏繃帶接受腔，以確保殘肢形狀不受重力影響改變。采用GE Signa HDxt 1.5 T MRI，層厚2 mm，用時35 min。

1.2.2接受腔設計

此研究以患者MRI資料為基礎，用Mimics(Mate?rialise,Belgium)軟件三維重建獲得患者肢體輪廓并將殘肢的股骨和軟組織進行分割(圖1a)。將三維重建后的殘肢輪廓導入SolidWorks (SolidWorks Corporation,MA,USA)軟件中，以零等距面的方法構造出軟組織的外輪廓作為壓緊/釋放型接受腔的基礎模型。然后在基礎模型最上緣的水平面上，用正中矢狀面和冠狀面將其均等為四等分，再以四等分為基礎分割為八等份。每一份的寬度(大腿殘肢上周圍長除以8)為最終的壓力平面寬度，受壓位置設置于正中矢狀面和中間冠狀面的1/2位置，即在兩平面間的45°角位置上。應用旋轉切割的方法在這個部位下壓15 mm，寬度定義為5 mm，以選取的中心點為原點做四組對稱向下凸出15 mm，將其相鄰部位開口以便于受壓的軟組織釋放(圖1b～d)，輸入的數(shù)據(jù)從預實驗中獲得。預實驗中，為大腿截肢患者分別制作壓縮深度為5 mm、10 mm、15 mm、17 mm 和20 mm 的大腿假肢接受腔。患者穿戴接受腔后進行測試和評分，將反饋結果用改良的假肢評分問卷進行分析。

患者對15 mm 的壓縮深度的接受腔在舒適性和有無疼痛的評分最為理想。最后根據(jù)需要加厚接受腔，此研究中采用4 mm的厚度設計(圖1e)。設計好的文件導出為STL 格式可用于3D 打印，或用布爾運算將接受腔模型從軟組織中減掉即可得到接受腔陽模模型，陽模模型輸出的STL 格式文件用于計算機輔助制造(computer?aided manufacture,CAM)切割泡沫模型后(圖1f)真空成型制作接受腔。

1.3 接受腔評估

設計好的接受腔與殘肢的軟組織組裝在一起導入有 限元分析軟件Abaqus 6.11 (Dassault Systèmes,RI,USA)中進行殘肢表面應力分布分析。采用10 mm 的熱塑板材在CAM 制作的陽型模型上真空成型制作壓緊/釋放型接受腔?；颊叽┐髦谱骱玫慕邮芮怀兄剡m應后，用壓力傳感器F?scan (Tekscan Inc.,Boston,USA)進行殘肢表面壓力測試[16]。見圖2。完成壓力測試后給予改良的假肢評估問卷反饋意見[17]。問卷主要內容包括患者穿戴接受腔的舒適度、穩(wěn)定性、懸吊、穿脫、是否有疼痛和整體感覺。答案的劃分為1～5 分5個等級：1 分，十分糟糕；2 分，不滿意；3 分，一般；4分，滿意；5分，非常滿意。

2 結果

患者對此接受腔的舒適度、穩(wěn)定性和穿脫性為4分，相對應在好的標準。沒有任何一項分值低于4，整體滿意度較高。

有限元分析得出殘肢表面最大接觸壓力為218.5 kPa，F(xiàn)?scan壓力傳感器測得的最大壓力為239 kPa。

3 討論

圖1 壓緊/釋放型大腿假肢接受腔的設計流程

圖2 患者穿戴壓緊/釋放型接受腔進行殘肢表面壓力測試

利用MRI資料三維重建殘肢幾何體能夠較準確還原殘肢的體積和形狀[18?19]。此研究依據(jù)三維重建后的殘肢外表面零等距的方法，設計接受腔初始模型，使得接受腔對殘肢的順應性和依附度高，解決了利用石膏繃帶獲取殘肢模型時對假肢師技術水平的高度依賴，以及3D 掃描難于獲得大腿內側輪廓的不足以及移動偽影。此方法對于接受腔的體積和修模壓緊量進行精確控制和量化，為假肢接受腔的設計提供了一種更為可靠、準確和高效的設計方案。同時因為接受腔創(chuàng)建基于殘肢的影像，二者坐標一致，可以更好地組裝在一起進行有限元分析研究。有限元對于殘肢表面應力分布的模擬結果幫助設計接受腔的壓力大小和位置。本研究中接觸壓力主要集中在受壓部位的上緣。接受腔的進一步設計優(yōu)化時，可將上緣部分的壓縮量減少，逐步進行測試使其應力和壓力更均勻地分布。這種接受腔設計?有限元分析?依據(jù)有限元分析結果優(yōu)化接受腔設計的方法使得接受腔的修改和測試在給患者試樣前就完成，減少在患者身上的反復試驗和修改[20?22]。

Colombo 等[23]利用有限元分析大腿截肢患者穿戴傳統(tǒng)假肢接受腔在步態(tài)周期中的最大接觸壓力為200 kPa。Velez 等[24]則發(fā)現(xiàn)大腿截肢患者應用坐骨承重和坐骨包容接受腔的最大接觸壓力為151 kPa。本研究中，患者殘肢表面的最大壓力值明顯比之前研究的坐骨包容和坐骨承重大腿假肢接受腔對殘肢表面所產生的壓力大，但在患者的疼痛閾值和疼痛可忍受范圍內[25]?；颊邔τ诖朔N方法制作的接受腔反饋較好，可以進行更大樣本量的研究以支持其廣泛應用。

本研究僅對壓緊/釋放型假肢接受腔進行嘗試，對于傳統(tǒng)的坐骨承重和坐骨包容式假肢接受腔需要進一步研究，以確定坐骨部位的精確位置和結構設計。如果這種基于三維影像設計的接受腔?有限元分析反饋優(yōu)化?計算機輔助設計的方法能夠推廣和應用，將會提高假肢接受腔的質量和裝配成功率。