基于足部數(shù)字化模型的拇外翻矯形器定制設計

張芳蘭，陳瑞營

基于足部數(shù)字化模型的拇外翻矯形器定制設計

張芳蘭，陳瑞營

(燕山大學藝術(shù)與設計學院，河北 秦皇島 066004)

為了提高矯形器快速定制的精準性與匹配性，建立了一種基于足部數(shù)字化模型的拇外翻矯形器定制設計與評價模型以及具體方法流程。利用人機工程學用戶需求三維分類與訪談法獲取拇外翻患者用戶需求，通過層次分析法確立用戶需求優(yōu)先度；利用TRIZ沖突解決理論獲取矯形器創(chuàng)新設計方向；借助3D掃描技術(shù)得到足部點云模型，通過三階段式數(shù)據(jù)處理與偏差分析確保足部數(shù)字化模型的精準性。構(gòu)建基于足部數(shù)字化模型的拇外翻矯形器基礎模型，并結(jié)合創(chuàng)新設計方向產(chǎn)生矯形器設計方案；通過偏差平均值與標準差評價設計方案匹配度，結(jié)合方案可視化評價，確保最終設計方案的精準性。最后，通過拇外翻矯形器定制設計實例論證了所建立模型與具體方法流程的可行性。

足部數(shù)字化模型；拇外翻；矯形器；定制設計；匹配度

拇外翻是一種常見的足部疾病，發(fā)病率為20%~50%，其中男女比例1∶9~15[1-2]。通過佩戴矯形器進行非手術(shù)的保守治療是患者的首要選擇。目前拇外翻矯形器為預制件，未能滿足不同足部個性化尺寸特征，導致穿戴舒適性低，矯形效果不佳。近年來，3D掃描與打印、逆向工程(reverse engineering, RP)、計算機輔助設計(computeraideddesign, CAD)等技術(shù)已被廣泛應用于矯形器研究領(lǐng)域，為各類矯形器的定制設計提供了準確的非接觸式人體數(shù)據(jù)測量、數(shù)字化模型構(gòu)建以及快速成型的方法。國內(nèi)外學者對適用于人體不同部位的產(chǎn)品定制設計方法與流程進行研究。張愛平等[3]根據(jù)人體軀干數(shù)字化模型；廖政文等[4]根據(jù)人體上肢數(shù)字化模型，通過CAD軟件處理，分別提出脊柱側(cè)彎矯形器、上肢矯形器的定制設計方法；文獻[5-6]根據(jù)人體頭部數(shù)字化模型，提出頭盔定制設計框架，實現(xiàn)頭盔與不同頭部形狀特征匹配；文獻[7-8]運用RP，CAD和3D打印技術(shù)設計并驗證了手部矯形器和手套的定制設計生產(chǎn)過程；文獻[9-10]用3D掃描和打印技術(shù)分別實現(xiàn)了足踝部矯形器和鞋墊個性化定制設計，并進行舒適度評價。這些研究表明基于人體數(shù)字化模型的定制產(chǎn)品設計可以提高匹配度、舒適度。

在產(chǎn)品設計方案產(chǎn)出過程中，基于TRIZ理論的集成方法可以實現(xiàn)設計問題的快速求解。文獻[11]提出了一種基于QFD和TRIZ相結(jié)合的產(chǎn)品概念設計方法，優(yōu)化了產(chǎn)品概念設計方法；文獻[12]提出了基于E/HOQ/TRIZ集成模型的人機產(chǎn)品創(chuàng)新設計方法，有效彌補了單一設計理論與方法的局限性，實現(xiàn)人機產(chǎn)品創(chuàng)新設計。針對拇外翻矯形器的設計，本文將足部數(shù)字化建模技術(shù)與TRIZ理論相結(jié)合，提出一種拇外翻矯形器的定制設計模型與方法。最后，通過拇外翻矯形器的實例設計與匹配度評價，驗證該模型與方法的可行性。

1 拇外翻

1.1 拇外翻足部骨骼

人體正常足部和拇外翻足部骨骼如圖1(a)所示。拇外翻表現(xiàn)為拇外翻角(圖1 (b)中的∠1′)大于或等于15°，跖骨間角(圖1 (b)中的∠2′)大于9°。拇外翻不僅影響足部美觀，并且跖骨頭內(nèi)側(cè)與鞋幫磨擦形成骨贅、拇囊炎，引發(fā)疼痛。另外，前足底壓力增加，并向足內(nèi)側(cè)偏移，導致前足疼痛與人體平衡能力減退，影響行走功能。

1.2 現(xiàn)有矯形器問題

拇外翻矯形力學原理如圖2所示。由于矯形方式的不同，現(xiàn)有拇外翻矯形器分為2類：①在第1腳趾外側(cè)施力的矯形器，如圖3 (a)和圖3 (b)所示，會造成第1腳趾與第2腳趾之間縫隙過大；②在第1腳趾內(nèi)側(cè)施力的矯形器。使用柔性材料施加力的矯形器，如圖3 (c)和圖3 (d)所示，由于柔性材料限制，矯正力度有限，不適用于拇外翻嚴重的患者。使用硬性材料施加力的矯形器，如圖3 (e)和圖3 (f)所示，該類矯形器與個體足部曲面形狀特征匹配度低，導致局部壓力過大誘發(fā)疼痛。因此，現(xiàn)有矯形器共存的缺點是尺寸單一，不能滿足個性化足部形狀特征，并且足弓部分缺少支撐，導致前足內(nèi)側(cè)局部壓力過大，誘發(fā)疼痛。

(a) 正常足部骨骼

(b) 拇外翻足部骨骼

圖1 正常足部和拇外翻足部骨骼

圖2 拇外翻矯形器力學原理

(a) 使用硬性材料在 外側(cè)施加力1(b) 使用硬性材料在 外側(cè)施加力2 (c) 使用柔性材料在 內(nèi)側(cè)施加力(d) 使用硬性材料在 內(nèi)側(cè)施加力 (e) 使用硬性材料在 內(nèi)側(cè)施加力1(f) 使用硬性材料在 內(nèi)側(cè)施加力2

2 拇外翻矯形器定制設計方法

本文針對現(xiàn)有拇外翻矯形器存在的問題，將基于3D掃描的足部數(shù)字化模型構(gòu)建方法與TRIZ沖突解決原理相結(jié)合，建立了面向拇外翻人群的足部矯形器定制設計與評價模型，如圖4所示。

圖4 足部矯形器定制設計與評價模型

具體實施流程為：

流程1. 獲得拇外翻矯形器的用戶需求。通過訪談法、人機工程學用戶需求三維分類確定用戶需求，進行需求初選。利用層次分析法獲取用戶需求優(yōu)先度。

流程 2.利用TRIZ沖突解決原理獲取產(chǎn)品創(chuàng)新設計方向。將實際設計問題，通過TRIZ39個通用技術(shù)參數(shù)轉(zhuǎn)化為TRIZ標準問題，確立沖突類型，利用沖突解決原理推薦的具體發(fā)明原理，結(jié)合實際設計問題，確立矯形器創(chuàng)新設計方向。

流程3. 構(gòu)建足部數(shù)字化模型。對拇外翻足部進行3D掃描，得到三維點云數(shù)據(jù)，利用Geomagic Studio進行點階段、多邊形階段、精準曲面階段3階段式預處理，并結(jié)合偏差分析，構(gòu)建精準足部數(shù)字化模型。

流程4. 拇外翻矯形器設計方案產(chǎn)生。根據(jù)足部數(shù)字化模型和解剖學參照點，結(jié)合基于TRIZ沖突解決原理的創(chuàng)新設計方向，產(chǎn)生拇外翻矯形器設計方案。

流程5. 設計方案匹配度評價。在Geomagic Studio對矯形器與足部接觸部分和足部點云模型進行偏差分析，利用偏差色譜圖可視化評價矯形器與足部貼合度。矯形器的匹配度(orthosis fit index，OFI)可以利用矯形器與足部點云模型的偏差平均值(average deviation，AD)和標準差(standard deviation，SD)通過式(1)計算得到OFI分值，其分值為1~100之間的數(shù)字。根據(jù)OFI分值，確定匹配度等級見表1。另外，在Rhinoceros軟件中對矯形器進行虛擬裝配，可視化評價矯形器模型與人體足部數(shù)字化模型是否匹配。將矯形器模型和足部模型對齊后，旋轉(zhuǎn)視圖觀察如果模型之間有重疊，則不匹配；反之，匹配。

表1 匹配度分值等級劃分表

3 拇外翻矯形器定制設計實例

實驗對象為一名拇外翻女性患者，年齡24歲，鞋碼38歐碼。

3.1 獲得拇外翻矯形器用戶需求

從人機交互、人機情感、人機效能3個維度對拇外翻患者進行用戶需求訪談。通過合并刪減用戶需求，進行需求初選。利用層次分析法構(gòu)建用戶需求層次結(jié)構(gòu)模型，通過計算得到需求重要度權(quán)重，如圖5所示。依據(jù)權(quán)重獲得用戶需求優(yōu)先級排序，得到最重要的3個用戶需求是舒適、省力、易用。

圖5 拇外翻矯形器人機用戶需求三維分類及權(quán)重

3.2 利用TRIZ理論得到產(chǎn)品創(chuàng)新設計方向

根據(jù)1.2節(jié)中現(xiàn)有矯形器會造成第1腳趾與第2腳趾之間間隙過大，柔性材料矯正效果有限，硬性材料會造成局部疼痛，矯形器對前足壓力沒有改善等現(xiàn)有問題以及3.1節(jié)中舒適、省力、易用3個用戶優(yōu)先需求綜合分析，得到拇外翻矯形器3個待解決的人機設計關(guān)鍵問題：①足部第1、第2腳趾的間隙過大；②矯形器對足弓部位缺少支撐；③矯形器的舒適度和易用性需要提升。

依據(jù)3個待解決的人機設計關(guān)鍵問題，構(gòu)建出TRIZ中與其相對應的通用工程參數(shù)見表2。問題①為矯形器使足部第1、第2腳趾的間隙過大，與矯正目的使足部腳趾保持正常位置沖突，屬于物理沖突，使用空間分離原理解決，可選擇的發(fā)明原理編號為1，2，3，7，13，17，24，26和30。根據(jù)實際問題選擇13反向原理，改變矯形器施加力的方向。采用軟性材料魔術(shù)貼纏繞腳趾1周的方式施加力，根據(jù)拇外翻嚴重級別調(diào)整矯正程度；問題②是矯形器對足弓支撐作用與可活動性之間的沖突，為技術(shù)沖突，轉(zhuǎn)化為一般問題為靜止物體的面積與可操作性之間的沖突，利用TRIZ沖突矩陣得到建議的發(fā)明原理編號4和16，如圖6所示，選擇4增加不對稱，足底材料使用剛性材料作為支撐，其他部位使用軟性材料保證舒適度。問題③矯形器對足弓支撐作用與用戶躺臥狀態(tài)下足跟部位的舒適度的沖突，為技術(shù)矛盾，轉(zhuǎn)化為一般問題為靜止物體長度與靜止物體作用時間的沖突，利用圖6沖突矩陣得到建議的發(fā)明原理編號1，35和40，選擇1分割，將足后跟部位設計為可拆卸部件，使用磁力連接，躺臥時可以將后半部分去除。

表2 待解決沖突問題及其對應的TRIZ理論通用工程參數(shù)

圖6 解決沖突問題的局部沖突矩陣

最終，得到拇外翻矯形器3個創(chuàng)新設計方向：①矯正方式，根據(jù)拇外翻嚴重級別確定矯正程度，使用軟性材料魔術(shù)貼纏繞足部第1腳趾向足內(nèi)側(cè)拉伸，矯正力度可以自行調(diào)節(jié)，同時提供了前足的可活動度，提高舒適度；②材料方面，足底足弓部分使用剛性材料起支撐作用，可以改變足底壓力分布，更省力，其他部位使用軟性材料提供可活動度；③穿戴方式，可拆卸設計，躺臥時可以將足后跟部分去除，提高舒適度。

3.3 構(gòu)建足部數(shù)字化模型

采用非接觸式激光手持掃描儀(structure sensor)對足部進行3D掃描，如圖7所示。3D掃描時，掃描儀應該以足部為中心，掃描距離保持在40 cm左右，平穩(wěn)、緩慢、速度均勻地旋轉(zhuǎn)360°，以便同時得到足底和足背的三維數(shù)據(jù)，并保存為OBJ格式。

圖7 掃描時足部姿勢

為了獲得精準的足部數(shù)字化模型，需要對足部點云數(shù)據(jù)進行處理，分為點階段、多邊形階段、精準曲面3個階段。處理完畢后利用偏差分析工具對人體足部數(shù)字化模型進行偏差分析，確保人體足部數(shù)字化模型的精確度。

(1) 點階段。去除無關(guān)點，重新建立坐標系，如圖8 (a)所示；

(2) 多邊形階段。將點云模型轉(zhuǎn)換為多邊形模型，在多邊形模塊中基于曲率填補破洞，去除噪點，表面去特征、平滑處理用平面裁剪掉不需要的部分，松弛模型表面，實現(xiàn)人體足部數(shù)字化模型的表面優(yōu)化，另存為WRP格式，如圖8 (b)所示；

(3) 精準曲面階段。利用探測曲率工具生成輪廓線并使用編輯輪廓線工具對其進行修改，得到更準確、完整的模型輪廓線。然后創(chuàng)建曲面片，進行格柵處理，曲面擬合，得到足部的精確NURBS曲面，如圖8 (c)所示，保存為STP格式。最終，為了保證模型的精度，用色譜圖對足部數(shù)字化模型進行偏差分析，如圖8 (d)所示。結(jié)果表明偏差最大區(qū)域主要分布第1腳趾部分區(qū)域，矯形器在第1腳趾部分使用的是軟性材料，可以自行調(diào)節(jié)，所以這部分的誤差對拇外翻矯形器的設計并沒有影響。

3.4 拇外翻矯形器設計方案產(chǎn)生

根據(jù)足部數(shù)字化模型和解剖學標記點建立拇外翻矯形器基礎模型。再結(jié)合3個創(chuàng)新設計方向，創(chuàng)建基于CAD的拇外翻矯形器設計方案。

使用點特征工具建立足部標記點，作為曲線階段的畫線參照點。進入曲線階段，根據(jù)足部解剖學標記點繪制曲線。矯形器前部的輪廓線1參考點第1跖趾關(guān)節(jié)點，第1跖趾關(guān)節(jié)高點，第5跖趾關(guān)節(jié)點，使矯形器包裹這些足部參考點。后部的輪廓線2參考點舟上彎點、后跟凸點、外踝骨中心下沿點、內(nèi)踝骨中心下沿點繪制，使矯形器在這些點之外，保證足部的活動度。足底硬性材料的輪廓線3參考第5跖骨粗隆點、前跗骨突點繪制，保證足弓得到有效支撐。點的位置如圖9所示。

使用裁剪工具刪除腳趾與腳腕部分，得到矯形器基礎模型如圖10所示，保存為STL格式。

(a) 足部點云模型

(b) 足部多邊形模型

(c) 足部NURBS曲面模型

(d) 足部偏差色譜圖

圖8 Geomagic Studio處理流程圖示

圖9 足部標記點

圖10 矯形器基礎模型

將矯形器基礎模型和人體足部數(shù)字化模型導入Rhinoceros中，利用RhinoResurf插件將矯形器基礎模型轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。在矯形器足面位置打孔，增加透氣性，同時節(jié)省耗材。使用偏移命令將模型向外偏移2 mm，預留出添加柔軟布料襯墊的間隙，最后偏移得到厚度為2 mm的矯形器實體模型，建立魔術(shù)貼和彈性固定帶的模型，得到矯形器設計方案，效果如圖11所示。

圖11 矯形器設計方案

3.5 拇外翻矯形器設計方案匹配度評價

矯形器分為軟性材料魔術(shù)貼部分和主體2部分，由于軟性材料可以調(diào)節(jié)，因此，只對矯形器主體部分進行偏差分析。在Geomagic Studio中對矯形器主體部分和足部點云模型進行偏差分析，得到色譜圖，圖12可直觀看到矯形器是否符合足部尺度。通過Geomagic Studio軟件得到矯形器與足部點云模型的偏差平均值AD與標準差SD，利用式(1)計算得到矯形器的匹配度分值為77.18，說明匹配度較好。

另外，在Rhinoceros軟件中評價矯形器模型和足部的匹配度。將矯形器模型的材質(zhì)修改為半透明格式，可以可視化評價矯形器與人體足部是否匹配。將矯形器模型和足部模型對齊，旋轉(zhuǎn)視圖觀察2個模型之間沒有重疊，說明矯形器模型與被試者足部之間匹配度良好，如圖13所示。

圖12 矯形器的偏差色譜圖

圖13 矯形器匹配度可視化評價

矯形器設計方案通過匹配度檢驗后，利用Keyshot進行材質(zhì)渲染，最終確立拇外翻矯形器設計方案，如圖14所示。

圖14 拇外翻矯形器最終設計方案

利用3D打印技術(shù)制作拇外翻矯形器原型，對設計方案進行驗證，如圖15所示。

圖15 拇外翻矯形器原型佩戴示意圖

采用魁北克輔助科技使用者滿意度評估量表QUEST2.0，并結(jié)合李克特量表法設計滿意度評估量表，采用1，3，5，7，9分別對應非常不滿意、不滿意、一般、滿意、非常滿意。由被試者佩戴矯形器原型根據(jù)其坐立行不同狀態(tài)的感受進行評價見表3，得到各項評價指標的滿意度均值為8.11，處于滿意與非常滿意之間。結(jié)果表明，該方案具備拇外翻矯形器的力學性能，與個體足部形狀特征匹配良好，具有較好的舒適度。

表3 拇外翻矯形器滿意度評估量表

4 結(jié)束語

(1) 建立了基于足部數(shù)字化模型與TRIZ沖突解決原理相結(jié)合的足部矯形器定制設計與評價模型以及具體方法流程，通過輕度拇外翻患者案例，論證了所建立模型與方法流程的可行性。

(2) 針對拇外翻矯形器現(xiàn)存問題，利用TRIZ沖突解決原理，有效消除設計沖突，得到具體創(chuàng)新設計方向，并結(jié)合精準的足部數(shù)字化模型，快速產(chǎn)生矯形器設計方案。

(3) 提出矯形器方案模型匹配度分值計算方法，以及方案模型可視化評價方法，確保設計方案的精準度。

后續(xù)研究可以引入步態(tài)特征、足底壓力分布等方法對拇外翻矯形器進行評價，更好地提升拇外翻矯形器的舒適度。

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Customized Design of Hallux Valgus Orthosis Based on Digital Foot Model

ZHANG Fang-lan, CHEN Rui-ying

(School of Art and Design Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

To improve the accuracy and fitness of rapidly customized orthosis, a customized design and evaluation model of hallux valgus orthosis was established based on digital foot model, and the specific methods and processes were formulated as well. Together with the interview, the ergonomic user needs three-dimensional classification was utilized to get the initial user needs of hallux valgus patients, and the Analytic Hierarchy Process was applied to identify the priority of user needs. The TRIZ Conflict Resolution Principles were used for generating the innovative design direction of orthosis. The point cloud model of foot was obtained by 3D scanning, and then the three-stage data processing and deviation analysis were performed to ensure the accuracy of digital foot model. In combination with the innovative design directions, the basic model of the hallux valgus orthosis based on digital foot model were applied to generate the orthosis design alternative. The average deviation and standard deviation are used for acquiring the Orthosis Fit Index. The accuracy of the final design alternative was evaluated by the Orthosis Fit Index and the visual evaluation of the design alternative. Finally, a case of the customized design of hallux valgus orthosis is conducted to demonstrate the feasibility of the model and the specific methods and processes.

digital foot model; hallux valgus; orthosis; customized design; fit index

TB 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2019050961

A

2095-302X(2019)05-0961-07

2019-04-18；

2019-05-16

河北省社科基金項目(HB19YS004)；2018年河北省專業(yè)學位教學案例(庫)立項建設項目(KCJSZ2018021)

張芳蘭(1980-)，女，陜西寶雞人，副教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論與方法、人因工程。E-mail：fanglanzhang@163.com