基于正逆向技術(shù)結(jié)合的醫(yī)療護(hù)具創(chuàng)新設(shè)計(jì)

成思源，譚 昊，楊雪榮，王慕賢

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

眾所周知，醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)是一個(gè)關(guān)系國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，也是國(guó)家科技進(jìn)步的重要標(biāo)志，其中，高性能醫(yī)療器械更代表著第四次工業(yè)革命的技術(shù)潮流，已列入“中國(guó)制造2025”重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域[1]。近年來(lái)，由于個(gè)性化醫(yī)療的出現(xiàn)，使得我國(guó)醫(yī)療護(hù)具發(fā)展走向“精確化、個(gè)性化、個(gè)體化”[2]。傳統(tǒng)的醫(yī)療護(hù)具在設(shè)計(jì)過(guò)程中往往根據(jù)患者的性別、身高和體重等不同，要保護(hù)的部位不同，按照特定的人群將護(hù)具模板的幾何參數(shù)進(jìn)行局部調(diào)整來(lái)設(shè)置不同的型號(hào)尺寸。由于每個(gè)人的身體部位外形輪廓存在差異，患者實(shí)際佩戴這些護(hù)具時(shí)可能出現(xiàn)與要保護(hù)部位不貼合的情況，佩戴效果不理想，使得康復(fù)周期延長(zhǎng)，給患者的個(gè)人治療體驗(yàn)滿(mǎn)意度帶來(lái)極大落差。因此，醫(yī)療護(hù)具的個(gè)性化、個(gè)體化定制設(shè)計(jì)就成為國(guó)內(nèi)外醫(yī)療康護(hù)領(lǐng)域科研工作者的一個(gè)研究熱點(diǎn)。個(gè)性化醫(yī)療可以為病人量身設(shè)計(jì)出最佳的治療方案，以期達(dá)到治療效果最大化和副作用最小化，能有效提升醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量，降低醫(yī)療費(fèi)用[3-4]。

因此，本文針對(duì)不同患者的小腿外形輪廓，提出了基于正逆向建模技術(shù)結(jié)合的個(gè)性化小腿醫(yī)療護(hù)具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法及流程。以小腿前側(cè)受傷部位護(hù)具設(shè)計(jì)為例，介紹設(shè)計(jì)的過(guò)程及創(chuàng)新點(diǎn)，可為患者設(shè)計(jì)出具有針對(duì)小腿受傷部位便于存取藥物、高貼合性的個(gè)性化小腿醫(yī)療護(hù)具，一定程度上能縮短患者的康護(hù)進(jìn)程，降低小腿受到二次傷害的概率。

1 小腿醫(yī)療護(hù)具創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

患者小腿數(shù)據(jù)采集是進(jìn)行個(gè)性化護(hù)具設(shè)計(jì)的首要步驟，目前人體數(shù)據(jù)獲取方法主要有2 種方式[5-6]。一種是通過(guò)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)來(lái)獲取二維圖像資料，如透視、攝影、超聲、CT 及MRI 等成像技術(shù)，再通過(guò)斷層圖像三維建模軟件（如Mimics）來(lái)構(gòu)建出對(duì)應(yīng)的三維圖像。這種方法主要用來(lái)獲取人體軟組織、器官等數(shù)據(jù)，用于構(gòu)建人體內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。第2 種方法是通過(guò)人體掃描儀來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這種方法只需要用掃描儀掃描人體，就能快速獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)。此方法可用于人體外部數(shù)據(jù)的獲取，可操作性好，支持多場(chǎng)合數(shù)據(jù)采集，可以不去醫(yī)院采集數(shù)據(jù)。常用的6 種獲取人體數(shù)據(jù)的方法參見(jiàn)表1。

表1 6 種獲取人體數(shù)據(jù)的方法

本文設(shè)計(jì)需要采集小腿外形輪廓數(shù)據(jù)，選用人體掃描儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic Studio 進(jìn)行點(diǎn)階段、多邊形階段及曲面階段處理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格數(shù)據(jù)間的分離及曲面重建工作，模擬得到NURBS 曲面。然后將逆向處理的CAD 模型導(dǎo)入Solidworks 中進(jìn)行實(shí)體化操作，再根據(jù)不同患者的傷口部位大小進(jìn)行裁剪，設(shè)計(jì)出護(hù)具的最終模型。設(shè)計(jì)流程參見(jiàn)圖1。

2 逆向處理

2.1 小腿數(shù)據(jù)采集過(guò)程

數(shù)據(jù)采集是逆向建模的首要環(huán)節(jié)，所采集的精度、完整性對(duì)逆向建模有重要影響[7]。本次人體小腿醫(yī)療護(hù)具的設(shè)計(jì)，只需要獲取小腿外表面輪廓數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集儀器種類(lèi)較多，其中手持式三維激光掃描儀因其采集速度快、精度高、便于攜帶、對(duì)環(huán)境要求不高、掃描儀和掃描物體的相對(duì)位置可以變換等特點(diǎn)，大大提高了掃描范圍和不同場(chǎng)合掃描的可行性[8]。設(shè)計(jì)中采用Sense 三維人體掃描儀（美國(guó)3D Systems 公司研發(fā)的一款手持式三維掃描儀）。Sense 三維掃描儀的體積纖小，配備了紅外發(fā)射器、RGB 彩色攝像頭及紅外線COMS 攝像頭，Sense 組成參見(jiàn)圖2。該掃描儀數(shù)據(jù)采集過(guò)程中發(fā)出的是紅外線，對(duì)人體沒(méi)有傷害，保證了掃描人體安全。因人體小腿外形輪廓曲率變化不大，表面光滑性較好，適合使用Sense 掃描儀掃描。

圖1 小腿護(hù)具創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程

圖2 Sense 三維掃描儀

在進(jìn)行掃描前，為了能夠獲取小腿完整外輪廓數(shù)據(jù)，掃描人員在使用Sense 三維掃描儀時(shí)，首先要考慮小腿擺放位置，規(guī)劃好掃描路徑。將Sense 掃描儀與計(jì)算機(jī)連接，啟動(dòng)掃描儀及打開(kāi)Sense 軟件，然后緩慢調(diào)整掃描儀的角度和位置，掃描過(guò)程中盡可能保持掃描儀到小腿的距離逐漸過(guò)渡，若在掃描時(shí)速度變化過(guò)快或者距離躍變較大會(huì)導(dǎo)致掃描過(guò)程中數(shù)據(jù)跟丟，掃描環(huán)境也應(yīng)保持光線充足均勻。本次掃描小腿長(zhǎng)度為250mm 左右，上述條件滿(mǎn)足后即可對(duì)小腿進(jìn)行360°全方位掃描，掃描過(guò)程中可在計(jì)算機(jī)中實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)預(yù)覽掃描數(shù)據(jù)，掃描不到位的可重復(fù)掃描，直到完全準(zhǔn)確地獲取小腿外輪廓數(shù)據(jù)后結(jié)束掃描。小腿掃描過(guò)程參見(jiàn)圖3。

圖3 小腿掃描

2.2 點(diǎn)階段處理

采集的原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)行優(yōu)化，將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Studio 逆向軟件轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云進(jìn)行預(yù)處理。點(diǎn)云是物體在三維空間中的一種表達(dá)方式，這些點(diǎn)與二維圖像中平面像素點(diǎn)不同，是空間立體像素點(diǎn)，因此這些點(diǎn)是離散的、獨(dú)立的[9]。由于采集過(guò)程中環(huán)境光線變化、人體輕微移動(dòng)、設(shè)備運(yùn)動(dòng)不規(guī)律等因素造成將一些噪音雜點(diǎn)及不需要的外部數(shù)據(jù)點(diǎn)也采集進(jìn)來(lái)，因此需要對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理[10]。

為了直觀看清楚小腿模型點(diǎn)云數(shù)據(jù)，首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行著色，接著手動(dòng)刪除雜點(diǎn)、體外孤點(diǎn)，減少噪音，統(tǒng)一采樣及封裝操作。本小腿點(diǎn)云模型中體外孤點(diǎn)主要是掃描環(huán)境及褲子的干擾；噪音大部分來(lái)自于人持掃描儀在掃描過(guò)程中的振蕩，處理掉這些雜點(diǎn)和噪音后，點(diǎn)云處理會(huì)更整齊劃一、井然有序。點(diǎn)云處理階段參見(jiàn)圖4。

圖4 點(diǎn)云階段處理

2.3 多邊形階段處理

點(diǎn)階段數(shù)據(jù)封裝后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)點(diǎn)云向三角面片轉(zhuǎn)化，生成了多邊形格式文件[11]。小腿多邊形處理階段主要使用的命令有網(wǎng)格醫(yī)生、平面裁剪、簡(jiǎn)化、松弛及砂紙。其中，網(wǎng)格醫(yī)生可對(duì)多邊形出現(xiàn)的各種問(wèn)題進(jìn)行檢測(cè)并修復(fù)；平面裁剪可處理小腿參差不齊的邊界輪廓；簡(jiǎn)化可以使小腿多邊形模型較修改前更稀疏；松弛是對(duì)小腿模型全局優(yōu)化；砂紙是對(duì)小腿模型局部?jī)?yōu)化。多邊形處理階段參見(jiàn)圖5。

圖5 多邊形階段處理

2.4 曲面階段處理

曲面處理階段主要是通過(guò)基本的曲率探測(cè)和輪廓線探測(cè)創(chuàng)建基本的曲面片，并對(duì)曲面片進(jìn)行移動(dòng)面板、重新分布等操作逆向造型[12]。此階段通過(guò)快速封裝曲面生成小腿NURBS 曲面模型，主要用到探測(cè)曲率、構(gòu)造曲面片、松弛輪廓線和曲面片及擬合曲面。其中，探測(cè)曲率是在模型高曲率處生成輪廓線，小腿表面肌肉部分曲率變化較大；構(gòu)造曲面片是在小腿模型輪廓線與邊界線上生成曲面片結(jié)構(gòu)；松弛輪廓線和曲面片可使小腿模型輪廓線沿自身長(zhǎng)度放松張力，變得更光滑；擬合曲面是將小腿模型的曲面片構(gòu)造成一個(gè)完整的NURBS 曲面。至此，逆向建模工作全部完成，將生成的NURBS 曲面模型存儲(chǔ)為三維中性格式（x-t、stp、igs 等）。曲面處理階段參見(jiàn)圖6。

圖6 曲面階段處理

3 正向設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)分析

近年來(lái)，隨著人民生活水平的不斷提高，對(duì)身心幸福感追求也逐年攀升，參與到籃球、足球及羽毛球等各項(xiàng)高強(qiáng)度競(jìng)技運(yùn)動(dòng)人數(shù)不斷增多。然而，在劇烈的高強(qiáng)度競(jìng)技對(duì)抗過(guò)程中，小腿部位意外損傷的風(fēng)險(xiǎn)也大大提高[13]。小腿外傷為外科門(mén)診常見(jiàn)的外傷疾病，主要有小腿皮膚挫裂傷、皮膚撕脫傷、小腿擠壓傷及小腿擦傷等，且有逐年增多的趨勢(shì)。

在小腿受傷后，如何對(duì)小腿進(jìn)行康復(fù)性治療就顯得尤為關(guān)鍵[14]。傳統(tǒng)的人體小腿醫(yī)療護(hù)具石膏、樹(shù)脂支具都存在以下缺點(diǎn)：一方面因?yàn)榻y(tǒng)一的規(guī)格設(shè)定，患者佩戴的舒適性得不到保證；另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)方法設(shè)計(jì)、制造的護(hù)具不能對(duì)每位病人的小腿外形輪廓高度貼合，發(fā)揮不了醫(yī)療護(hù)具的最佳療效。此外，患者小腿在康護(hù)治療過(guò)程更換藥物時(shí)的疼痛、感染最常見(jiàn)，因此要采取措施預(yù)防初步治療后的感染及對(duì)小腿進(jìn)行固定保護(hù)。

因此，經(jīng)Sense 掃描儀對(duì)小腿進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及逆向處理后可以讓護(hù)具與身體部位高度貼合。病人經(jīng)初步治療后，為了方便藥物的更換及減少藥物更換過(guò)程中的疼痛感，通過(guò)在小腿受傷部位設(shè)計(jì)藥物凹槽結(jié)構(gòu)，可在一定程度上防止受傷部位受到二次傷害，保護(hù)患者傷口。

3.2 個(gè)性化設(shè)計(jì)

在Geomagic Studio 中得到NURBS 曲面后，將其保存成igs 格式導(dǎo)入到Solidworks 中，先對(duì)其進(jìn)行實(shí)體化，將曲面轉(zhuǎn)化為實(shí)體，再根據(jù)患者的受傷區(qū)域裁剪出所需要的護(hù)具主要輪廓，接著對(duì)傷口部位進(jìn)行取放藥膏結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，最后對(duì)護(hù)具的透氣性設(shè)計(jì)及使用安裝過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明。

患者手術(shù)或者傷口包扎后，患者的小腿與較硬的物體接觸時(shí)出現(xiàn)痛壓點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成二次傷害?；颊咴谑軅笮枰獙?duì)傷口進(jìn)行包扎并敷上相應(yīng)的藥物促進(jìn)傷口的愈合。藥物敷在傷口后需要用傷口敷料包扎，目前在我國(guó)外科傷口普遍使用紗布等傳統(tǒng)敷料[15]。敷料用醫(yī)用膠布固定在傷口周?chē)t(yī)用膠布可避免敷料及藥物從傷口脫落，但膠布對(duì)人體而言是一種異物，長(zhǎng)時(shí)間的接觸、摩擦及刺激可引起皮膚各種不同的反應(yīng)，同時(shí)藥物不定期地更換與清理也較繁瑣。為了不使用醫(yī)用膠布及方便患者藥物更換，本護(hù)具上設(shè)計(jì)了個(gè)性化藥物存放凹槽結(jié)構(gòu)，患者傷口敷上藥物后，將醫(yī)用紗布放置在凹槽結(jié)構(gòu)中，患者在穿戴過(guò)程中只需要將凹槽對(duì)準(zhǔn)受傷部位。通過(guò)藥物凹槽兩側(cè)的孔對(duì)紗布量進(jìn)行增減，彈簧夾可對(duì)多余的紗布兩側(cè)進(jìn)行固定，藥物主要由藥物凹槽與彈簧夾進(jìn)行承擔(dān)。

為了提高護(hù)具的透氣性及便于散熱，在小腿護(hù)具的受傷口周?chē)O(shè)計(jì)了透氣孔，使得小腿的狀態(tài)更自然，治療體驗(yàn)更優(yōu)。個(gè)性化新型護(hù)具安裝過(guò)程只需在上下安裝孔中裝有魔術(shù)粘貼扣帶，其可對(duì)護(hù)具進(jìn)行松緊調(diào)節(jié)。最終設(shè)計(jì)得到的個(gè)性化小腿護(hù)具參見(jiàn)圖7。

圖7 個(gè)性化新型護(hù)具

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)小腿醫(yī)療護(hù)具貼合性不強(qiáng)，以及在更換藥物方面存在的不足，提出了一種基于正逆向技術(shù)結(jié)合的個(gè)性化醫(yī)療護(hù)具創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。采用Sense 人體掃描儀對(duì)小腿外形輪廓進(jìn)行掃描，通過(guò) Geomagic Studio 對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理的小腿模型導(dǎo)入到Solidworks 中進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。該方法可對(duì)不同患者的小腿外傷部位進(jìn)行個(gè)性化的護(hù)具設(shè)計(jì)，操作流程簡(jiǎn)便。此方法對(duì)于其他醫(yī)療器械的創(chuàng)新設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)也可作為高等院校設(shè)計(jì)類(lèi)相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例。