計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在假肢矯形的應(yīng)用

趙德峰

（山東省假肢矯形康復(fù)中心 山東省濟(jì)南市 250014）

假肢矯形屬于一個(gè)比較傳統(tǒng)的行業(yè)，且該行業(yè)具備著很大程度的手工性質(zhì)。通常情況下，技師會(huì)通過(guò)石膏繃帶的形式或者是人體投影圖的形式來(lái)獲取到相關(guān)的人體肢體信息，然后借助于生物力學(xué)原理來(lái)修復(fù)這些肢體信息，或者是對(duì)這些肢體信息進(jìn)行修改，進(jìn)而賦予其必要功能。而在當(dāng)今社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展之中，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)（也就是CAD 技術(shù)）開始被應(yīng)用到了假肢矯形技術(shù)之中。通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以將患者肢體的形狀信息導(dǎo)入到計(jì)算機(jī)之中，還可以使其得到更加合理的優(yōu)化與改進(jìn)，這對(duì)于假肢矯形技術(shù)的發(fā)展和患者活動(dòng)能力的提升都有著極大的幫助。

1 假肢行業(yè)傳統(tǒng)手工革命和CAD技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)手工革命

假肢矯形器的制作技術(shù)屬于一種十分傳統(tǒng)的手工技術(shù)，這種技術(shù)的手工業(yè)特點(diǎn)十分顯著。在傳統(tǒng)的假肢矯形器手工制作過(guò)程中，技師會(huì)按照患者的實(shí)際病例變化來(lái)對(duì)石膏進(jìn)行取型和修型處理，處理過(guò)程中所采用的手法也不盡相同，然后結(jié)合各種的金屬材料或者是其它高分子材料來(lái)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化假肢或者是假肢矯形器的制作。在這種傳統(tǒng)的制作工藝與制作過(guò)程之中，涵蓋的是技師豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)和強(qiáng)大的技術(shù)能力。因此，傳統(tǒng)手工假肢矯形器制作技術(shù)對(duì)于技師也就有著極高的要求。而CAD 技術(shù)（計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)）涉及到的科學(xué)領(lǐng)域十分廣泛，所以隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，CAD 技術(shù)在很多行業(yè)之中都得到了廣泛的應(yīng)用，這其中就包含著假肢矯形器制造行業(yè)。但是在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，假肢矯形器制造行業(yè)不僅要充分考慮到行業(yè)自身的特點(diǎn)，同時(shí)也要充分考慮到技師們的自身素養(yǎng)，所以要想將該技術(shù)有效應(yīng)用到假肢矯形器制造行業(yè)之中，并使其與這一行業(yè)的各個(gè)方面做好有效適應(yīng)，這確實(shí)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的事情。但是經(jīng)過(guò)了不斷的應(yīng)用、革新與發(fā)展，目前的CAD 技術(shù)已經(jīng)在假肢矯形器制造領(lǐng)域之中實(shí)現(xiàn)了良好的適應(yīng)，并為假肢矯形器的制造提供了極大的便利條件。這對(duì)于假肢矯形器的合理應(yīng)用以及該行業(yè)的良好發(fā)展都起到了極大的推動(dòng)作用。

1.2 CAD技術(shù)

CAD 的全稱是Computer Aided Design，是一種十分強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)。要想將CAD 技術(shù)應(yīng)用到假肢矯形器制造行業(yè)之中，就需要將其和假肢矯形器制造行業(yè)自身的特點(diǎn)之間進(jìn)行有效結(jié)合。在傳統(tǒng)的假肢矯形器制造過(guò)程中，首先需要通過(guò)石膏繃帶給患者進(jìn)行取型，或者是通過(guò)測(cè)量尺直接進(jìn)行患者肢體尺寸的測(cè)量，然后用石膏陰型灌注石膏陽(yáng)型，接下來(lái)在石膏陽(yáng)型上進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改工作，將某一區(qū)域進(jìn)行合理的填補(bǔ)或去除，使其符合一定的生物力學(xué)特性，最后通過(guò)熱成型技術(shù)或者是真空成型技術(shù)來(lái)制造出半成品的假肢矯形器。在此過(guò)程中，CAD 技術(shù)可以在取型和設(shè)計(jì)修改工作之中發(fā)揮出關(guān)鍵性的作用，所以在這兩個(gè)環(huán)節(jié)之中，技師可以合理應(yīng)用CAD 技術(shù)，使其作用與優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮，這樣才可以使其與假肢矯形行業(yè)特點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合。

2 CAD數(shù)字模型設(shè)計(jì)分析

要想在各種方向上對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行修改，一個(gè)必要的因素就是應(yīng)該具備一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。就假肢矯形行業(yè)而言，其應(yīng)用到的軟件通常是主軸模式加截面模式。所謂主軸，也就是人體主干形成的中心軸，在這個(gè)主軸上，每隔0.1mm-0.5mm 的距離就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)截面與其垂直，而在這個(gè)截面的360°方向上則有著大量的不同半徑，這些半徑的數(shù)量越多，這個(gè)三維模型也就會(huì)更加精細(xì)，但是這樣的情況勢(shì)必會(huì)需要進(jìn)行更多的數(shù)據(jù)處理才能實(shí)現(xiàn)。通常情況下，半徑的數(shù)量都需要量達(dá)到100 個(gè)，也就是說(shuō)，每隔3.6°就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)半徑[1]。所以在進(jìn)行數(shù)字模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者就可以通過(guò)對(duì)不同界面上不同方向半徑的調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)數(shù)字模型的合理化調(diào)整，將其修改為理想的形狀。

3 假肢矯形行業(yè)之中專用的CAD軟件的應(yīng)用分析

在當(dāng)今世界的假肢矯形行業(yè)之中，各種專用的CAD 軟件相繼出現(xiàn)，相比較工業(yè)之中所應(yīng)用的CAD 軟件而言，假肢矯形行業(yè)之中所專用的CAD 軟件應(yīng)用起來(lái)更加簡(jiǎn)單容易，且與假肢矯形的方法和方式十分符合。通過(guò)這種專業(yè)化CAD 軟件的應(yīng)用，假肢矯形技師可以根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)來(lái)建立起一個(gè)數(shù)字化的人體模型，然后通過(guò)自己的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)假肢的修改。在這種專用于假肢矯形行業(yè)的CAD 軟件之中，主要的功能模塊有三個(gè)：其一是修型工具模塊；其二是基本工具模塊；其三是特殊模塊。以下是對(duì)這三個(gè)主要模塊在假肢矯形之中的具體應(yīng)用方法所進(jìn)行的分析。

3.1 修型工具模塊

通過(guò)CAD 軟件之中的修型工具，可以在特別的方向上對(duì)數(shù)字化人體模型進(jìn)行修改，在假肢矯形行業(yè)所專用的CAD 軟件修型工具模塊之中，共有十四種修型工具，它們分別是半徑修改、伸長(zhǎng)、彎曲、平移、扭轉(zhuǎn)、鏡像、對(duì)稱、克隆、合并、測(cè)量、平衡、手模、區(qū)域以及區(qū)域光滑。

在這些修型工具之中，半徑修改、手模、區(qū)域以及區(qū)域光滑主要可以對(duì)模型方向進(jìn)行修改。在進(jìn)行半徑修改的過(guò)程中，首先需要對(duì)修改截面以及修改范圍進(jìn)行確定，然后需要給出修改半徑的數(shù)值和方向。在應(yīng)用區(qū)域工具進(jìn)行修改的過(guò)程中，修改范圍需要通過(guò)鼠標(biāo)打點(diǎn)的方式來(lái)確定，同時(shí)應(yīng)該確定修改區(qū)域之中的最高點(diǎn)或者是最低點(diǎn)，并給出具體的數(shù)值[2]。在通過(guò)手模進(jìn)行修改的過(guò)程中，所應(yīng)用到的修改方式更加隨意，技師可以借助于鼠標(biāo)將修改范圍直接畫出，然后按照給定的數(shù)值對(duì)修改范圍之中的形狀凸起或者是形狀凹陷進(jìn)行確定。比如：在為小腿截肢患者進(jìn)行小腿假肢的制作過(guò)程中，技師就一定要通過(guò)區(qū)域工具來(lái)確定髕韌帶位置，并進(jìn)行合理的修減，在進(jìn)行脛骨嵴內(nèi)側(cè)與外側(cè)壓力面的壓力修減過(guò)程中，則需要應(yīng)用到手模工具，最后，需要應(yīng)用到區(qū)域光滑工具來(lái)進(jìn)行光滑處理。

伸長(zhǎng)、彎曲、平移以及扭轉(zhuǎn)工具主要可以對(duì)模型的整體方向進(jìn)行修改。比如：對(duì)于脊柱側(cè)彎的患者，技師需要對(duì)石膏陰型切開進(jìn)行矯正，其主要的方法是對(duì)側(cè)彎凹陷的一側(cè)進(jìn)行反向彎曲，對(duì)側(cè)彎凸起的一側(cè)進(jìn)行反向扭轉(zhuǎn)，同時(shí)對(duì)腋窩位置的力進(jìn)行提升。但是通過(guò)專業(yè)CAD 軟件的應(yīng)用，就可以在數(shù)字陽(yáng)型上進(jìn)行調(diào)整，這樣的調(diào)整方式會(huì)比傳統(tǒng)技師通過(guò)石膏陰型的調(diào)整簡(jiǎn)單很多。其具體的應(yīng)用和半徑修改工具的應(yīng)用方法相似，首先應(yīng)該對(duì)數(shù)字陽(yáng)型上需要進(jìn)行調(diào)整的上下兩個(gè)截面進(jìn)行確定，并給出具體的數(shù)值和方向，然后就可以通過(guò)方向的拉伸、扭轉(zhuǎn)、平移以及彎曲等來(lái)實(shí)現(xiàn)理想化的調(diào)整，且整個(gè)的調(diào)整過(guò)程都能實(shí)現(xiàn)可視化，技師可以實(shí)時(shí)將調(diào)整后的模型與原始模型進(jìn)行對(duì)比。

鏡像、對(duì)稱、克隆、合并、測(cè)量以及平衡工具主要可以用來(lái)進(jìn)行特殊的修型處理。比如：在進(jìn)行脊柱矯形器的制作過(guò)程中，技師通常需要對(duì)髂嵴進(jìn)行修復(fù)，對(duì)髂嵴的內(nèi)側(cè)進(jìn)行加壓處理，并對(duì)髂嵴骨骼進(jìn)行免荷修復(fù)，這樣才可以讓矯形器將患者的骨盆牢牢卡住，進(jìn)而起到根基作用。因?yàn)轺尼站哂袑?duì)稱性，所以如果僅僅憑借技師的手法進(jìn)行人工修型，則很難保持兩側(cè)完全一致。而將專用的CAD 軟件應(yīng)用到具體的修復(fù)過(guò)程中，則可以很容易實(shí)現(xiàn)這樣的效果。通過(guò)鏡像工具，可以將患者的左腿鏡像成為右腿，這對(duì)于單側(cè)截肢患者的裝飾海綿打磨將會(huì)起到很好的幫助作用[3]。通過(guò)合并工具，可以讓各個(gè)模型都組合到一起，進(jìn)而形成一個(gè)整體的復(fù)雜模型。比如，在進(jìn)行一個(gè)帶有大腿口型圈的托馬斯長(zhǎng)腿矯形器制作過(guò)程中，就可以通過(guò)該工具來(lái)實(shí)現(xiàn)患者殘肢與大腿假肢接受腔之間的完美組合。通過(guò)克隆工具，可以借助于中心對(duì)稱的方式將患者任何一側(cè)的肢體區(qū)域?qū)ΨQ到患者的另一側(cè)，該工具在小兒偏頭的矯正之中十分適用。測(cè)量工具可以按照兩種形式進(jìn)行劃分，其一是矯形器測(cè)量，其二是大腿假肢測(cè)量，借助于測(cè)量工具，可以按固定格式來(lái)進(jìn)行患者肢體尺寸的測(cè)量，然后在軟件的模型庫(kù)之中對(duì)相應(yīng)矯情器模型以及大腿假肢模型進(jìn)行調(diào)用，將患者肢體尺寸輸入之后，模型就會(huì)立即轉(zhuǎn)換成患者肢體的形狀。

3.2 基本工具模塊

對(duì)于假肢矯形這一行業(yè)所專用的CAD 軟件而言，基本工具這一模塊比較特殊。因?yàn)檫@一行業(yè)的工作者大多沒(méi)有很高的學(xué)歷，且對(duì)于計(jì)算機(jī)軟件的操作也并不熟練，所以該軟件就應(yīng)用到了一種擬人化的設(shè)計(jì)方法，具備了相應(yīng)的手工功能，比如校平、手工鋸、石膏厝、石膏調(diào)刀和紗網(wǎng)等的工具。

在這些工具之中，手工鋸工具可以去除部分的形狀；校平工具可以進(jìn)行模型表面的修補(bǔ)，使其表面保持平滑；石膏調(diào)刀工具可以通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)的方式來(lái)進(jìn)行操作，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊一下模型的某個(gè)位置，就可以在其表面區(qū)域之中補(bǔ)出一塊，點(diǎn)擊鼠標(biāo)的次數(shù)越多，修補(bǔ)的塊數(shù)也就越多。石膏銼工具和石膏調(diào)刀工具有著同樣的原理，但是卻有著相反的功能，也就是用鼠標(biāo)點(diǎn)擊哪個(gè)區(qū)域，該區(qū)域的表面就會(huì)被減去一塊。紗網(wǎng)工具主要是借助于鼠標(biāo)來(lái)進(jìn)行整體模型的砂光處理。

在具體的應(yīng)用過(guò)程中，這些工具操作起來(lái)都十分簡(jiǎn)單，且容易上手，所以技師們也都非常喜歡應(yīng)用這些工具。

3.3 特殊模塊

在假肢矯形行業(yè)所專用的CAD 軟件之中，特殊模塊可以將計(jì)算機(jī)輔助數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)勢(shì)全部體現(xiàn)出來(lái)。在這一模塊之中，經(jīng)常用到的工具包括導(dǎo)入照片、邊緣切割、插入測(cè)量以及加工仿真等的工具。

借助于導(dǎo)入照片工具，可以將患者本人的照片、CT 片或者是X 射線片導(dǎo)入到電腦，然后通過(guò)三維重建的形式構(gòu)成一個(gè)骨骼模型，并將這個(gè)骨骼模型插入到人體修型模型之中。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，可以通過(guò)透明度的調(diào)整使這個(gè)人體模型和照片之中的患者輪廓圖、CT 片骨骼圖或者是X 射線片骨骼圖的關(guān)系顯示出來(lái)，通過(guò)這種直觀的方法，就可以對(duì)假肢以及矯形器修型方法的正確性做到初步判斷[4]。同時(shí)，技師也可以將任意的長(zhǎng)度、體積、角度或者是圍長(zhǎng)的測(cè)量插入到軟件模型之中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型尺寸的監(jiān)控。在一些假肢矯形專用的CAD 軟件之中，也具備著邊緣切割這一功能，比如：在對(duì)完成了修型的模型之中進(jìn)行假肢設(shè)計(jì)或者是進(jìn)行矯形器邊緣線的設(shè)計(jì)時(shí)，軟件會(huì)在邊緣線提取之后顯示出假肢的整體樣式或者是矯形器的整體樣式，同時(shí)也可以對(duì)熱塑成型的模型直接進(jìn)行二次的切割加工。通過(guò)加工仿真工具，可以將完成設(shè)計(jì)的模型模擬導(dǎo)入到數(shù)據(jù)加工中心，然后對(duì)模型進(jìn)行定位，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行加工調(diào)整，最后實(shí)現(xiàn)加工文件的生成。

4 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在假肢矯形領(lǐng)域之中的發(fā)展方向

4.1 3D顯示技術(shù)和3D打印技術(shù)的應(yīng)用

在進(jìn)行假肢矯形器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，如果合理應(yīng)用到3D 顯示技術(shù)和3D 打印技術(shù)，技師就可以通過(guò)更加直觀的方式來(lái)修改相應(yīng)的數(shù)字模型，伴隨著3D 技術(shù)的發(fā)展，3D 顯示技術(shù)和3D 打印技術(shù)也開始逐漸被應(yīng)用到了這一行業(yè)之中，尤其是在近年來(lái)，該技術(shù)在假肢矯形行業(yè)之中得到了越來(lái)越高的重視。但是就目前的情況來(lái)看，打印材料較少、可選擇范圍狹窄等的這些問(wèn)題都對(duì)3D 打印技術(shù)在假肢矯形行業(yè)之中的廣泛應(yīng)用造成了一定程度的阻礙，很多適合3D 打印的材料都并不適合假肢矯形器，且由于打印的時(shí)間很長(zhǎng)，所以即使是一個(gè)十分常見、十分簡(jiǎn)單的假肢矯形器，也需要打印很長(zhǎng)的時(shí)間。由此可見，3D 顯示技術(shù)和3D 打印技術(shù)在假肢矯形行業(yè)之中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步發(fā)展，這是當(dāng)今假肢矯形行業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

4.2 有限元技術(shù)的應(yīng)用

隨著假肢矯形行業(yè)的不斷發(fā)展和患者需求層次的提升，技師們不僅僅要考慮到假肢矯形器的使用功能，同時(shí)也應(yīng)該對(duì)其使用的舒適度加以重點(diǎn)考慮。在這樣的情況下，有限元技術(shù)就越來(lái)越受到假肢矯形行業(yè)的重視。通過(guò)對(duì)患者殘肢接受腔或假肢矯形器的有限元模型建立，可以對(duì)其間存在的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析，這樣就可以讓接受腔更有效地實(shí)現(xiàn)載荷傳送，讓壓力得到均勻分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)表面接觸的合理優(yōu)化。通過(guò)這樣的方式，不僅可以有效滿足患者對(duì)于假肢矯形器的功能需求，同時(shí)也可以讓患者的舒適度得到最大限度的提升。由此可見，將有限元技術(shù)合理應(yīng)用到假肢矯形行業(yè)之中，這對(duì)于假肢矯形行業(yè)而言也是一個(gè)重要的發(fā)展方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在假肢矯形行業(yè)之中，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用可以讓傳統(tǒng)技師工作之中很多不能實(shí)現(xiàn)的操作得以順利實(shí)現(xiàn)，提升技師的工作效率，保障假肢矯形的工作精度。但是在計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)具體的開發(fā)與應(yīng)用過(guò)程中，一定要保障相關(guān)軟件的簡(jiǎn)單易學(xué)，這樣才能讓軟件更能被技師接受，進(jìn)而使其在假肢矯形技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展之中發(fā)揮出充分的作用與優(yōu)勢(shì)。