基于3D打印的可監(jiān)測(cè)腕部矯形器設(shè)計(jì)

【作 者】盛然 ，蔣國(guó)璋 ，劉康 ，劉融 ,

1 武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢市，430081

2 武漢科技大學(xué)附屬普仁醫(yī)院 醫(yī)學(xué)創(chuàng)新與轉(zhuǎn)化研究所，武漢市，430080

3 武漢科技大學(xué)附屬普仁醫(yī)院 骨科，武漢市，430080

0 引言

《中國(guó)腦卒中防治報(bào)告2019》概要指出，我國(guó)大于40歲居民腦卒中現(xiàn)患人數(shù)已達(dá)1 242萬(wàn)，腦卒中后偏癱患者腕手關(guān)節(jié)屈肌痙攣會(huì)嚴(yán)重影響腕關(guān)節(jié)的主動(dòng)關(guān)節(jié)活動(dòng)度和手指屈伸功能，進(jìn)一步影響患者的日常生活活動(dòng)能力[1]。腕手關(guān)節(jié)痙攣、功能障礙是腦卒中患者康復(fù)治療的難點(diǎn)及重點(diǎn)。

醫(yī)學(xué)研究表明，早期康復(fù)訓(xùn)練可有效改善腦卒中患者神經(jīng)功能及運(yùn)動(dòng)功能[2-3]。而傳統(tǒng)固定方式的康復(fù)過(guò)程，需要對(duì)整個(gè)上肢固定，不利于患者進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練。并且極易引發(fā)軟組織粘黏、關(guān)節(jié)僵直、肌肉萎縮、肩手綜合征等并發(fā)癥，將會(huì)嚴(yán)重影響關(guān)節(jié)的活動(dòng)度及其屈伸功能。故設(shè)計(jì)一款能夠輔助患者進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練并具有監(jiān)測(cè)功能的腕部矯形器迫在眉睫。

傳統(tǒng)關(guān)節(jié)固定的方式一般有兩種[4]，即石膏固定與夾板固定。這兩種方式，都是通過(guò)剛性材料對(duì)腕部的固定，避免其異?；顒?dòng)，從而達(dá)到功能矯正或保護(hù)的作用。但共同的缺點(diǎn)是不能適用于所有患者，且佩戴過(guò)程痛苦?；趥鹘y(tǒng)關(guān)節(jié)固定方式構(gòu)建的定制化腕部矯形器，制備流程復(fù)雜，難以滿足不同個(gè)體的不同需求[5]。對(duì)存在神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ɡ绨c瘓、腦梗后遺癥或多發(fā)性關(guān)節(jié)僵硬等）發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)的患者，使用個(gè)體化矯形器來(lái)幫助他們進(jìn)行康復(fù)非常必要[6-8]。

3D打印技術(shù)（3D printing），又稱為增材制造技術(shù)（additive manufacturing），是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可熱熔黏合材料，通過(guò)分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料，完成整個(gè)實(shí)體的構(gòu)建。3D打印技術(shù)具有構(gòu)建速度快、可按需制作的優(yōu)勢(shì)，能滿足個(gè)體定制腕部矯形器對(duì)時(shí)效性、個(gè)性化的需求[9]。

筆者設(shè)計(jì)制備了一種具有監(jiān)測(cè)康復(fù)過(guò)程，適用于卒中后偏癱患者進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練的個(gè)體定制化3D打印可監(jiān)測(cè)腕部矯形器。

1 智能腕部矯形器設(shè)計(jì)

利用美國(guó)3DSYSTEM公司制造3Dsense三維掃描儀采集到患者腕部位的體表解剖信息（圖1(a)）。在對(duì)模型進(jìn)行表面平滑、體網(wǎng)格劃分后，利用SOLIDWORKS Premium 2017在其表面進(jìn)行個(gè)性化矯形器的建模。

考慮到制備效率以及去除支撐材料對(duì)佩戴舒適度的影響，將與腕部貼合的矯形器模型進(jìn)行攤開(kāi)處理（見(jiàn)圖1(b)），并選用強(qiáng)度與韌性較好的TPU材料，保證矯形器在腕關(guān)節(jié)部分有著良好的貼合性。

為實(shí)現(xiàn)智能腕部矯形器的監(jiān)測(cè)功能，在矯形器掌背處還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的傳感器安裝卡槽與導(dǎo)線器，確?？祻?fù)訓(xùn)練的順利開(kāi)展。

結(jié)構(gòu)上充分考慮了腕關(guān)節(jié)生物力學(xué)因素[10]，將支撐部分分別設(shè)計(jì)在掌側(cè)和掌背側(cè)（見(jiàn)圖1(c)）。主體部分以蜂窩狀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行輕量化處理，在保證了矯形器本身強(qiáng)度的同時(shí)，增強(qiáng)其透氣性，避免了佩戴過(guò)程中產(chǎn)生壓瘡等皮膚不良影響。固定連接方式選用綁帶連接，優(yōu)勢(shì)在于醫(yī)師可根據(jù)患者實(shí)際情況調(diào)節(jié)松緊程度，并且取用方便不會(huì)影響患者進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練。

圖1 腕部矯形器的設(shè)計(jì)制備Fig.1 Design and preparation of wrist orthosis

使用FDM方法制備腕部矯形器時(shí)，選擇層高為0.1 mm，壁厚為1.2 mm，以確保精度。頂層/底層填充厚度為1.2 mm，防止矯形器與打印設(shè)備粘黏。預(yù)選填充密度為20%，用時(shí)9 h，得到的矯形器質(zhì)量為120 g。傳感器模塊裝配示意，如圖2所示。腕部矯形器整體設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖2 傳感器模塊裝配示意Fig.2 Schematic diagram of sensor module assembly

圖3 腕部矯形器整體設(shè)計(jì)Fig.3 Overall design of wrist orthosis

2 監(jiān)測(cè)原理與界面設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)原理

為實(shí)現(xiàn)腕部矯形器的監(jiān)測(cè)功能，選用MPU6050運(yùn)動(dòng)處理組件搭配磁強(qiáng)計(jì)、陀螺儀、加速度計(jì)等設(shè)備捕捉康復(fù)訓(xùn)練中患者腕部的空間姿態(tài)[11-12]。姿態(tài)解算原理，如圖4所示。

圖4 姿態(tài)解算原理Fig.4 Schematic diagram of attitude calculation

在患者進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練時(shí)，調(diào)節(jié)合適的松緊程度，保證矯形器貼合掌背的同時(shí)能夠進(jìn)行正常的腕關(guān)節(jié)活動(dòng)。將傳感模塊安裝至矯形器上與運(yùn)動(dòng)處理組件一同連接到PC端，在康復(fù)醫(yī)師的指導(dǎo)下完成相關(guān)康復(fù)訓(xùn)練。當(dāng)患者動(dòng)作過(guò)大，有受傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)界面將報(bào)警提示。系統(tǒng)時(shí)間模塊則記錄患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的時(shí)長(zhǎng)，確?；颊叩目祻?fù)訓(xùn)練過(guò)程安全高效。

2.2 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

針對(duì)可監(jiān)測(cè)腕部矯形器記錄的數(shù)據(jù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了PC端信息反饋界面。界面主體分為三個(gè)部分：患者資料、康復(fù)監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)與反饋。

（1）患者資料

用以記錄患者的基本信息，包括患者編號(hào)、性別、年齡、患病時(shí)間等。

（2）康復(fù)監(jiān)測(cè)通過(guò)傳感器的位置監(jiān)測(cè)功能確定當(dāng)前患者上肢活動(dòng)情況（以腕掌關(guān)節(jié)及肩肘關(guān)節(jié)等為主），當(dāng)上肢的活動(dòng)幅度過(guò)大，動(dòng)作出現(xiàn)受傷隱患時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。時(shí)間模塊用以記錄患者每日康復(fù)訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)，確保日常康復(fù)時(shí)間達(dá)標(biāo)。

（3）評(píng)價(jià)與反饋

該部分用于患者的佩戴反饋，對(duì)佩戴貼合度、固定效果、佩戴透氣性、美觀程度等方面進(jìn)行評(píng)估打分，如圖5所示。并且提供了問(wèn)題反饋的平臺(tái)，每隔一段時(shí)間將意見(jiàn)進(jìn)行篩選討論，針對(duì)突出問(wèn)題進(jìn)行下一步的改進(jìn)與優(yōu)化，提升患者的使用體驗(yàn)。

圖5 可監(jiān)測(cè)腕部矯形器用戶界面Fig.5 The user interface of the monitorable wrist orthosis

3 參數(shù)驗(yàn)證與舒適度評(píng)價(jià)

3.1 數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性與準(zhǔn)確性，選擇一名健康志愿者進(jìn)行驗(yàn)證。以肩關(guān)節(jié)為軸作前后擺動(dòng)的鐘擺運(yùn)動(dòng)為例。志愿者以垂直地面的站姿進(jìn)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，慣性單元選擇地面為參考系，空間坐標(biāo)系選擇站立位置為原點(diǎn)。受試者佩戴可監(jiān)測(cè)腕部矯形器，進(jìn)行鐘擺運(yùn)動(dòng)，記錄其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的四元數(shù)與空間位置。選擇長(zhǎng)度與志愿者臂長(zhǎng)相同的線繩，末端系上傳感裝置，進(jìn)行鐘擺運(yùn)動(dòng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)作對(duì)比，測(cè)得數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 志愿者不同姿態(tài)下的四元數(shù)Tab.1 Quaternions in different attitudes of volunteers

表2 矯形器作鐘擺運(yùn)動(dòng)時(shí)的四元數(shù)Tab.2 Quaternions of the orthosis as a pendulum movement

經(jīng)四元數(shù)計(jì)算反饋出的運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，證明檢測(cè)裝置運(yùn)動(dòng)捕捉與空間位置的準(zhǔn)確可靠。

3.2 矯形器佩戴臨床使用效果評(píng)價(jià)

本研究選取了一名年齡55歲，經(jīng)腦CT確診的男性腦卒中后偏癱患者佩戴矯形器進(jìn)行相關(guān)康復(fù)訓(xùn)練，并記錄康復(fù)過(guò)程。患者病程為60 d，無(wú)訓(xùn)練禁忌癥，能夠理解并執(zhí)行康復(fù)醫(yī)師的指令。分別于康復(fù)訓(xùn)練前、訓(xùn)練后1周、3周、5周的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)患者進(jìn)行腕功能活動(dòng)度測(cè)量與肌張力評(píng)級(jí)，如表3所示。其中腕功能活動(dòng)度以患者掌屈、背伸、橈偏、尺偏為指標(biāo)，測(cè)量患者關(guān)節(jié)活動(dòng)角度，單位為度；肌張力評(píng)級(jí)以Ashworth分級(jí)法進(jìn)行評(píng)定，0、1、1+、2、3、4級(jí)依次表示肌張力增加由無(wú)到嚴(yán)重。

表3 患者康復(fù)過(guò)程肌張力分級(jí)與腕功能活動(dòng)度評(píng)價(jià)Tab.3 Classification of muscle tension and evaluation of wrist function activity during rehabilitation

4 結(jié)果

筆者設(shè)計(jì)制備的可監(jiān)測(cè)腕部矯形器滿足了患者對(duì)個(gè)性化定制矯形器的需求，并且能夠有效固定患者腕部，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)患者康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作，有助于患者進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練，幫助患者早日回歸正常生活，可監(jiān)測(cè)腕部矯形器設(shè)計(jì)-制備-使用總圖，如圖6所示。

圖6 可監(jiān)測(cè)腕部矯形器設(shè)計(jì)-制備-使用總圖Fig.6 Monitor wrist orthosis design-preparation-use general diagram

在結(jié)構(gòu)上，矯形器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明，綁帶式固定佩戴方便，能按照患者康復(fù)需求調(diào)節(jié)松緊程度。矯形器固定部位與患者關(guān)節(jié)處接觸性良好，日常使用時(shí)能有效固定腕關(guān)節(jié)的同時(shí)不影響手指關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等部位的正?；顒?dòng)；康復(fù)訓(xùn)練時(shí)能夠保證上肢康復(fù)鍛煉順利進(jìn)行，從而預(yù)防肩手綜合征、關(guān)節(jié)僵硬、軟組織粘連等問(wèn)題。傳感器的安裝部分采用的分體式模組化結(jié)構(gòu)，能夠保證患者在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中傳感器的牢固與穩(wěn)定，矯形器的導(dǎo)線板能夠避免走線雜亂導(dǎo)致的行動(dòng)不便。

在功能上，可監(jiān)測(cè)腕部矯形器比傳統(tǒng)矯形器更有利于進(jìn)行早期康復(fù)訓(xùn)練，從而極大降低肩手綜合征以及手指關(guān)節(jié)僵直風(fēng)險(xiǎn)，并且能夠記錄患者康復(fù)過(guò)程中的上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)患者的訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)，功能鍛煉軌跡等數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生與患者直觀了解恢復(fù)情況。利用配套軟件，實(shí)現(xiàn)醫(yī)生對(duì)患者針對(duì)性的實(shí)時(shí)康復(fù)動(dòng)作指導(dǎo)，確保患者的康復(fù)過(guò)程安全規(guī)范。

5 討論

在腦卒中后偏癱的康復(fù)治療上，國(guó)內(nèi)外的治療方法研究主要集中在康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練和主動(dòng)型矯形器方向上[13-15]。孫長(zhǎng)城等通過(guò)對(duì)比康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練與常規(guī)訓(xùn)練的訓(xùn)練效果，得出了康復(fù)機(jī)器人輔助訓(xùn)練能有效促進(jìn)患者康復(fù)的結(jié)論；JAKOB等[13]運(yùn)用生物電傳感器的可控制原理，對(duì)動(dòng)態(tài)腕關(guān)節(jié)功能進(jìn)行康復(fù)鍛煉，區(qū)別傳統(tǒng)剛性石膏等輔具的不足，該康復(fù)輔具允許對(duì)機(jī)械剛度進(jìn)行電氣控制的裝置的主動(dòng)矯形器，以達(dá)到對(duì)腕關(guān)節(jié)和手指肌群的康復(fù)鍛煉。而此類輔助訓(xùn)練器材往往制備成本高，使用操作復(fù)雜，推廣普及難度較大。

筆者設(shè)計(jì)的可監(jiān)測(cè)腕部矯形器佩戴方便，操作簡(jiǎn)單。能夠在靈活掌握腦卒中后偏癱患者腕關(guān)節(jié)及上肢活動(dòng)信號(hào)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)上肢活動(dòng)反饋的信息化數(shù)據(jù)，判斷患者的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作、訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)是否達(dá)標(biāo)。從而在監(jiān)測(cè)患者姿態(tài)的同時(shí)確?；颊哌M(jìn)行安全可靠的早期康復(fù)鍛煉，有效降低肩手綜合征、手指關(guān)節(jié)僵直等問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，避免早期康復(fù)的誤區(qū)與冗長(zhǎng)的康復(fù)時(shí)間。

但本設(shè)計(jì)仍然存在一些待改進(jìn)的方面，如改變康復(fù)訓(xùn)練內(nèi)容時(shí)需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)調(diào)零，這對(duì)康復(fù)醫(yī)師的操作有一定的要求；康復(fù)系統(tǒng)有待完善，需添加更多功能以全面地反映患者行為等。

當(dāng)前在康復(fù)輔具方面的研發(fā)，我國(guó)的智能化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，人機(jī)交互功能尚不健全。智能醫(yī)療輔具的未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊，未來(lái)智能康復(fù)輔具將結(jié)合人工智能，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段，為患者提供更加科學(xué)、更加智能、更加人性化的康復(fù)體驗(yàn)。