計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作大腿假肢的應(yīng)用研究

賴卿,曹學(xué)軍,莊建龍,王林,田罡,崔繼龍

計(jì)算機(jī)輔助接受腔設(shè)計(jì)(computer aided socket design,CASD)是通過(guò)獲取殘肢輪廓或外形尺寸,在計(jì)算機(jī)中對(duì)殘肢三維模型進(jìn)行建模和修改的計(jì)算機(jī)程序。CASD可以在短時(shí)間內(nèi)得出滿足接受腔結(jié)構(gòu)、功能和基本尺寸的三維模型,并輸出陽(yáng)模數(shù)據(jù)信息。計(jì)算機(jī)輔助接受腔制作(computer aided socket manufacture,CASM)是通過(guò)讀取CASD輸出的三維模型數(shù)據(jù),在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成接受腔陽(yáng)模的加工。

國(guó)外,從 20世紀(jì) 80年代已經(jīng)開(kāi)始了 CASD/CASM技術(shù)的廣泛研究與應(yīng)用[1-5]。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼出現(xiàn)多種系統(tǒng),典型的有:美國(guó)俄亥俄州的OMEGA Tracer CAD系統(tǒng)、加拿大Varum公司的CANFIT系統(tǒng)、瑞典的CAPOD系統(tǒng)、德國(guó)的 IPOS公司系統(tǒng)、OTTO BOCK公司以及其他一些系統(tǒng)(如加拿大的VORVM公司、英國(guó)的Shape公司以及美國(guó)圣地亞哥的BioSculpter、美國(guó)Seattle系統(tǒng)等),CASD/CASM 在發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛的臨床推廣使用。在我國(guó),將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作(CAD/CAM)技術(shù)引入假肢/矯形器領(lǐng)域的研究才剛剛起步,離實(shí)際臨床應(yīng)用尚有不小距離。2000年民政部假肢科學(xué)研究所聯(lián)合河北工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了一套假肢接受腔CAD/CAM原型系統(tǒng)[6],采用理論設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)口型圈和實(shí)際測(cè)量相結(jié)合的方法,對(duì)假肢接受腔計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)進(jìn)行了初步研究;2002年中國(guó)康復(fù)研究中心聯(lián)合北京航空航天大學(xué)摸索了一套假肢接受腔表面建模/修模的方法[7],研制了一套假肢接受腔快速成型裝置并申請(qǐng)專利[8],目前正深入研究這套CAD/CAM系統(tǒng)在臨床的應(yīng)用效果。

本文介紹一種基于三維掃描與逆向工程建立并修改大腿接受腔陽(yáng)模三維模型的方法,應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助制作坐骨包容式接受腔,為患者制作、裝配假肢,進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,并與傳統(tǒng)手工制作的假肢進(jìn)行靜力學(xué)、步行動(dòng)力學(xué)及殘肢-接受腔界面壓力的比較評(píng)價(jià)。

1 臨床資料

病例1,男性,29歲,身高 162 cm,體重64 kg,因肢體壞死致左大腿截肢,中等長(zhǎng)度殘肢,髖關(guān)節(jié)各肌力正常,除18°髖屈曲攣縮,其他關(guān)節(jié)活動(dòng)度正常,末端有約10 cm手術(shù)瘢痕,其余皮膚組織良好。患者截肢后6個(gè)月來(lái)本中心安裝假肢,穿戴石膏接受腔2個(gè)月,殘肢萎縮定形,現(xiàn)需安裝正式接受腔假肢。

病例2,女性,22歲,身高 163 cm,體重42 kg,車禍致右大腿截肢,短殘肢,伸髖及外展髖關(guān)節(jié)肌力Ⅳ級(jí),髖20°屈曲攣縮,其他關(guān)節(jié)活動(dòng)度正常,殘肢軟組織松弛,皮膚移動(dòng)度大。患者截肢后3個(gè)月來(lái)本中心安裝假肢,殘肢肌肉處于萎縮期。

病例3,男性,37歲,身高 179 cm,體重65 kg,術(shù)后感染致右大腿截肢,殘肢中等偏長(zhǎng),髖外展、后伸肌力Ⅳ級(jí),髖內(nèi)收、屈曲肌力Ⅳ級(jí),髖 16°屈曲攣縮,其他關(guān)節(jié)活動(dòng)度正常。患者截肢后2個(gè)月來(lái)本中心安裝假肢。

2 方法

2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制作坐骨包容式接受腔假肢使用3D Camega三維掃描系統(tǒng)拍攝殘肢外型輪廓,并測(cè)量殘肢圍長(zhǎng)數(shù)據(jù)備用。應(yīng)用Cloudform軟件對(duì)采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行除躁和拼接,導(dǎo)出點(diǎn)云至Geomagic 10.0對(duì)模型作全局拼接、光順等工作,生成殘肢的三維模型(圖1b);同時(shí)人工取患者大腿根部口型石膏陰型,采用相同的方法得到口型圈三維模型(圖1a)。在Geomagic中實(shí)現(xiàn)模型的位移、旋轉(zhuǎn)、縮放、連接和光順,制作成符合接受腔要求的三維模型(圖2)。輸出數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)輔助制作加工機(jī)床,進(jìn)行模型的切削加工得到最終的陽(yáng)模(圖3)。

對(duì)加工出來(lái)的硬泡沫樹(shù)脂接受腔陽(yáng)模進(jìn)行圍長(zhǎng)尺寸測(cè)量,與測(cè)量的殘肢圍長(zhǎng)尺寸對(duì)比,確定壓縮量是否滿足條件;翻石膏陰型,并通過(guò)患者不斷試穿的信息反饋在計(jì)算機(jī)中對(duì)接受腔模型進(jìn)行不斷調(diào)整,直到患者感覺(jué)大小合適、各個(gè)部位舒適為止。

指導(dǎo)患者穿戴臨時(shí)接受腔假肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,包括單腿站立訓(xùn)練、平地行走、上下坡行走訓(xùn)練和碎石子路行走、草地路面行走訓(xùn)練等,待患者殘肢條件穩(wěn)定并對(duì)穿戴假肢適應(yīng)良好后,可以安裝正式假肢。

2.2 手工制作坐骨包容式接受腔假肢 采用手工取石膏模型、修石膏陽(yáng)型的傳統(tǒng)方法,同樣為患者制作坐骨包容式接受腔,進(jìn)行試穿、調(diào)整和康復(fù)訓(xùn)練。

2.3 生物力學(xué)測(cè)試比較 實(shí)驗(yàn)包括靜止站立和跑臺(tái)行走兩部分,對(duì)患者穿戴兩種不同方法制作的假肢穩(wěn)定性、步行對(duì)稱性和殘肢-接受腔界面壓力情況進(jìn)行測(cè)試比較。所用設(shè)備為美國(guó)Tekscan壓力傳感器測(cè)試系統(tǒng)和德國(guó)Zebris步態(tài)分析跑步儀。壓力傳感片放置位置為接受腔近端前、后、內(nèi)側(cè)和遠(yuǎn)端前、后、外側(cè),分3次完成殘肢-接受腔界面壓力數(shù)據(jù)的采集;步態(tài)分析跑步儀收集患者足與地面作用力和重心水平面變化數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果

病例1穿戴手工制作和CAD/CAM接受腔假肢靜力學(xué)指標(biāo)和步行假肢側(cè)支撐期百分比指標(biāo)差異不顯著,步行假肢側(cè)和健側(cè)步線長(zhǎng)比顯著改善,步行對(duì)稱性提高。病例2穿戴CAD/CAM接受腔比手工制作接受腔靜力學(xué)指標(biāo)提高顯著,步行動(dòng)力學(xué)指標(biāo)差異不顯著。病例3穿戴兩種方法制作的接受腔靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)均較穩(wěn)定,其中假肢側(cè)與健側(cè)步線長(zhǎng)比指標(biāo)接近正常理論值1,步行對(duì)稱性較好。詳見(jiàn)表1。

3例患者殘肢條件、身體狀況和假肢組件不同,相互間殘肢-接受腔界面壓力值差別較大,但患者自身對(duì)照呈現(xiàn)出一定規(guī)律性(表2)。手工制作假肢是由有經(jīng)驗(yàn)的假肢師在經(jīng)過(guò)患者反復(fù)試穿修改合適后制作的,CAD/CAM方法制作的假肢其殘肢-接受腔界面壓力變化與手工制作的越接近則說(shuō)明CAD/CAM假肢越符合患者的穿戴需求。

病例3手工制作假肢有硅膠內(nèi)襯套,壓力傳感片置于硅膠套和接受腔之間,其余5個(gè)接受腔均與殘肢直接接觸。

靜止站立時(shí)病例1 CAD/CAM接受腔較緊,各部位壓力值比手工制作接受腔略大;病例2患者穿戴兩種方法制作的接受腔壓力具有較好的相似性,最高壓力值出現(xiàn)在近端后側(cè),其次是近端前側(cè)和內(nèi)側(cè),最大壓力值小于800 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa);病例3穿戴手工制作假肢近端壓力高于遠(yuǎn)端,最大壓力值出現(xiàn)在近端后側(cè),達(dá)1200 mmHg,CAD/CAM 接受腔近端和遠(yuǎn)端界面壓力差值得到緩和,壓力最大值在近端后側(cè),為889 mmHg,其次為遠(yuǎn)端外側(cè)和近端內(nèi)、前側(cè)。

在步行各時(shí)相,殘肢-接受腔各部位界面壓力均值分布在200～1000 mmHg和0～1500 mmHg之間。病例1、病例2穿戴手工制作和CAD/CAM 接受腔各部位壓力隨步行周期變化具有較好的相似性。病例3穿戴手工制作假肢近端后側(cè)壓力在支撐中期至末期達(dá)最大接近1500 mmHg,遠(yuǎn)端外、后側(cè)壓力由擺動(dòng)期0增加至支撐期600～700 mmHg,遠(yuǎn)端前側(cè)在步態(tài)周期中測(cè)得壓力為0,這可解釋為硅膠套對(duì)壓力的分散和集中致兩端壓力分化明顯,CAD/CAM制作的接受腔則避免了這種情況的發(fā)生,壓力變化回歸正常。

表1 手工制作與CAD/CAM接受腔靜止站立和1.6 km/h行走步行力學(xué)參數(shù)比較(手工/CAD)

表2 手工制作與CAD/CAM接受腔靜止站立和1.6 km/h行走各步態(tài)時(shí)相殘肢-接受腔界面壓力均值比較(手工/CAD,mmHg)

Radcliffe關(guān)于殘肢-接受腔界面經(jīng)典壓力假設(shè)認(rèn)為,步行中內(nèi)外方向的力穩(wěn)定骨盆,前后方向的力穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)。為了穩(wěn)定骨盆,作用于股骨的一對(duì)力偶將在支撐中期近端內(nèi)側(cè)和遠(yuǎn)端外側(cè)部分產(chǎn)生最大壓力;考慮膝的穩(wěn)定性,支撐初期的最大壓力會(huì)發(fā)生的近端前側(cè)和遠(yuǎn)端后側(cè),而支撐末期的最大壓力發(fā)生在遠(yuǎn)端前側(cè)和近端后側(cè)部分(圖4)[9]。本實(shí)驗(yàn)測(cè)得的患者穿戴CAD/CAM接受腔假肢的界面壓力數(shù)值與 Radcliffe假設(shè)基本相符,股骨遠(yuǎn)端外側(cè)壓力變化顯著,在支撐初、中期達(dá)峰值,而坐骨部分壓力值不再遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他部位,這是坐骨包容接受腔相比四邊形接受腔保持股骨內(nèi)收和包容坐骨、坐骨支的獨(dú)有特征。

4 討論

本文通過(guò)采用基于逆向工程的CASD/CASM方法為3例患者裝配大腿假肢并與傳統(tǒng)手工制作假肢進(jìn)行了靜力學(xué)、步行動(dòng)力學(xué)和殘肢-接受腔界面壓力的評(píng)價(jià)比較,CASD/CASM假肢滿足生物力學(xué)要求,患者穿戴舒適,制作過(guò)程更加快捷、自動(dòng)化,避免了制作師因經(jīng)驗(yàn)不同導(dǎo)致的主觀差異,減少了石膏污染,改善了工作環(huán)境,工作室可以改造成擁有計(jì)算機(jī)、掃描設(shè)備、數(shù)控加工機(jī)床等更高科技化的新型實(shí)驗(yàn)工作室。建立患者假肢電子檔案、提供后期維修和更換時(shí)的可視參考模型,同時(shí)不斷累積坐骨包容式接受腔的三維模型庫(kù),將來(lái)可以直接調(diào)用口型以設(shè)計(jì)制作接受腔模型[10],實(shí)現(xiàn)由半自動(dòng)化向全自動(dòng)化的逐漸轉(zhuǎn)變,最終達(dá)到一人多機(jī)的高效率制作目標(biāo)。

圖4 穩(wěn)定髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的3對(duì)力偶

殘肢-接受腔界面要求能獲得滿意的力傳遞、穩(wěn)定性和有效控制的人-機(jī)界面,對(duì)界面壓力的測(cè)量和理解是為了檢驗(yàn)接受腔的合理性[11]。本實(shí)驗(yàn)設(shè)備提供了每次測(cè)量2個(gè)部位壓力值條件,參考 Edward等的設(shè)計(jì)[12],分3次獲得數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓力值處于多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)的殘肢-接受腔壓力范圍之內(nèi)[12-14]。3例患者身體狀況和選配的假肢組件(接受腔材料、膝關(guān)節(jié)、假腳等)雖然不同,但病例自身具有較高的對(duì)照意義,CAD/CAM系統(tǒng)也將在未來(lái)臨床實(shí)踐中不斷完善。

本文與另一個(gè)假肢的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域——有限元分析殘肢-接受腔界面壓力[11,15]關(guān)系緊密,即在加工接受腔陽(yáng)模前,若先采用有限元方法模擬靜止載荷及步態(tài)周期載荷對(duì)接受腔三維模型進(jìn)行加載和分析,得到理論界面壓力值并指導(dǎo)修改三維模型直至受力合理,可以增加CASD/CASM假肢的成功率[16-17]。

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