基于正逆向技術結合的醫療護具創新設計

成思源，譚 昊，楊雪榮，王慕賢

（廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006）

眾所周知，醫療器械產業是一個關系國計民生的戰略產業，也是國家科技進步的重要標志，其中，高性能醫療器械更代表著第四次工業革命的技術潮流，已列入“中國制造2025”重點發展領域[1]。近年來，由于個性化醫療的出現，使得我國醫療護具發展走向“精確化、個性化、個體化”[2]。傳統的醫療護具在設計過程中往往根據患者的性別、身高和體重等不同，要保護的部位不同，按照特定的人群將護具模板的幾何參數進行局部調整來設置不同的型號尺寸。由于每個人的身體部位外形輪廓存在差異，患者實際佩戴這些護具時可能出現與要保護部位不貼合的情況，佩戴效果不理想，使得康復周期延長，給患者的個人治療體驗滿意度帶來極大落差。因此，醫療護具的個性化、個體化定制設計就成為國內外醫療康護領域科研工作者的一個研究熱點。個性化醫療可以為病人量身設計出最佳的治療方案，以期達到治療效果最大化和副作用最小化，能有效提升醫療服務質量，降低醫療費用[3-4]。

因此，本文針對不同患者的小腿外形輪廓，提出了基于正逆向建模技術結合的個性化小腿醫療護具的創新設計方法及流程。以小腿前側受傷部位護具設計為例，介紹設計的過程及創新點，可為患者設計出具有針對小腿受傷部位便于存取藥物、高貼合性的個性化小腿醫療護具，一定程度上能縮短患者的康護進程，降低小腿受到二次傷害的概率。

1 小腿醫療護具創新設計流程

患者小腿數據采集是進行個性化護具設計的首要步驟，目前人體數據獲取方法主要有2 種方式[5-6]。一種是通過醫學影像技術來獲取二維圖像資料，如透視、攝影、超聲、CT 及MRI 等成像技術，再通過斷層圖像三維建模軟件（如Mimics）來構建出對應的三維圖像。這種方法主要用來獲取人體軟組織、器官等數據，用于構建人體內部組織結構。第2 種方法是通過人體掃描儀來進行數據采集，這種方法只需要用掃描儀掃描人體，就能快速獲取點云數據。此方法可用于人體外部數據的獲取，可操作性好，支持多場合數據采集，可以不去醫院采集數據。常用的6 種獲取人體數據的方法參見表1。

表1 6 種獲取人體數據的方法

本文設計需要采集小腿外形輪廓數據，選用人體掃描儀進行數據采集。將采集的點云數據導入到Geomagic Studio 進行點階段、多邊形階段及曲面階段處理，實現網格數據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 模型導入Solidworks 中進行實體化操作，再根據不同患者的傷口部位大小進行裁剪，設計出護具的最終模型。設計流程參見圖1。

2 逆向處理

2.1 小腿數據采集過程

數據采集是逆向建模的首要環節，所采集的精度、完整性對逆向建模有重要影響[7]。本次人體小腿醫療護具的設計，只需要獲取小腿外表面輪廓數據。數據采集儀器種類較多，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、對環境要求不高、掃描儀和掃描物體的相對位置可以變換等特點，大大提高了掃描范圍和不同場合掃描的可行性[8]。設計中采用Sense 三維人體掃描儀（美國3D Systems 公司研發的一款手持式三維掃描儀）。Sense 三維掃描儀的體積纖小，配備了紅外發射器、RGB 彩色攝像頭及紅外線COMS 攝像頭，Sense 組成參見圖2。該掃描儀數據采集過程中發出的是紅外線，對人體沒有傷害，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 小腿護具創新設計流程

圖2 Sense 三維掃描儀

在進行掃描前，為了能夠獲取小腿完整外輪廓數據，掃描人員在使用Sense 三維掃描儀時，首先要考慮小腿擺放位置，規劃好掃描路徑。將Sense 掃描儀與計算機連接，啟動掃描儀及打開Sense 軟件，然后緩慢調整掃描儀的角度和位置，掃描過程中盡可能保持掃描儀到小腿的距離逐漸過渡，若在掃描時速度變化過快或者距離躍變較大會導致掃描過程中數據跟丟，掃描環境也應保持光線充足均勻。本次掃描小腿長度為250mm 左右，上述條件滿足后即可對小腿進行360°全方位掃描，掃描過程中可在計算機中實時、動態預覽掃描數據，掃描不到位的可重復掃描，直到完全準確地獲取小腿外輪廓數據后結束掃描。小腿掃描過程參見圖3。

圖3 小腿掃描

2.2 點階段處理

采集的原始數據需要進行優化，將原始數據導入Geomagic Studio 逆向軟件轉化為點云進行預處理。點云是物體在三維空間中的一種表達方式，這些點與二維圖像中平面像素點不同，是空間立體像素點，因此這些點是離散的、獨立的[9]。由于采集過程中環境光線變化、人體輕微移動、設備運動不規律等因素造成將一些噪音雜點及不需要的外部數據點也采集進來，因此需要對點云數據進行優化處理[10]。

為了直觀看清楚小腿模型點云數據，首先對點云進行著色，接著手動刪除雜點、體外孤點，減少噪音，統一采樣及封裝操作。本小腿點云模型中體外孤點主要是掃描環境及褲子的干擾；噪音大部分來自于人持掃描儀在掃描過程中的振蕩，處理掉這些雜點和噪音后，點云處理會更整齊劃一、井然有序。點云處理階段參見圖4。

圖4 點云階段處理

2.3 多邊形階段處理

點階段數據封裝后，實現了對點云向三角面片轉化，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格醫生、平面裁剪、簡化、松弛及砂紙。其中，網格醫生可對多邊形出現的各種問題進行檢測并修復；平面裁剪可處理小腿參差不齊的邊界輪廓；簡化可以使小腿多邊形模型較修改前更稀疏；松弛是對小腿模型全局優化；砂紙是對小腿模型局部優化。多邊形處理階段參見圖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基本的曲率探測和輪廓線探測創建基本的曲面片，并對曲面片進行移動面板、重新分布等操作逆向造型[12]。此階段通過快速封裝曲面生成小腿NURBS 曲面模型，主要用到探測曲率、構造曲面片、松弛輪廓線和曲面片及擬合曲面。其中，探測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；構造曲面片是在小腿模型輪廓線與邊界線上生成曲面片結構；松弛輪廓線和曲面片可使小腿模型輪廓線沿自身長度放松張力，變得更光滑；擬合曲面是將小腿模型的曲面片構造成一個完整的NURBS 曲面。至此，逆向建模工作全部完成，將生成的NURBS 曲面模型存儲為三維中性格式（x-t、stp、igs 等）。曲面處理階段參見圖6。

圖6 曲面階段處理

3 正向設計

3.1 設計分析

近年來，隨著人民生活水平的不斷提高，對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高強度競技運動人數不斷增多。然而，在劇烈的高強度競技對抗過程中，小腿部位意外損傷的風險也大大提高[13]。小腿外傷為外科門診常見的外傷疾病，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。

在小腿受傷后，如何對小腿進行康復性治療就顯得尤為關鍵[14]。傳統的人體小腿醫療護具石膏、樹脂支具都存在以下缺點：一方面因為統一的規格設定，患者佩戴的舒適性得不到保證；另一方面傳統方法設計、制造的護具不能對每位病人的小腿外形輪廓高度貼合，發揮不了醫療護具的最佳療效。此外，患者小腿在康護治療過程更換藥物時的疼痛、感染最常見，因此要采取措施預防初步治療后的感染及對小腿進行固定保護。

因此，經Sense 掃描儀對小腿進行數據采集及逆向處理后可以讓護具與身體部位高度貼合。病人經初步治療后，為了方便藥物的更換及減少藥物更換過程中的疼痛感，通過在小腿受傷部位設計藥物凹槽結構，可在一定程度上防止受傷部位受到二次傷害，保護患者傷口。

3.2 個性化設計

在Geomagic Studio 中得到NURBS 曲面后，將其保存成igs 格式導入到Solidworks 中，先對其進行實體化，將曲面轉化為實體，再根據患者的受傷區域裁剪出所需要的護具主要輪廓，接著對傷口部位進行取放藥膏結構創新設計，最后對護具的透氣性設計及使用安裝過程進行說明。

患者手術或者傷口包扎后，患者的小腿與較硬的物體接觸時出現痛壓點，嚴重時會造成二次傷害。患者在受傷后需要對傷口進行包扎并敷上相應的藥物促進傷口的愈合。藥物敷在傷口后需要用傷口敷料包扎，目前在我國外科傷口普遍使用紗布等傳統敷料[15]。敷料用醫用膠布固定在傷口周圍，醫用膠布可避免敷料及藥物從傷口脫落，但膠布對人體而言是一種異物，長時間的接觸、摩擦及刺激可引起皮膚各種不同的反應，同時藥物不定期地更換與清理也較繁瑣。為了不使用醫用膠布及方便患者藥物更換，本護具上設計了個性化藥物存放凹槽結構，患者傷口敷上藥物后，將醫用紗布放置在凹槽結構中，患者在穿戴過程中只需要將凹槽對準受傷部位。通過藥物凹槽兩側的孔對紗布量進行增減，彈簧夾可對多余的紗布兩側進行固定，藥物主要由藥物凹槽與彈簧夾進行承擔。

為了提高護具的透氣性及便于散熱，在小腿護具的受傷口周圍設計了透氣孔，使得小腿的狀態更自然，治療體驗更優。個性化新型護具安裝過程只需在上下安裝孔中裝有魔術粘貼扣帶，其可對護具進行松緊調節。最終設計得到的個性化小腿護具參見圖7。

圖7 個性化新型護具

4 結束語

針對傳統小腿醫療護具貼合性不強，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結合的個性化醫療護具創新設計方法。采用Sense 人體掃描儀對小腿外形輪廓進行掃描，通過 Geomagic Studio 對掃描數據進行處理，將處理的小腿模型導入到Solidworks 中進行正向設計。該方法可對不同患者的小腿外傷部位進行個性化的護具設計，操作流程簡便。此方法對于其他醫療器械的創新設計具有一定的參考價值，同時也可作為高等院校設計類相關課程的實驗教學案例。