計算機輔助技術在假肢矯形的應用

趙德峰

（山東省假肢矯形康復中心 山東省濟南市 250014）

假肢矯形屬于一個比較傳統的行業，且該行業具備著很大程度的手工性質。通常情況下，技師會通過石膏繃帶的形式或者是人體投影圖的形式來獲取到相關的人體肢體信息，然后借助于生物力學原理來修復這些肢體信息，或者是對這些肢體信息進行修改，進而賦予其必要功能。而在當今社會科學技術的不斷發展之中，計算機輔助技術（也就是CAD 技術）開始被應用到了假肢矯形技術之中。通過該技術的應用，不僅可以將患者肢體的形狀信息導入到計算機之中，還可以使其得到更加合理的優化與改進，這對于假肢矯形技術的發展和患者活動能力的提升都有著極大的幫助。

1 假肢行業傳統手工革命和CAD技術

1.1 傳統手工革命

假肢矯形器的制作技術屬于一種十分傳統的手工技術，這種技術的手工業特點十分顯著。在傳統的假肢矯形器手工制作過程中，技師會按照患者的實際病例變化來對石膏進行取型和修型處理，處理過程中所采用的手法也不盡相同，然后結合各種的金屬材料或者是其它高分子材料來實現個性化假肢或者是假肢矯形器的制作。在這種傳統的制作工藝與制作過程之中，涵蓋的是技師豐富的臨床經驗和強大的技術能力。因此，傳統手工假肢矯形器制作技術對于技師也就有著極高的要求。而CAD 技術（計算機輔助技術）涉及到的科學領域十分廣泛，所以隨著經濟與科技的發展，CAD 技術在很多行業之中都得到了廣泛的應用，這其中就包含著假肢矯形器制造行業。但是在實際的應用過程中，假肢矯形器制造行業不僅要充分考慮到行業自身的特點，同時也要充分考慮到技師們的自身素養，所以要想將該技術有效應用到假肢矯形器制造行業之中，并使其與這一行業的各個方面做好有效適應，這確實是一項比較復雜的事情。但是經過了不斷的應用、革新與發展，目前的CAD 技術已經在假肢矯形器制造領域之中實現了良好的適應，并為假肢矯形器的制造提供了極大的便利條件。這對于假肢矯形器的合理應用以及該行業的良好發展都起到了極大的推動作用。

1.2 CAD技術

CAD 的全稱是Computer Aided Design，是一種十分強大的計算機輔助技術。要想將CAD 技術應用到假肢矯形器制造行業之中，就需要將其和假肢矯形器制造行業自身的特點之間進行有效結合。在傳統的假肢矯形器制造過程中，首先需要通過石膏繃帶給患者進行取型，或者是通過測量尺直接進行患者肢體尺寸的測量，然后用石膏陰型灌注石膏陽型，接下來在石膏陽型上進行設計和修改工作，將某一區域進行合理的填補或去除，使其符合一定的生物力學特性，最后通過熱成型技術或者是真空成型技術來制造出半成品的假肢矯形器。在此過程中，CAD 技術可以在取型和設計修改工作之中發揮出關鍵性的作用，所以在這兩個環節之中，技師可以合理應用CAD 技術，使其作用與優勢得以充分發揮，這樣才可以使其與假肢矯形行業特點之間實現完美結合。

2 CAD數字模型設計分析

要想在各種方向上對數字模型進行修改，一個必要的因素就是應該具備一個標準。就假肢矯形行業而言，其應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，在這個主軸上，每隔0.1mm-0.5mm 的距離就會出現一個截面與其垂直，而在這個截面的360°方向上則有著大量的不同半徑，這些半徑的數量越多，這個三維模型也就會更加精細，但是這樣的情況勢必會需要進行更多的數據處理才能實現。通常情況下，半徑的數量都需要量達到100 個，也就是說，每隔3.6°就會出現一個半徑[1]。所以在進行數字模型的設計過程中，設計者就可以通過對不同界面上不同方向半徑的調整來實現對這個數字模型的合理化調整，將其修改為理想的形狀。

3 假肢矯形行業之中專用的CAD軟件的應用分析

在當今世界的假肢矯形行業之中，各種專用的CAD 軟件相繼出現，相比較工業之中所應用的CAD 軟件而言，假肢矯形行業之中所專用的CAD 軟件應用起來更加簡單容易，且與假肢矯形的方法和方式十分符合。通過這種專業化CAD 軟件的應用，假肢矯形技師可以根據自己的經驗來建立起一個數字化的人體模型，然后通過自己的方法來實現假肢的修改。在這種專用于假肢矯形行業的CAD 軟件之中，主要的功能模塊有三個：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。以下是對這三個主要模塊在假肢矯形之中的具體應用方法所進行的分析。

3.1 修型工具模塊

通過CAD 軟件之中的修型工具，可以在特別的方向上對數字化人體模型進行修改，在假肢矯形行業所專用的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、彎曲、平移、扭轉、鏡像、對稱、克隆、合并、測量、平衡、手模、區域以及區域光滑。

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

伸長、彎曲、平移以及扭轉工具主要可以對模型的整體方向進行修改。比如：對于脊柱側彎的患者，技師需要對石膏陰型切開進行矯正，其主要的方法是對側彎凹陷的一側進行反向彎曲，對側彎凸起的一側進行反向扭轉，同時對腋窩位置的力進行提升。但是通過專業CAD 軟件的應用，就可以在數字陽型上進行調整，這樣的調整方式會比傳統技師通過石膏陰型的調整簡單很多。其具體的應用和半徑修改工具的應用方法相似，首先應該對數字陽型上需要進行調整的上下兩個截面進行確定，并給出具體的數值和方向，然后就可以通過方向的拉伸、扭轉、平移以及彎曲等來實現理想化的調整，且整個的調整過程都能實現可視化，技師可以實時將調整后的模型與原始模型進行對比。

鏡像、對稱、克隆、合并、測量以及平衡工具主要可以用來進行特殊的修型處理。比如：在進行脊柱矯形器的制作過程中，技師通常需要對髂嵴進行修復，對髂嵴的內側進行加壓處理，并對髂嵴骨骼進行免荷修復，這樣才可以讓矯形器將患者的骨盆牢牢卡住，進而起到根基作用。因為髂嵴具有對稱性，所以如果僅僅憑借技師的手法進行人工修型，則很難保持兩側完全一致。而將專用的CAD 軟件應用到具體的修復過程中，則可以很容易實現這樣的效果。通過鏡像工具，可以將患者的左腿鏡像成為右腿，這對于單側截肢患者的裝飾海綿打磨將會起到很好的幫助作用[3]。通過合并工具，可以讓各個模型都組合到一起，進而形成一個整體的復雜模型。比如，在進行一個帶有大腿口型圈的托馬斯長腿矯形器制作過程中，就可以通過該工具來實現患者殘肢與大腿假肢接受腔之間的完美組合。通過克隆工具，可以借助于中心對稱的方式將患者任何一側的肢體區域對稱到患者的另一側，該工具在小兒偏頭的矯正之中十分適用。測量工具可以按照兩種形式進行劃分，其一是矯形器測量，其二是大腿假肢測量，借助于測量工具，可以按固定格式來進行患者肢體尺寸的測量，然后在軟件的模型庫之中對相應矯情器模型以及大腿假肢模型進行調用，將患者肢體尺寸輸入之后，模型就會立即轉換成患者肢體的形狀。

3.2 基本工具模塊

對于假肢矯形這一行業所專用的CAD 軟件而言，基本工具這一模塊比較特殊。因為這一行業的工作者大多沒有很高的學歷，且對于計算機軟件的操作也并不熟練，所以該軟件就應用到了一種擬人化的設計方法，具備了相應的手工功能，比如校平、手工鋸、石膏厝、石膏調刀和紗網等的工具。

在這些工具之中，手工鋸工具可以去除部分的形狀；校平工具可以進行模型表面的修補，使其表面保持平滑；石膏調刀工具可以通過點擊鼠標的方式來進行操作，用鼠標點擊一下模型的某個位置，就可以在其表面區域之中補出一塊，點擊鼠標的次數越多，修補的塊數也就越多。石膏銼工具和石膏調刀工具有著同樣的原理，但是卻有著相反的功能，也就是用鼠標點擊哪個區域，該區域的表面就會被減去一塊。紗網工具主要是借助于鼠標來進行整體模型的砂光處理。

在具體的應用過程中，這些工具操作起來都十分簡單，且容易上手，所以技師們也都非常喜歡應用這些工具。

3.3 特殊模塊

在假肢矯形行業所專用的CAD 軟件之中，特殊模塊可以將計算機輔助數據處理方面的優勢全部體現出來。在這一模塊之中，經常用到的工具包括導入照片、邊緣切割、插入測量以及加工仿真等的工具。

借助于導入照片工具，可以將患者本人的照片、CT 片或者是X 射線片導入到電腦，然后通過三維重建的形式構成一個骨骼模型，并將這個骨骼模型插入到人體修型模型之中。在具體的應用過程中，可以通過透明度的調整使這個人體模型和照片之中的患者輪廓圖、CT 片骨骼圖或者是X 射線片骨骼圖的關系顯示出來，通過這種直觀的方法，就可以對假肢以及矯形器修型方法的正確性做到初步判斷[4]。同時，技師也可以將任意的長度、體積、角度或者是圍長的測量插入到軟件模型之中，以此來實現對模型尺寸的監控。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：在對完成了修型的模型之中進行假肢設計或者是進行矯形器邊緣線的設計時，軟件會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，同時也可以對熱塑成型的模型直接進行二次的切割加工。通過加工仿真工具，可以將完成設計的模型模擬導入到數據加工中心，然后對模型進行定位，并對其參數進行加工調整，最后實現加工文件的生成。

4 計算機輔助技術在假肢矯形領域之中的發展方向

4.1 3D顯示技術和3D打印技術的應用

在進行假肢矯形器的設計過程中，如果合理應用到3D 顯示技術和3D 打印技術，技師就可以通過更加直觀的方式來修改相應的數字模型，伴隨著3D 技術的發展，3D 顯示技術和3D 打印技術也開始逐漸被應用到了這一行業之中，尤其是在近年來，該技術在假肢矯形行業之中得到了越來越高的重視。但是就目前的情況來看，打印材料較少、可選擇范圍狹窄等的這些問題都對3D 打印技術在假肢矯形行業之中的廣泛應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，且由于打印的時間很長，所以即使是一個十分常見、十分簡單的假肢矯形器，也需要打印很長的時間。由此可見，3D 顯示技術和3D 打印技術在假肢矯形行業之中的應用還有待進一步發展，這是當今假肢矯形行業的一個重要發展方向。

4.2 有限元技術的應用

隨著假肢矯形行業的不斷發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，同時也應該對其使用的舒適度加以重點考慮。在這樣的情況下，有限元技術就越來越受到假肢矯形行業的重視。通過對患者殘肢接受腔或假肢矯形器的有限元模型建立，可以對其間存在的力學效應進行分析，這樣就可以讓接受腔更有效地實現載荷傳送，讓壓力得到均勻分布，進而實現表面接觸的合理優化。通過這樣的方式，不僅可以有效滿足患者對于假肢矯形器的功能需求，同時也可以讓患者的舒適度得到最大限度的提升。由此可見，將有限元技術合理應用到假肢矯形行業之中，這對于假肢矯形行業而言也是一個重要的發展方向。

5 結束語

綜上所述，在假肢矯形行業之中，計算機輔助技術的應用可以讓傳統技師工作之中很多不能實現的操作得以順利實現，提升技師的工作效率，保障假肢矯形的工作精度。但是在計算機輔助技術具體的開發與應用過程中，一定要保障相關軟件的簡單易學，這樣才能讓軟件更能被技師接受，進而使其在假肢矯形技術的應用與發展之中發揮出充分的作用與優勢。