基于逆向工程的上肢關(guān)節(jié)個(gè)性化康復(fù)器械的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

馬浩浩 郭泰聰 姬智新 王子堯

(天水師范學(xué)院,甘肅天水 741001)

0 引言

隨著人們對個(gè)性化康復(fù)護(hù)具的需求日益增加,患者對康復(fù)訓(xùn)練器械有了更高的要求,現(xiàn)代化和定制的個(gè)性化產(chǎn)品越來越普遍。傳統(tǒng)的針對上肢胳膊、手腕擦傷及骨折等的護(hù)具主要為預(yù)制、石膏等多種形式,要么固定鎖死,難以拆除,要么為標(biāo)準(zhǔn)化制造,難以適應(yīng)患者個(gè)性就診需求。上肢胳膊、手腕擦傷及骨折等意外時(shí)有發(fā)生,腕伸肌及指伸肌麻痹,手指及腕功能障礙,手指及腕攣縮、無力等癥狀也常會(huì)出現(xiàn)。在醫(yī)療水平發(fā)達(dá)的今天有著各式各樣的相關(guān)醫(yī)療器械用以幫助康復(fù),同時(shí)更是有著醫(yī)療器械價(jià)格高、操作難、尺寸不符、佩戴不適、等問題層出不窮,不適的同時(shí)更是加重了患者的痛苦和減緩了康復(fù)進(jìn)程[1]。本文采取逆向工程的“定制化”、“個(gè)性化”康復(fù)訓(xùn)練器械為患者的康復(fù)訓(xùn)練提供了更好的解決方案[2]。

1 研究思路

上肢關(guān)節(jié)個(gè)性化康復(fù)訓(xùn)練器械可以分為兩類:一是為上肢胳膊、手腕擦傷及骨折患者制作一種避免受到外物(如衣服、被)的摩擦、壓迫的固定護(hù)具,使患者穿戴舒適、方便,能夠提高生活質(zhì)量,并能達(dá)到良好的輔助治療效果;二是手指關(guān)節(jié)康復(fù)過程中的訓(xùn)練器械,針對腕伸肌及指伸肌麻痹,手指及腕功能障礙,手指及腕攣縮、無力等癥狀,進(jìn)行良好的手功能訓(xùn)練,測力比對,助力恢復(fù)手功能。

本文設(shè)計(jì)有利于改善目前常用上肢醫(yī)療康復(fù)器械的不足,更科學(xué)可靠和實(shí)惠便捷促進(jìn)患者康復(fù)。通過采用EinScan-Pro+3D掃描儀掃描人體上肢三維數(shù)據(jù),在Geomagic Studio逆向建模軟件進(jìn)行模型重建,在建模軟件Unigraphics NX中進(jìn)行個(gè)性化輔助康復(fù)器械正向設(shè)計(jì)[3],再使用3D打印制作出康復(fù)訓(xùn)練器械樣機(jī),進(jìn)行測試,根據(jù)測試的結(jié)果再對護(hù)具優(yōu)化設(shè)計(jì),通過記錄佩戴后護(hù)具的舒適程度及康復(fù)效果綜合評定,得出最優(yōu)方案,設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Design flow chart

2 逆向設(shè)計(jì)

2.1 三維掃描數(shù)據(jù)信息采集

采用EinScan-Pro+3D掃描儀采集數(shù)據(jù),是非接觸式測量的一種掃描儀器。準(zhǔn)備一臺操作系統(tǒng)為Win10版本的計(jì)算機(jī),并通過USB接口將掃描儀連接到計(jì)算機(jī),打開EinScan-Pro+軟件之后,選擇“人體”掃描模式。掃描以上臂胳膊、手腕、手指為掃描對象。調(diào)整掃描儀與被掃描物體之間的距離,使掃描儀視野的中心區(qū)域,使掃描界面中的圓形區(qū)域位于被掃描物體的中心。在掃描過程中,盡量保持穩(wěn)定掃描姿態(tài),掃描儀到掃描對象區(qū)域的距離不變,逐步調(diào)整掃描角度緩慢繞著掃描對象掃描,掃描過程如圖2所示。掃描結(jié)束后,將掃描數(shù)據(jù)保存為.STL格式,并將其導(dǎo)入Geomagic Studio三維CAD逆向建模軟件中,以便Geomagic Studio對數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理。

圖2 三維掃描上臂各部分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Fig.2 Structure data of three dimensional scanning upper arm

2.2 逆向建模

本文采用Geomagic Studio逆向建模軟件,對三維掃描得到的對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,刪除噪音和冗余點(diǎn)、點(diǎn)云采樣等操作,將其處理為整齊、精簡的點(diǎn)云數(shù)據(jù),創(chuàng)建出多邊形模型和網(wǎng)格,并自動(dòng)轉(zhuǎn)換為NURBS曲面模型[4]。再進(jìn)行表面光順與優(yōu)化處理,以獲得光順、完整的上肢胳膊、手腕、手指等模型,如圖3。

圖3 上肢模型Fig.3 Upper limb model

Geomagic Studio對模型采用探測曲率方法對圖像進(jìn)行處理,提取曲率線并修改編輯,構(gòu)造曲面片,通過柵格處理來修復(fù)模型表面有變形或缺損的曲面片區(qū)域,得到模型以便導(dǎo)入正向建模軟件中完成下一步的操作。

3 正向設(shè)計(jì)

掃描儀獲取上臂外陪點(diǎn)云數(shù)據(jù),經(jīng)Geomaigc Studio逆向軟件處理成所需的曲面數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)nigraphics NX三維軟件對上肢康復(fù)護(hù)具進(jìn)行再創(chuàng)新設(shè)計(jì),完成上肢護(hù)具(如圖4)、手指康復(fù)訓(xùn)練器械(如圖5)的個(gè)性化設(shè)計(jì)。

圖4 上肢護(hù)具結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of upper limb protector

圖5 手指康復(fù)訓(xùn)練器械結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of finger rehabilitation training device

建模過程中采用1∶1的尺寸,護(hù)具模型需要佩戴上肢,現(xiàn)暫取模型的厚度為3mm,護(hù)具與上臂之間的空隙為2mm,可通過抽殼把模型由實(shí)體模型轉(zhuǎn)變?yōu)楸∑Ｐ?以實(shí)現(xiàn)護(hù)具結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中考慮配戴護(hù)具,在模型側(cè)面開用于加裝魔術(shù)貼的側(cè)孔。后期優(yōu)化設(shè)計(jì)最終完成上肢胳膊、手腕護(hù)具及手指康復(fù)訓(xùn)練設(shè)計(jì),模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出為.stl格式[5]。

4 3D打印快速成型及優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文采用熔融沉積成型(FDM)技術(shù),也稱為桌面級3D打印技術(shù)。3D打印機(jī)打印文件采用.STL文件格式。

本次打印采用白色ABS材料,因?yàn)樗哂辛己玫恼辰Y(jié)性,耐用性,強(qiáng)度較高,無毒、無味,兼有韌、硬、剛的特性,成型后的產(chǎn)品無內(nèi)應(yīng)力,不變形,精度較高[6]。啟動(dòng)導(dǎo)入3D打印機(jī),打開切片軟件,加載模型,確定模型工件合適的方位,考慮模型表面精度與模型強(qiáng)度及支撐材料的施加與成型所需要的時(shí)間設(shè)定3D打印參數(shù)[7]。調(diào)平操作后設(shè)置合理的工藝參數(shù),打印成品如圖6。

圖6 3D打印上肢康復(fù)護(hù)具與訓(xùn)練器械Fig.6 3D printing upper limb rehabilitation and training device

打印出樣品后試驗(yàn)對比,結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),反復(fù)修改模型數(shù)據(jù),再設(shè)計(jì)再打印,加入手功能測力評價(jià),最終實(shí)現(xiàn)個(gè)性化上肢關(guān)節(jié)康復(fù)訓(xùn)練護(hù)具樣機(jī)的研制。

5 總結(jié)

本文研究和設(shè)計(jì)的產(chǎn)品可以很大程度的去改善和優(yōu)化普通康復(fù)器械的不足之處?；谀嫦蚬こ虒?shí)現(xiàn)患者的上肢關(guān)節(jié)康復(fù)護(hù)具與訓(xùn)練器械的個(gè)性化定制,采用3D掃描技術(shù)和3D打印技術(shù)為患者進(jìn)行科學(xué)合理的定制,患者將在價(jià)格低廉、操作簡單的基礎(chǔ)之上去實(shí)現(xiàn)更科學(xué)有效的尺寸匹配和醫(yī)療康復(fù),可以實(shí)現(xiàn)真正意義上恢復(fù)效果可視化,更好的輔助患者康復(fù)。