计算机辅助设计与制作大腿假肢的应用研究

赖卿,曹学军,庄建龙,王林,田罡,崔继龙

计算机辅助接受腔设计(computer aided socket design,CASD)是通过获取残肢轮廓或外形尺寸,在计算机中对残肢三维模型进行建模和修改的计算机程序。CASD可以在短时间内得出满足接受腔结构、功能和基本尺寸的三维模型,并输出阳模数据信息。计算机辅助接受腔制作(computer aided socket manufacture,CASM)是通过读取CASD输出的三维模型数据,在规定时间内完成接受腔阳模的加工。

国外,从 20世纪 80年代已经开始了 CASD/CASM技术的广泛研究与应用[1-5]。工业发达国家相继出现多种系统,典型的有:美国俄亥俄州的OMEGA Tracer CAD系统、加拿大Varum公司的CANFIT系统、瑞典的CAPOD系统、德国的 IPOS公司系统、OTTO BOCK公司以及其他一些系统(如加拿大的VORVM公司、英国的Shape公司以及美国圣地亚哥的BioSculpter、美国Seattle系统等),CASD/CASM 在发达国家已得到广泛的临床推广使用。在我国,将计算机辅助设计与制作(CAD/CAM)技术引入假肢/矫形器领域的研究才刚刚起步,离实际临床应用尚有不小距离。2000年民政部假肢科学研究所联合河北工业大学开发了一套假肢接受腔CAD/CAM原型系统[6],采用理论设计、标准口型圈和实际测量相结合的方法,对假肢接受腔计算机辅助技术进行了初步研究;2002年中国康复研究中心联合北京航空航天大学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装置并申请专利[8],目前正深入研究这套CAD/CAM系统在临床的应用效果。

本文介绍一种基于三维扫描与逆向工程建立并修改大腿接受腔阳模三维模型的方法,应用计算机辅助制作坐骨包容式接受腔,为患者制作、装配假肢,进行康复训练,并与传统手工制作的假肢进行静力学、步行动力学及残肢-接受腔界面压力的比较评价。

1 临床资料

病例1,男性,29岁,身高 162 cm,体重64 kg,因肢体坏死致左大腿截肢,中等长度残肢,髋关节各肌力正常,除18°髋屈曲挛缩,其他关节活动度正常,末端有约10 cm手术瘢痕,其余皮肤组织良好。患者截肢后6个月来本中心安装假肢,穿戴石膏接受腔2个月,残肢萎缩定形,现需安装正式接受腔假肢。

病例2,女性,22岁,身高 163 cm,体重42 kg,车祸致右大腿截肢,短残肢,伸髋及外展髋关节肌力Ⅳ级,髋20°屈曲挛缩,其他关节活动度正常,残肢软组织松弛,皮肤移动度大。患者截肢后3个月来本中心安装假肢,残肢肌肉处于萎缩期。

病例3,男性,37岁,身高 179 cm,体重65 kg,术后感染致右大腿截肢,残肢中等偏长,髋外展、后伸肌力Ⅳ级,髋内收、屈曲肌力Ⅳ级,髋 16°屈曲挛缩,其他关节活动度正常。患者截肢后2个月来本中心安装假肢。

2 方法

2.1 计算机辅助设计与制作坐骨包容式接受腔假肢使用3D Camega三维扫描系统拍摄残肢外型轮廓,并测量残肢围长数据备用。应用Cloudform软件对采集的点云数据进行除躁和拼接,导出点云至Geomagic 10.0对模型作全局拼接、光顺等工作,生成残肢的三维模型(图1b);同时人工取患者大腿根部口型石膏阴型,采用相同的方法得到口型圈三维模型(图1a)。在Geomagic中实现模型的位移、旋转、缩放、连接和光顺,制作成符合接受腔要求的三维模型(图2)。输出数据至计算机辅助制作加工机床,进行模型的切削加工得到最终的阳模(图3)。

对加工出来的硬泡沫树脂接受腔阳模进行围长尺寸测量,与测量的残肢围长尺寸对比,确定压缩量是否满足条件;翻石膏阴型,并通过患者不断试穿的信息反馈在计算机中对接受腔模型进行不断调整,直到患者感觉大小合适、各个部位舒适为止。

指导患者穿戴临时接受腔假肢进行康复训练,包括单腿站立训练、平地行走、上下坡行走训练和碎石子路行走、草地路面行走训练等,待患者残肢条件稳定并对穿戴假肢适应良好后,可以安装正式假肢。

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、修石膏阳型的传统方法,同样为患者制作坐骨包容式接受腔,进行试穿、调整和康复训练。

2.3 生物力学测试比较 实验包括静止站立和跑台行走两部分,对患者穿戴两种不同方法制作的假肢稳定性、步行对称性和残肢-接受腔界面压力情况进行测试比较。所用设备为美国Tekscan压力传感器测试系统和德国Zebris步态分析跑步仪。压力传感片放置位置为接受腔近端前、后、内侧和远端前、后、外侧,分3次完成残肢-接受腔界面压力数据的采集;步态分析跑步仪收集患者足与地面作用力和重心水平面变化数据。

3 结果

病例1穿戴手工制作和CAD/CAM接受腔假肢静力学指标和步行假肢侧支撑期百分比指标差异不显著,步行假肢侧和健侧步线长比显著改善,步行对称性提高。病例2穿戴CAD/CAM接受腔比手工制作接受腔静力学指标提高显著,步行动力学指标差异不显著。病例3穿戴两种方法制作的接受腔静力学和动力学指标均较稳定,其中假肢侧与健侧步线长比指标接近正常理论值1,步行对称性较好。详见表1。

3例患者残肢条件、身体状况和假肢组件不同,相互间残肢-接受腔界面压力值差别较大,但患者自身对照呈现出一定规律性(表2)。手工制作假肢是由有经验的假肢师在经过患者反复试穿修改合适后制作的,CAD/CAM方法制作的假肢其残肢-接受腔界面压力变化与手工制作的越接近则说明CAD/CAM假肢越符合患者的穿戴需求。

病例3手工制作假肢有硅胶内衬套,压力传感片置于硅胶套和接受腔之间,其余5个接受腔均与残肢直接接触。

静止站立时病例1 CAD/CAM接受腔较紧,各部位压力值比手工制作接受腔略大;病例2患者穿戴两种方法制作的接受腔压力具有较好的相似性,最高压力值出现在近端后侧,其次是近端前侧和内侧,最大压力值小于800 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa);病例3穿戴手工制作假肢近端压力高于远端,最大压力值出现在近端后侧,达1200 mmHg,CAD/CAM 接受腔近端和远端界面压力差值得到缓和,压力最大值在近端后侧,为889 mmHg,其次为远端外侧和近端内、前侧。

在步行各时相,残肢-接受腔各部位界面压力均值分布在200～1000 mmHg和0～1500 mmHg之间。病例1、病例2穿戴手工制作和CAD/CAM 接受腔各部位压力随步行周期变化具有较好的相似性。病例3穿戴手工制作假肢近端后侧压力在支撑中期至末期达最大接近1500 mmHg,远端外、后侧压力由摆动期0增加至支撑期600～700 mmHg,远端前侧在步态周期中测得压力为0,这可解释为硅胶套对压力的分散和集中致两端压力分化明显,CAD/CAM制作的接受腔则避免了这种情况的发生,压力变化回归正常。

表1 手工制作与CAD/CAM接受腔静止站立和1.6 km/h行走步行力学参数比较(手工/CAD)

表2 手工制作与CAD/CAM接受腔静止站立和1.6 km/h行走各步态时相残肢-接受腔界面压力均值比较(手工/CAD,mmHg)

Radcliffe关于残肢-接受腔界面经典压力假设认为,步行中内外方向的力稳定骨盆,前后方向的力稳定膝关节。为了稳定骨盆,作用于股骨的一对力偶将在支撑中期近端内侧和远端外侧部分产生最大压力;考虑膝的稳定性,支撑初期的最大压力会发生的近端前侧和远端后侧,而支撑末期的最大压力发生在远端前侧和近端后侧部分(图4)[9]。本实验测得的患者穿戴CAD/CAM接受腔假肢的界面压力数值与 Radcliffe假设基本相符,股骨远端外侧压力变化显著,在支撑初、中期达峰值,而坐骨部分压力值不再远远高于其他部位,这是坐骨包容接受腔相比四边形接受腔保持股骨内收和包容坐骨、坐骨支的独有特征。

4 讨论

本文通过采用基于逆向工程的CASD/CASM方法为3例患者装配大腿假肢并与传统手工制作假肢进行了静力学、步行动力学和残肢-接受腔界面压力的评价比较,CASD/CASM假肢满足生物力学要求,患者穿戴舒适,制作过程更加快捷、自动化,避免了制作师因经验不同导致的主观差异,减少了石膏污染,改善了工作环境,工作室可以改造成拥有计算机、扫描设备、数控加工机床等更高科技化的新型实验工作室。建立患者假肢电子档案、提供后期维修和更换时的可视参考模型,同时不断累积坐骨包容式接受腔的三维模型库,将来可以直接调用口型以设计制作接受腔模型[10],实现由半自动化向全自动化的逐渐转变,最终达到一人多机的高效率制作目标。

图4 稳定髋关节和膝关节的3对力偶

残肢-接受腔界面要求能获得满意的力传递、稳定性和有效控制的人-机界面,对界面压力的测量和理解是为了检验接受腔的合理性[11]。本实验设备提供了每次测量2个部位压力值条件,参考 Edward等的设计[12],分3次获得数据,实验测得的压力值处于多数文献报道过的残肢-接受腔压力范围之内[12-14]。3例患者身体状况和选配的假肢组件(接受腔材料、膝关节、假脚等)虽然不同,但病例自身具有较高的对照意义,CAD/CAM系统也将在未来临床实践中不断完善。

本文与另一个假肢的热点研究领域——有限元分析残肢-接受腔界面压力[11,15]关系紧密,即在加工接受腔阳模前,若先采用有限元方法模拟静止载荷及步态周期载荷对接受腔三维模型进行加载和分析,得到理论界面压力值并指导修改三维模型直至受力合理,可以增加CASD/CASM假肢的成功率[16-17]。

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