假肢矫形行业计算机辅助设计软件修型功能探索

周大伟 方新 北京社会管理职业学院假肢矫形康复系 （北京 101601）

假肢矫形行业是一个传统的手工行业，假肢矫形器技师使用石膏绷带或者人体投影图获取人体相关肢体信息，并通过相应的生物力学原理对肢体信息进行修型或者修改以获得必要的功能[1]。随着科技的发展，上世纪50年代，出现了计算机辅助设计（Computer Aided Design，简称CAD）的概念和研究目标，随后工业CAD得到了长足的发展和进步。假肢矫形行业的CAD系统最开始是单一的系统，采用假肢模型库的概念为患者制作假肢，后来随着三维扫描技术的成熟开始使用三维扫描枪获取患者的肢体形状并导入计算机进行CAD设计[2]。

1.CAD设计的数字模型

数字模型要进行各种方向的修改必须有一个标准。假肢矫形行业专用软件基本上都主轴加截面的模式。主轴就是形成人体主干的中心轴，在主轴上每隔0.1～0.5mm就会有一个与主轴呈垂直的截面，在界面上360˚方向上分布着数量不等的半径，半径数量越多，三维模型就会越精细，但是数据处理量就越大[3]。一般情况下半径数量是100，即每隔3.6˚一个半径。通过调整不同截面不同方向的半径就可以对三维模型进行任何形状的修改。

2.假肢矫形行业专用CAD软件

现在在国际上已经出现了各种各样的假肢矫形行业专用CAD软件，他们与工业CAD软件相比更加简单易用，并且符合假肢矫形修型的方式和方法。便于假肢矫形技师使用个人经验将数字人体模型按照自己的方法进行修改。功能模块基本上分为修型工具、基本工具和特殊模块。

2.1 修型工具

修型工具是对人体模型进行特别方向上的修改，共计有14种。分别为半径修改、弯曲、伸长、扭转、平移、对称、镜像、合并、克隆、平衡、测量、区域、手模、区域光滑。其中半径修改、区域、手模、区域光滑为主要模型局部方向修改。半径修改需要确定半径修改的截面止范围，并给出半径方向，半径修改数值。区域工具是采用鼠标打点的方式确定修改范围，并给出范围内的最高点或最低点，给出最高点或者最低点数值。同理手模采用了更为随意的方式，直接使用鼠标画出一个范围，根据给出的数值确定范围内的形状凸起或者凹陷。例如给一名小腿截肢患者制作小腿假肢接受腔，就必须使用区域工具确髌韧带的位置并进行修减，对股骨外侧髁使用半径修改工具进行整体修减，对胫骨嵴内外两侧压力面使用手模工具进行压力修减。最后进行区域光滑。弯曲、伸长、扭转、平移是对模型进行整体方向上的修改。例如对于脊柱侧弯患者，在石膏阴型上技师都要进行切开矫正，矫正的方法无非就是对侧弯凹侧进行反向弯曲、凸侧反向扭转，并对腋窝处进行力的提升。使用假肢矫形行业软件进行数字阳型的调整就比技师在石膏阴型上容易的多。同半径修改工具一样，确定数字阳型需要调整的上下截面，给出方向和数值就可以进行任何方向的弯曲、扭转、拉伸、平移。每一个调整都可以实时可视化，并于原始模型进行对比。对称、镜像、合并、克隆、平衡、测量工具是针对特殊的修型方法进行的。例如在做脊柱矫形器时技师往往要修髂嵴，在髂嵴内侧加压，髂嵴骨骼上进行修补免荷，使矫形器能牢固的卡住人体骨盆起到根基的作用。髂嵴是对称的，技师手法修型很大达到这样的效果，采用软件的对称功能就能很容易达到这样的效果。镜像是将患者的左腿镜像成右腿，这对打磨单侧截肢患者装饰海绵很有用。合并可以将各种模型组合到一块形成一个复杂的模型，例如制作一个带大腿口型圈的托马斯长腿矫形器，就可以将一个大腿假肢接受腔与患者的残肢组合到一起。克隆可以将肢体的一个任何区域按照中心轴对称到另外一侧，这个工具对于小孩的偏头很有用。测量分为矫形器测量和大腿假肢测量，采用固定的格式分别测量患者的肢体尺寸，从软件模型库中调用相应的矫形器模型和大腿假肢模型，输入尺寸后模型立即变化成患者的肢体形状。

2.2 基本工具

基本工具是假肢矫形行业CAD软件比较特殊的地方之一。为了照顾行业从业人员普遍学历偏低，计算机知识操作不熟练的特点，软件采用了拟人化的方法设计了一些类似手工才做的功能。例如：手工锯、校平、石膏调刀、石膏锉、纱网。手工锯就是可以对部分形状进行去除，校平就是对模型表面又修又补，保持模型表面的平滑程度。石膏调刀采用鼠标点击方式，鼠标在模型哪个地方点击一下，模型表面可调区域内就会补出一块，点击的越多修补的越多。石膏锉与石膏调刀原理一样，功能相反。纱网就是采用鼠标对模型进行整体砂光。这些工具对于技师来说非常容易上手，而且乐于上手。

2.3 特殊模块

特殊模块完全体现的是计算机数据处理的优势。常用导入照片、插入测量、边缘切割、加工仿真等。插入照片主要是将患者照片、X射线或者CT片三维重建形成的骨骼模型插入人体修型模型中，采用不同的透明度可以清晰显示人体模型与照片中人体的轮廓图或者X射线中人体的骨骼图之间的关系，通过这样直观的显示初步判断假肢、矫形器的修型方式是否正确，是否符合患者。同时，在软件模型中可以插入任何一个长度、角度、体积、围长测量，便于技师对整个模型任何一个尺寸进行监控。有些软件还有边缘切割功能，例如在修型完成的模型中设计假肢或者矫形器的边缘线，提取边缘线后软件将会显示整个假肢或者矫形器的样式，并且可以对已经完成热塑成型的模型直接二次加工切割矫形器。加工仿真就是将设计好的模型模拟导入数控加工中心，进行模型定位，加工参数调整，并生成加工文件。

3.小结

假肢矫形行业计算机辅助设计软件修型功能必须要和假肢矫形器技师的工作习惯紧密的联系起来。如果脱离了技师的工作习惯，再好的软件、再好的功能模块，技师也很难上手使用，他们不会抛弃自己的修型方法而从头学习计算机技术。使用最简单的功能、最有效的方法才能使计算机辅助设计软件完成假肢或者矫形器的修型，才能成为是一款专用的行业软件。

[1] Smith DG, Burgess EM. The use of CAD/CAM technology in prosthetics and orthotics––current clinical models and a view to the future[J].J Rehabil Res Dev,2001,38(3):327-334.

[2] Oberg T, Lilja M, Johansson T, Clinical evaluation of traps-tibial prosthesis sockets: a comparison between CAD/CAM and conventionally produced sockets[J].Prosthet Orthot Int,1993,17(3):164-171.

[3] 王喜太,问和平,杨鹏,等.假肢接受腔计算机辅助设计与制造系统的研制[J].中国康复医学杂志,2002,17(5):284-286.