基于磁共振成像残肢三维重建模型设计的压紧/释放型大腿假肢接受腔

孟昭建，张明，梁锦伦

1.广东省工伤康复中心康复研究所，广东广州市 510400；2.香港理工大学生物医学工程系，香港

下肢截肢患者主要依赖假肢辅助站立和行走。截肢患者的功能恢复受截肢平面的影响，截肢平面越高，患者使用假肢康复时遇到的障碍就越大。与小腿截肢患者相比，大腿截肢患者因为膝关节的丧失，情况会变得更加糟糕[1‑2]。下肢假肢通常所包含的部件包括假肢接受腔、关节(髋、膝或踝)、假脚和其他附属连接件。除了患者本身残肢条件以及身体健康状况外，这些不同假肢部件的选择和组合也会影响患者使用假肢的发挥。

随着科技的发展，智能假肢关节、假脚部件以及高性能材料部件取得飞速发展。电脑芯片控制或者外动力膝关节的出现使得患者的步态更加自然，各种碳纤或者储能假脚使患者的步态更加轻盈、省力。这些研究都集中在提高材料强度、降低患者的能量消耗和模仿身体运动功能上[3‑5]。患者使用这些先进的假肢配件后，步态和能量消耗得到有效改善。然而，对于截肢患者来说，成功的假肢装配主要依赖于假肢的接受腔，而并非前述的先进组件。接受腔是直接接触残肢和连接假肢其他部件的载体，起着容纳残肢、悬吊、传递力和运动的重要作用。不管假肢其他部件有多么先进和智能，截肢患者很可能会因为接受腔的不合适而拒绝使用假肢。

临床上因假肢接受腔不合适所引起的残肢问题很多，如压疮、皮肤刺激、囊肿、皮肤茧和疣状增生[8‑10]。这些症状往往是因为接受腔和残肢皮肤之间的剪切力、潮湿环境和过大的压应力造成[11]。目前，大腿假肢接受腔的应用还是以坐骨承重和坐骨包容接受腔口型比较普遍。过高的接受腔上缘阻碍髋关节的活动，不适当的接受腔腔体控制使残肢在接受腔内产生活塞运动，并增加股骨在软组织内的运动，不能有效传递残肢的驱动力。

近年来，压紧/释放型接受腔试图通过对于残肢软组织的进一步加压和周围组织的释放以达到稳定股骨，促进残肢对假肢的有效控制[12‑13]。接受腔上缘的高度可以被降低，因为残肢对假肢接受腔有更有效的控制[14]。制作接受腔的一般流程为：取模(石膏绷带/3D 扫描)‑阳模修型‑成型制作。在此过程中，石膏绷带取模和阳模修型对假肢师的临床技能依赖度很高，而且较难量化[15]，而3D 扫描因为人体在正常生理位站立时，左右大腿内侧相互影响，很难扫描到内侧轮廓。

本研究旨在设计一种以患者MRI重建的三维残肢模型为基础创建的压紧/释放型大腿假肢接受腔，进一步优化和量化大腿假肢接受腔的制作。

1 对象与方法

1.1 实验对象

患者男性，48岁，左侧大腿截肢，无其他既往病史，日常使用大腿假肢，生活完全自理并进行室内、户外活动。实验前向患者告知本研究详细内容，签署知情同意书。本研究经香港理工大学伦理委员会批准。

1.2 方法

1.2.1MRI

患者平躺于磁共振检查床，髋关节保持中立位，患者残肢侧穿戴保持残肢自然状态的阴型石膏绷带接受腔，以确保残肢形状不受重力影响改变。采用GE Signa HDxt 1.5 T MRI，层厚2 mm，用时35 min。

1.2.2接受腔设计

此研究以患者MRI资料为基础，用Mimics(Mate‑rialise,Belgium)软件三维重建获得患者肢体轮廓并将残肢的股骨和软组织进行分割(图1a)。将三维重建后的残肢轮廓导入SolidWorks (SolidWorks Corporation,MA,USA)软件中，以零等距面的方法构造出软组织的外轮廓作为压紧/释放型接受腔的基础模型。然后在基础模型最上缘的水平面上，用正中矢状面和冠状面将其均等为四等分，再以四等分为基础分割为八等份。每一份的宽度(大腿残肢上周围长除以8)为最终的压力平面宽度，受压位置设置于正中矢状面和中间冠状面的1/2位置，即在两平面间的45°角位置上。应用旋转切割的方法在这个部位下压15 mm，宽度定义为5 mm，以选取的中心点为原点做四组对称向下凸出15 mm，将其相邻部位开口以便于受压的软组织释放(图1b～d)，输入的数据从预实验中获得。预实验中，为大腿截肢患者分别制作压缩深度为5 mm、10 mm、15 mm、17 mm 和20 mm 的大腿假肢接受腔。患者穿戴接受腔后进行测试和评分，将反馈结果用改良的假肢评分问卷进行分析。

患者对15 mm 的压缩深度的接受腔在舒适性和有无疼痛的评分最为理想。最后根据需要加厚接受腔，此研究中采用4 mm的厚度设计(图1e)。设计好的文件导出为STL 格式可用于3D 打印，或用布尔运算将接受腔模型从软组织中减掉即可得到接受腔阳模模型，阳模模型输出的STL 格式文件用于计算机辅助制造(computer‑aided manufacture,CAM)切割泡沫模型后(图1f)真空成型制作接受腔。

1.3 接受腔评估

设计好的接受腔与残肢的软组织组装在一起导入有 限元分析软件Abaqus 6.11 (Dassault Systèmes,RI,USA)中进行残肢表面应力分布分析。采用10 mm 的热塑板材在CAM 制作的阳型模型上真空成型制作压紧/释放型接受腔。患者穿戴制作好的接受腔承重适应后，用压力传感器F‑scan (Tekscan Inc.,Boston,USA)进行残肢表面压力测试[16]。见图2。完成压力测试后给予改良的假肢评估问卷反馈意见[17]。问卷主要内容包括患者穿戴接受腔的舒适度、稳定性、悬吊、穿脱、是否有疼痛和整体感觉。答案的划分为1～5 分5个等级：1 分，十分糟糕；2 分，不满意；3 分，一般；4分，满意；5分，非常满意。

2 结果

患者对此接受腔的舒适度、稳定性和穿脱性为4分，相对应在好的标准。没有任何一项分值低于4，整体满意度较高。

有限元分析得出残肢表面最大接触压力为218.5 kPa，F‑scan压力传感器测得的最大压力为239 kPa。

3 讨论

图1 压紧/释放型大腿假肢接受腔的设计流程

图2 患者穿戴压紧/释放型接受腔进行残肢表面压力测试

利用MRI资料三维重建残肢几何体能够较准确还原残肢的体积和形状[18‑19]。此研究依据三维重建后的残肢外表面零等距的方法，设计接受腔初始模型，使得接受腔对残肢的顺应性和依附度高，解决了利用石膏绷带获取残肢模型时对假肢师技术水平的高度依赖，以及3D 扫描难于获得大腿内侧轮廓的不足以及移动伪影。此方法对于接受腔的体积和修模压紧量进行精确控制和量化，为假肢接受腔的设计提供了一种更为可靠、准确和高效的设计方案。同时因为接受腔创建基于残肢的影像，二者坐标一致，可以更好地组装在一起进行有限元分析研究。有限元对于残肢表面应力分布的模拟结果帮助设计接受腔的压力大小和位置。本研究中接触压力主要集中在受压部位的上缘。接受腔的进一步设计优化时，可将上缘部分的压缩量减少，逐步进行测试使其应力和压力更均匀地分布。这种接受腔设计‑有限元分析‑依据有限元分析结果优化接受腔设计的方法使得接受腔的修改和测试在给患者试样前就完成，减少在患者身上的反复试验和修改[20‑22]。

Colombo 等[23]利用有限元分析大腿截肢患者穿戴传统假肢接受腔在步态周期中的最大接触压力为200 kPa。Velez 等[24]则发现大腿截肢患者应用坐骨承重和坐骨包容接受腔的最大接触压力为151 kPa。本研究中，患者残肢表面的最大压力值明显比之前研究的坐骨包容和坐骨承重大腿假肢接受腔对残肢表面所产生的压力大，但在患者的疼痛阈值和疼痛可忍受范围内[25]。患者对于此种方法制作的接受腔反馈较好，可以进行更大样本量的研究以支持其广泛应用。

本研究仅对压紧/释放型假肢接受腔进行尝试，对于传统的坐骨承重和坐骨包容式假肢接受腔需要进一步研究，以确定坐骨部位的精确位置和结构设计。如果这种基于三维影像设计的接受腔‑有限元分析反馈优化‑计算机辅助设计的方法能够推广和应用，将会提高假肢接受腔的质量和装配成功率。