计算机辅助技术在假肢矫形的应用

赵德峰

（山东省假肢矫形康复中心 山东省济南市 250014）

假肢矫形属于一个比较传统的行业，且该行业具备着很大程度的手工性质。通常情况下，技师会通过石膏绷带的形式或者是人体投影图的形式来获取到相关的人体肢体信息，然后借助于生物力学原理来修复这些肢体信息，或者是对这些肢体信息进行修改，进而赋予其必要功能。而在当今社会科学技术的不断发展之中，计算机辅助技术（也就是CAD 技术）开始被应用到了假肢矫形技术之中。通过该技术的应用，不仅可以将患者肢体的形状信息导入到计算机之中，还可以使其得到更加合理的优化与改进，这对于假肢矫形技术的发展和患者活动能力的提升都有着极大的帮助。

1 假肢行业传统手工革命和CAD技术

1.1 传统手工革命

假肢矫形器的制作技术属于一种十分传统的手工技术，这种技术的手工业特点十分显著。在传统的假肢矫形器手工制作过程中，技师会按照患者的实际病例变化来对石膏进行取型和修型处理，处理过程中所采用的手法也不尽相同，然后结合各种的金属材料或者是其它高分子材料来实现个性化假肢或者是假肢矫形器的制作。在这种传统的制作工艺与制作过程之中，涵盖的是技师丰富的临床经验和强大的技术能力。因此，传统手工假肢矫形器制作技术对于技师也就有着极高的要求。而CAD 技术（计算机辅助技术）涉及到的科学领域十分广泛，所以随着经济与科技的发展，CAD 技术在很多行业之中都得到了广泛的应用，这其中就包含着假肢矫形器制造行业。但是在实际的应用过程中，假肢矫形器制造行业不仅要充分考虑到行业自身的特点，同时也要充分考虑到技师们的自身素养，所以要想将该技术有效应用到假肢矫形器制造行业之中，并使其与这一行业的各个方面做好有效适应，这确实是一项比较复杂的事情。但是经过了不断的应用、革新与发展，目前的CAD 技术已经在假肢矫形器制造领域之中实现了良好的适应，并为假肢矫形器的制造提供了极大的便利条件。这对于假肢矫形器的合理应用以及该行业的良好发展都起到了极大的推动作用。

1.2 CAD技术

CAD 的全称是Computer Aided Design，是一种十分强大的计算机辅助技术。要想将CAD 技术应用到假肢矫形器制造行业之中，就需要将其和假肢矫形器制造行业自身的特点之间进行有效结合。在传统的假肢矫形器制造过程中，首先需要通过石膏绷带给患者进行取型，或者是通过测量尺直接进行患者肢体尺寸的测量，然后用石膏阴型灌注石膏阳型，接下来在石膏阳型上进行设计和修改工作，将某一区域进行合理的填补或去除，使其符合一定的生物力学特性，最后通过热成型技术或者是真空成型技术来制造出半成品的假肢矫形器。在此过程中，CAD 技术可以在取型和设计修改工作之中发挥出关键性的作用，所以在这两个环节之中，技师可以合理应用CAD 技术，使其作用与优势得以充分发挥，这样才可以使其与假肢矫形行业特点之间实现完美结合。

2 CAD数字模型设计分析

要想在各种方向上对数字模型进行修改，一个必要的因素就是应该具备一个标准。就假肢矫形行业而言，其应用到的软件通常是主轴模式加截面模式。所谓主轴，也就是人体主干形成的中心轴，在这个主轴上，每隔0.1mm-0.5mm 的距离就会出现一个截面与其垂直，而在这个截面的360°方向上则有着大量的不同半径，这些半径的数量越多，这个三维模型也就会更加精细，但是这样的情况势必会需要进行更多的数据处理才能实现。通常情况下，半径的数量都需要量达到100 个，也就是说，每隔3.6°就会出现一个半径[1]。所以在进行数字模型的设计过程中，设计者就可以通过对不同界面上不同方向半径的调整来实现对这个数字模型的合理化调整，将其修改为理想的形状。

3 假肢矫形行业之中专用的CAD软件的应用分析

在当今世界的假肢矫形行业之中，各种专用的CAD 软件相继出现，相比较工业之中所应用的CAD 软件而言，假肢矫形行业之中所专用的CAD 软件应用起来更加简单容易，且与假肢矫形的方法和方式十分符合。通过这种专业化CAD 软件的应用，假肢矫形技师可以根据自己的经验来建立起一个数字化的人体模型，然后通过自己的方法来实现假肢的修改。在这种专用于假肢矫形行业的CAD 软件之中，主要的功能模块有三个：其一是修型工具模块；其二是基本工具模块；其三是特殊模块。以下是对这三个主要模块在假肢矫形之中的具体应用方法所进行的分析。

3.1 修型工具模块

通过CAD 软件之中的修型工具，可以在特别的方向上对数字化人体模型进行修改，在假肢矫形行业所专用的CAD 软件修型工具模块之中，共有十四种修型工具，它们分别是半径修改、伸长、弯曲、平移、扭转、镜像、对称、克隆、合并、测量、平衡、手模、区域以及区域光滑。

在这些修型工具之中，半径修改、手模、区域以及区域光滑主要可以对模型方向进行修改。在进行半径修改的过程中，首先需要对修改截面以及修改范围进行确定，然后需要给出修改半径的数值和方向。在应用区域工具进行修改的过程中，修改范围需要通过鼠标打点的方式来确定，同时应该确定修改区域之中的最高点或者是最低点，并给出具体的数值[2]。在通过手模进行修改的过程中，所应用到的修改方式更加随意，技师可以借助于鼠标将修改范围直接画出，然后按照给定的数值对修改范围之中的形状凸起或者是形状凹陷进行确定。比如：在为小腿截肢患者进行小腿假肢的制作过程中，技师就一定要通过区域工具来确定髌韧带位置，并进行合理的修减，在进行胫骨嵴内侧与外侧压力面的压力修减过程中，则需要应用到手模工具，最后，需要应用到区域光滑工具来进行光滑处理。

伸长、弯曲、平移以及扭转工具主要可以对模型的整体方向进行修改。比如：对于脊柱侧弯的患者，技师需要对石膏阴型切开进行矫正，其主要的方法是对侧弯凹陷的一侧进行反向弯曲，对侧弯凸起的一侧进行反向扭转，同时对腋窝位置的力进行提升。但是通过专业CAD 软件的应用，就可以在数字阳型上进行调整，这样的调整方式会比传统技师通过石膏阴型的调整简单很多。其具体的应用和半径修改工具的应用方法相似，首先应该对数字阳型上需要进行调整的上下两个截面进行确定，并给出具体的数值和方向，然后就可以通过方向的拉伸、扭转、平移以及弯曲等来实现理想化的调整，且整个的调整过程都能实现可视化，技师可以实时将调整后的模型与原始模型进行对比。

镜像、对称、克隆、合并、测量以及平衡工具主要可以用来进行特殊的修型处理。比如：在进行脊柱矫形器的制作过程中，技师通常需要对髂嵴进行修复，对髂嵴的内侧进行加压处理，并对髂嵴骨骼进行免荷修复，这样才可以让矫形器将患者的骨盆牢牢卡住，进而起到根基作用。因为髂嵴具有对称性，所以如果仅仅凭借技师的手法进行人工修型，则很难保持两侧完全一致。而将专用的CAD 软件应用到具体的修复过程中，则可以很容易实现这样的效果。通过镜像工具，可以将患者的左腿镜像成为右腿，这对于单侧截肢患者的装饰海绵打磨将会起到很好的帮助作用[3]。通过合并工具，可以让各个模型都组合到一起，进而形成一个整体的复杂模型。比如，在进行一个带有大腿口型圈的托马斯长腿矫形器制作过程中，就可以通过该工具来实现患者残肢与大腿假肢接受腔之间的完美组合。通过克隆工具，可以借助于中心对称的方式将患者任何一侧的肢体区域对称到患者的另一侧，该工具在小儿偏头的矫正之中十分适用。测量工具可以按照两种形式进行划分，其一是矫形器测量，其二是大腿假肢测量，借助于测量工具，可以按固定格式来进行患者肢体尺寸的测量，然后在软件的模型库之中对相应矫情器模型以及大腿假肢模型进行调用，将患者肢体尺寸输入之后，模型就会立即转换成患者肢体的形状。

3.2 基本工具模块

对于假肢矫形这一行业所专用的CAD 软件而言，基本工具这一模块比较特殊。因为这一行业的工作者大多没有很高的学历，且对于计算机软件的操作也并不熟练，所以该软件就应用到了一种拟人化的设计方法，具备了相应的手工功能，比如校平、手工锯、石膏厝、石膏调刀和纱网等的工具。

在这些工具之中，手工锯工具可以去除部分的形状；校平工具可以进行模型表面的修补，使其表面保持平滑；石膏调刀工具可以通过点击鼠标的方式来进行操作，用鼠标点击一下模型的某个位置，就可以在其表面区域之中补出一块，点击鼠标的次数越多，修补的块数也就越多。石膏锉工具和石膏调刀工具有着同样的原理，但是却有着相反的功能，也就是用鼠标点击哪个区域，该区域的表面就会被减去一块。纱网工具主要是借助于鼠标来进行整体模型的砂光处理。

在具体的应用过程中，这些工具操作起来都十分简单，且容易上手，所以技师们也都非常喜欢应用这些工具。

3.3 特殊模块

在假肢矫形行业所专用的CAD 软件之中，特殊模块可以将计算机辅助数据处理方面的优势全部体现出来。在这一模块之中，经常用到的工具包括导入照片、边缘切割、插入测量以及加工仿真等的工具。

借助于导入照片工具，可以将患者本人的照片、CT 片或者是X 射线片导入到电脑，然后通过三维重建的形式构成一个骨骼模型，并将这个骨骼模型插入到人体修型模型之中。在具体的应用过程中，可以通过透明度的调整使这个人体模型和照片之中的患者轮廓图、CT 片骨骼图或者是X 射线片骨骼图的关系显示出来，通过这种直观的方法，就可以对假肢以及矫形器修型方法的正确性做到初步判断[4]。同时，技师也可以将任意的长度、体积、角度或者是围长的测量插入到软件模型之中，以此来实现对模型尺寸的监控。在一些假肢矫形专用的CAD 软件之中，也具备着边缘切割这一功能，比如：在对完成了修型的模型之中进行假肢设计或者是进行矫形器边缘线的设计时，软件会在边缘线提取之后显示出假肢的整体样式或者是矫形器的整体样式，同时也可以对热塑成型的模型直接进行二次的切割加工。通过加工仿真工具，可以将完成设计的模型模拟导入到数据加工中心，然后对模型进行定位，并对其参数进行加工调整，最后实现加工文件的生成。

4 计算机辅助技术在假肢矫形领域之中的发展方向

4.1 3D显示技术和3D打印技术的应用

在进行假肢矫形器的设计过程中，如果合理应用到3D 显示技术和3D 打印技术，技师就可以通过更加直观的方式来修改相应的数字模型，伴随着3D 技术的发展，3D 显示技术和3D 打印技术也开始逐渐被应用到了这一行业之中，尤其是在近年来，该技术在假肢矫形行业之中得到了越来越高的重视。但是就目前的情况来看，打印材料较少、可选择范围狭窄等的这些问题都对3D 打印技术在假肢矫形行业之中的广泛应用造成了一定程度的阻碍，很多适合3D 打印的材料都并不适合假肢矫形器，且由于打印的时间很长，所以即使是一个十分常见、十分简单的假肢矫形器，也需要打印很长的时间。由此可见，3D 显示技术和3D 打印技术在假肢矫形行业之中的应用还有待进一步发展，这是当今假肢矫形行业的一个重要发展方向。

4.2 有限元技术的应用

随着假肢矫形行业的不断发展和患者需求层次的提升，技师们不仅仅要考虑到假肢矫形器的使用功能，同时也应该对其使用的舒适度加以重点考虑。在这样的情况下，有限元技术就越来越受到假肢矫形行业的重视。通过对患者残肢接受腔或假肢矫形器的有限元模型建立，可以对其间存在的力学效应进行分析，这样就可以让接受腔更有效地实现载荷传送，让压力得到均匀分布，进而实现表面接触的合理优化。通过这样的方式，不仅可以有效满足患者对于假肢矫形器的功能需求，同时也可以让患者的舒适度得到最大限度的提升。由此可见，将有限元技术合理应用到假肢矫形行业之中，这对于假肢矫形行业而言也是一个重要的发展方向。

5 结束语

综上所述，在假肢矫形行业之中，计算机辅助技术的应用可以让传统技师工作之中很多不能实现的操作得以顺利实现，提升技师的工作效率，保障假肢矫形的工作精度。但是在计算机辅助技术具体的开发与应用过程中，一定要保障相关软件的简单易学，这样才能让软件更能被技师接受，进而使其在假肢矫形技术的应用与发展之中发挥出充分的作用与优势。