基于逆向工程技术构建假肢-接受腔有限元模型

周雪兆 石光林 吕少文

摘    要：为研究下肢截肢者使用的假肢接受腔适应患者残肢的几何形状和生物力学需求，建立一个高精度特定对象的有限元模型，更好的研究接受腔和残肢之间的载荷转移状况，将一名女性小腿截肢患者的残肢CT图像导入到Mimics软件中进行图像处理实现对骨骼模型的三维重建;然后利用手持式激光扫描仪扫描残肢表面，利用逆向工程软件Geomagic studio对图像进行曲面化处理，再将骨骼与残肢软组织数据进行空间复合，建立残肢-接受腔模型;最后将残肢-接受腔模型导入有限元分析软件Ansys中，建立有限元模型. 结果表明：利用手持式扫描仪建立的残肢表面模型能够更高效的完成残肢-接受腔模型的建立，使有限元模型的建立更为精确.

关键词：假肢接受腔;CT;手持式激光扫描仪;有限元模型

中图分类号：R318.1          DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.04.010

0    引言

目前，假肢接受腔的定制主要有两种：一种是石膏取模法手工制作（传统石膏取模法）;另一种利用计算机辅助设计制作.在国内，假肢接受腔定制主要采用的是传统石膏取模法： 技师对残肢进行石膏取形，制作石膏阴模和阳模，根据技师经验进行修型后使用机器抽真空成型. 这种方法使用时间较长，工艺比较成熟，但存在的问题是过度依赖技师的经验而且效率比较低.患者在实际应用中容易出现残肢局部受压严重，残肢表面出现红肿以及配带不舒适等问题[1].20世纪80年代末，计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）技术在国外开始应用于接受腔的设计制作过程中. 假肢接受腔CAD/CAM系统不再只是以残肢为模板，而是根据残肢形状匹配系统内已有的可重复利用的阳模模型，在此基础上根据个体功能性和舒适度的要求对形状和尺寸进行修型，进而通过数控机床加工成型，最后通过真空注塑方法从阳模上抽取出接受腔[2]. 采用假肢接受腔CAD/CAM系统的数控设备具有自动化功能，主要体现在残肢的取型和接受腔修型方面，大大提高了接受腔的生成效率以及生成质量.但是整套设备比较昂贵，而且要求使用者有一定的CAD设计基础.由于计算机取模法与传统石膏取模法相同，系统中的阳模仍然需要技师依据经验在计算机上进行修型. 此种设备对技师的经验要求高、制作周期长、设备价格昂贵以及对技师提出软件应用的要求等，导致系统的普及率低，因此，假肢接受腔CAD/CAM系统在康复医院比较难推广. 近年来，反求工程技术在康复医疗方面得到越来越多的应用. 胡迎春等[3]研究了人体腰椎节段图像的反求建模和有限元分析. 郑淑贤等[4]提出结合CT断层测量技术与图像处理技术，由二维图像数据快速地提取出骨骼、皮肤软组织特征，利用反求工程技术对残肢骨骼和皮肤软组织进行三维重建，为下一步对残肢的生物力学分析和接受腔的CAD设计建立了数字化模型.

针对目前假肢接受腔设计过程中存在的问题，为了提升测量的精度和效率，提高患者的舒适度，本文提出采用高精度非接触式激光扫描仪对患者残肢进行扫描，得到点云数据后用相应的软件进行处理得到患者残肢的数字模型，随后建立残肢-接受腔有限元模型.

1    方法

1.1   骨骼模型的三维重建

1.1.1 图像的处理

本实验招募志愿者女性一名（身高160 cm，体重      56 kg），小腿截肢，残肢形态较为规整. 基于患者的CT图像，利用Mimics软件进行骨骼模型的重建.如图1所示，由于CT图像本身存在噪音影响，利用图像滤波突出图像中所需要的部分，降低图像中的噪音，从而提高骨骼图像的生成质量. 图像数据处理和建模的方式如下：

图像处理：将导入的CT图进行图像增强，利用图像滤波器，增强对比度，提高分辨率，提高图像质量.

图像分割成型：采用阈值分割法将骨骼和人体其他组织图像分离开. 阈值分割法是根据人体不同组织的密度各不相同，灰度值存在差异的原理进行图像分割. 将所需要的骨骼图像分割出保存到蒙板中，由于骨骼内含有骨髓等因素的影响，在阈值分割后生成的骨骼模型中存在很多孔洞，为了不影响骨骼模型实体化后的质量需要手动填充生成骨骼三维模型.

1.1.2  曲面优化处理

由于受CT扫描设备的精度以及软件的局限性等因素的影响，Mimics重构的骨骼模型表面粗糙度较高，是存在很多孔洞和钉状物等. 利用Geomagic studio强大的点云处理功能得到理想的骨骼模型点云数据，统一封装成理想的骨骼多边形数据模型，然后对骨骼模型表面进行平滑处理，孔洞填充，去除钉状物等一系列处理形成规整的骨骼多边形模型. 通过面片处理，格栅处理，NURBS曲面处理等生成理想的骨骼曲面模型，如图2所示.

1.2   残肢表面的三维重建

手持式激光扫描仪扫描有着较高的便携性，操作过程十分轻便灵活、成本低，对于模型表面的重建精度比较高. Mimics应用于人体组织重建，是利用各人体组织灰度值的差异进行图形的提取. 骨骼的灰度值与人体其他组织的灰度值有很大的区别，模型生成时精度高，所以目前Mimics大多应用于对人体骨骼的重建，而对于人体软组织来说，每个软组织的灰度值差别不大，因而在重建过程中CT的噪音会比较多，从而导致生成模型会有很多缺失致使模型精度不高.

1.2.1 图像的提取

三維扫描取型法是逆向工程领域中的一种应用，通过对三维扫描仪搜集到的点云数据进行简化处理，在软件中进行逆向建模来重构出实际物体的三维模型. 扫描物体表面各点的空间坐标，得到的点集被称为点云，大量的点云构成物体表面的外轮廓.

本研究志愿者采用坐式，残肢处于放松状态，残肢表面贴定位标点如图3所示，然后配置好扫描仪参数，对残肢表面进行多次扫描，每次扫描的局部三维图像数据会自动拼接，直到获得小腿残肢完整的三维数据，如图4所示.

1.2.2 曲面优化处理

基于扫描得到的残肢表面模型存在着毛刺、曲率过高等问题，可能导致有限元仿真出现异常. 将模型数据导入到Geomagic studio软件中消除钉状物、划分曲面片、构造格栅、曲面拟合等步骤，生成软组织NURBS曲面.

1.3   残肢-接受腔模型的建立

小腿残肢接收腔一般采用坐骨包容式接受腔，患者需要佩戴衬套与接受腔进行接触. 实现残肢三维重建后，为了满足有限元仿真的需要，要求对患者的衬套和接受腔进行设计. 残肢的骨骼与残肢表面皮肤图像是单独重建的，利用Geomagic studio对骨骼与皮肤进行空间匹配建立骨骼和皮肤的空间复合，恢复它们原有的空间相对位置关系. 将残肢模型导入到UG软件中，分别向外偏移5 mm抽壳得到衬套和接受腔，然后对接受腔的口型进行设计，使其尽可能多包裹残肢的同时，能够保证患者在穿戴时残肢在接受腔内不发生旋转，不限制膝关节活动，如图5所示. 最后将残肢、衬套、接受腔进行装配，形成残肢-接受腔模型.

2    残肢-接受腔有限元模型的生成

2.1   有限元参数的设定

2.1.1 材料参数的选择

为了保证模型在有限元分析过程中后续计算的收敛性和成本，本研究将衬套和接受腔简化为均质的、各向同性线弹性体. 在ANSYS中对弹性材料进行定义，需要定义材料密度、弹性模量和泊松比3个参数. 本文采用的具体参数如表1所示.

人体软组织的力学特性是非常复杂的，它具有各向异性、非均质、非线性的特性，本研究将软组织简化成均质、各向同性的超弹性材料. 在ANSYS软件分析中选择了Neo-Hookean模型定义小腿残肢软组织材料的本构关系[5].

2.1.2  相互作用

由于接受腔与软组织刚度不同，设定较硬的接受腔表面为目标面，较软的软组织表面为接触面，设定摩擦系数为μ=0.5. 约束接受腔下端面的6个自由度.

2.1.3  单元格的划分

在有限元分析中，网格划分方式以及单元类型的选择是比较重要的一个环节，因为合理的单元类型选择和正确的网格划分方式会使分析结果更加接近实际结果. 一般情况下，单元类型通常选择五面体或六面体，但是由于小腿假肢接受腔、残肢的软组织和骨骼的力学特性比较复杂，残肢部位的曲面也极其不规则，若采用六面体或五面体单元类型可能导致计算结果不收敛. 为了简化计算，综合考虑之下选择三维10节点的四面体单元. 采用ANSYS默认的自由网格划分方式对假肢-接受腔有限元模型进行网格划分. 对小腿假肢接受腔、残肢软组织和骨骼的有限元模型都采用三维10节点的四面体单元，是因为这种四面体单元具有二次位移特性，和假肢接受腔及残肢的材料特性相符，并且对于不规则的几何模型，采用三维10节点的四面体单元进行网格划分，可使有限元分析结果更接近实际应力分布情况.

2.1.4  定义载荷

在站立状态下，目前的载荷加载主要有两种方式：一种是采用实验法测得地面支反力，将地面支反力施加到接受腔底部来模拟人体站立状态下所受载荷;另一种是将人体所受重力的一半，施加到膝关节骨骼作为站立状态下的载荷. 本文采用第二种方式，将人体所受重力的一半（280 N）作为施加载荷加载到膝关节上，目的是考虑到骨骼对残肢-接受腔模型的受力分析有较大影响.

2.2   计算方法

患者在穿戴假肢的过程中，假肢会对残肢产生一个预应力，而且预应力对模型的分析结果会产生比较大的影响. 穆晨等[5]验证了预应力对大腿残肢的有限元分析结果的影响. 综合文献提出的方法，将计算分两个步骤进行：第一步固定接受腔末端，在没有外作用力的前提下施加50 N的力模拟残肢穿戴接受腔的过程;第二步在保持第一步计算所得应力和变形的基础上在膝关节上施加280 N的外载力分析残肢界面应力的大小和分布特征[6-9].

2.3   结果分析

小腿假肢的接受腔类型区别于大腿假肢接受腔，小腿假肢接受腔采用的是坐骨包容式接受腔，主要是髌韧带承重，两吊耳悬吊，如图6所示. 根据假肢制作技师经验与生物力学特性，小腿残肢的髌韧带部位可以承受较大载荷，小腿残肢的胫骨两侧较平坦也可分担主要的载荷，小腿腘窝部位也是承受载荷的关键部位并且该部位还能起到一定的抗旋作用. 另一方面，由于小腿的胫骨凸起明显，该处的软组织厚度很薄，如受到较大的压力会表现明显的疼痛，还有腓骨小头也是有明显的凸起，这类部位都是压力敏感区，应尽量避免受到集中应力的作用[10].

通过仿真而得到的残肢表面应力分布云图（图7）可看出，在载荷作用下，接受腔与残肢表面相互挤压，残肢表面主要髌韧带处集中受力，满足压力耐受区的受力要求，另外残肢表面应力较大的部位还有接受腔两吊耳处，符合技师经验以及生物力学的要求，其余部位受力明显小于这两处. 根据Rogers and Wilson’s 曲线，超过60 kPa的持续压力会造成持续的温度升高，临床表现为皮肤破损. 从图7可以看出最大应力主要分布于髌韧带附近，大小约为       40.7 kPa，在人体的承受范围之内，可见该接受腔的结构基本满足舒适度要求.

3    结论

本文通过利用CT图像与手持式扫描仪相结合对残肢进行三维重建定制假肢接受腔的方法成本低，精度高，更接近残肢的真实情况，适合应用于高效、高精度的假肢個性化设计. 模型的快速生成保证了模型更快通过有限元分析法对患者进行个体化分析，帮助技师了解患者残肢的受力情况，对假肢接受腔适配性进行判断修正，使患者穿戴假肢后残肢表面受力更加符合人体的生物力学特性，从而提高患者穿戴假肢的舒适度.

參考文献

[1]     徐斌，行鸿彦，解建华，等.基于三维重建的大腿假肢接受腔定制研究[J].电子测量与仪器学报，2018，32（9）：176-185.

[2]     冯晓华.小腿假肢接受腔的数字化设计方案研究[D].成都：西南交通大学，2018.

[3]     胡迎春，余兵浩，欧亚龙. 人体腰椎节段图像的反求建模和有限元分析[J].广西科技大学学报，2014，25（2）：13-16.

[4]     郑淑贤，赵万华，卢秉恒. 基于反求工程的个性化残肢重建方法的研究[J].机械工程学报，2004，40（7）：128-131.

[5]     穆晨，钱秀清，闫松华，等.预应力下大腿残肢站立中期时相的有限元分析[J].医用生物力学，2011，26（4）：321-324.

[6]     ZHANG M，MAK A F T，ROBERTS V C. Finite element modelling of a residual lower-limb in a prosthetic socket： a survey of the development in the first decade[J]. Medical Engineering & Physics，1998，20（5）：360-373.

[7]     ZHANG M，MAK A F T. A finite element analysis of the load transfer between an above-knee residual limb and its prosthetic socket-roles of interface friction and distal-end boundary conditions[J].IEEE Trans Rehabil Eng，1996，4（4）：337-346.

[8]     RUPEREZ M J，MONSERRAT C，ALEMANY S，et al. Contact model，fit process animation for the virtual simulator of the footwear comfort[J].Computer-Aided Design，2010，42（5）：425-431.

[9]     张琳琳，沈凌，朱明，等.大腿残肢步态过程的非线性有限元分析[J] . 医用生物力学，2013，28（4） ： 397-402.

[10]   张明，麦福达，樊瑜波.小腿假肢接受腔的三维有限元分析[J].生物医学工程学杂志，2000，17（4）：403-406.

Building of finite element model of prosthesis - receiver cavity based on reverse engineering technology

ZHOU Xuezhao， SHI Guanglin*， LYU Shaowen

（School of Mechanical and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract：In order to study the prosthetic socket used by lower limb amputees to meet the geometric shape and biomechanical requirements of the residual limb of patients， a finite element model of a    specific object with high precision was established. And the load transfer between the prosthetic socket and the residual limb was studied. The CT data of the residual limb of a female leg amputee was        imported into Mimics software for image processing to realize the 3D reconstruction of the bone， and then the surface of the residual limb was reconstructed by the hand-held laser scanner. Geomagic       studio， a reverse engineering software， was used to surface the image， and then the bone and soft tissue