基于足部数字化模型的拇外翻矫形器定制设计

2019-11-13张芳兰陈瑞营

图学学报 2019年5期

张芳兰，陈瑞营

张芳兰，陈瑞营

(燕山大学艺术与设计学院，河北秦皇岛 066004)

为了提高矫形器快速定制的精准性与匹配性，建立了一种基于足部数字化模型的拇外翻矫形器定制设计与评价模型以及具体方法流程。利用人机工程学用户需求三维分类与访谈法获取拇外翻患者用户需求，通过层次分析法确立用户需求优先度；利用TRIZ冲突解决理论获取矫形器创新设计方向；借助3D扫描技术得到足部点云模型，通过三阶段式数据处理与偏差分析确保足部数字化模型的精准性。构建基于足部数字化模型的拇外翻矫形器基础模型，并结合创新设计方向产生矫形器设计方案；通过偏差平均值与标准差评价设计方案匹配度，结合方案可视化评价，确保最终设计方案的精准性。最后，通过拇外翻矫形器定制设计实例论证了所建立模型与具体方法流程的可行性。

足部数字化模型；拇外翻；矫形器；定制设计；匹配度

拇外翻是一种常见的足部疾病，发病率为20%~50%，其中男女比例1∶9~15[1-2]。通过佩戴矫形器进行非手术的保守治疗是患者的首要选择。目前拇外翻矫形器为预制件，未能满足不同足部个性化尺寸特征，导致穿戴舒适性低，矫形效果不佳。近年来，3D扫描与打印、逆向工程(reverse engineering, RP)、计算机辅助设计(computeraideddesign, CAD)等技术已被广泛应用于矫形器研究领域，为各类矫形器的定制设计提供了准确的非接触式人体数据测量、数字化模型构建以及快速成型的方法。国内外学者对适用于人体不同部位的产品定制设计方法与流程进行研究。张爱平等[3]根据人体躯干数字化模型；廖政文等[4]根据人体上肢数字化模型，通过CAD软件处理，分别提出脊柱侧弯矫形器、上肢矫形器的定制设计方法；文献[5-6]根据人体头部数字化模型，提出头盔定制设计框架，实现头盔与不同头部形状特征匹配；文献[7-8]运用RP，CAD和3D打印技术设计并验证了手部矫形器和手套的定制设计生产过程；文献[9-10]用3D扫描和打印技术分别实现了足踝部矫形器和鞋垫个性化定制设计，并进行舒适度评价。这些研究表明基于人体数字化模型的定制产品设计可以提高匹配度、舒适度。

在产品设计方案产出过程中，基于TRIZ理论的集成方法可以实现设计问题的快速求解。文献[11]提出了一种基于QFD和TRIZ相结合的产品概念设计方法，优化了产品概念设计方法；文献[12]提出了基于E/HOQ/TRIZ集成模型的人机产品创新设计方法，有效弥补了单一设计理论与方法的局限性，实现人机产品创新设计。针对拇外翻矫形器的设计，本文将足部数字化建模技术与TRIZ理论相结合，提出一种拇外翻矫形器的定制设计模型与方法。最后，通过拇外翻矫形器的实例设计与匹配度评价，验证该模型与方法的可行性。

1 拇外翻

1.1 拇外翻足部骨骼

人体正常足部和拇外翻足部骨骼如图1(a)所示。拇外翻表现为拇外翻角(图1 (b)中的∠1′)大于或等于15°，跖骨间角(图1 (b)中的∠2′)大于9°。拇外翻不仅影响足部美观，并且跖骨头内侧与鞋帮磨擦形成骨赘、拇囊炎，引发疼痛。另外，前足底压力增加，并向足内侧偏移，导致前足疼痛与人体平衡能力减退，影响行走功能。

1.2 现有矫形器问题

拇外翻矫形力学原理如图2所示。由于矫形方式的不同，现有拇外翻矫形器分为2类：①在第1脚趾外侧施力的矫形器，如图3 (a)和图3 (b)所示，会造成第1脚趾与第2脚趾之间缝隙过大；②在第1脚趾内侧施力的矫形器。使用柔性材料施加力的矫形器，如图3 (c)和图3 (d)所示，由于柔性材料限制，矫正力度有限，不适用于拇外翻严重的患者。使用硬性材料施加力的矫形器，如图3 (e)和图3 (f)所示，该类矫形器与个体足部曲面形状特征匹配度低，导致局部压力过大诱发疼痛。因此，现有矫形器共存的缺点是尺寸单一，不能满足个性化足部形状特征，并且足弓部分缺少支撑，导致前足内侧局部压力过大，诱发疼痛。

(a) 正常足部骨骼

(b) 拇外翻足部骨骼

图1 正常足部和拇外翻足部骨骼

图2 拇外翻矫形器力学原理

(a) 使用硬性材料在外侧施加力1(b) 使用硬性材料在外侧施加力2 (c) 使用柔性材料在内侧施加力(d) 使用硬性材料在内侧施加力 (e) 使用硬性材料在内侧施加力1(f) 使用硬性材料在内侧施加力2

2 拇外翻矫形器定制设计方法

本文针对现有拇外翻矫形器存在的问题，将基于3D扫描的足部数字化模型构建方法与TRIZ冲突解决原理相结合，建立了面向拇外翻人群的足部矫形器定制设计与评价模型，如图4所示。

图4 足部矫形器定制设计与评价模型

具体实施流程为：

流程1. 获得拇外翻矫形器的用户需求。通过访谈法、人机工程学用户需求三维分类确定用户需求，进行需求初选。利用层次分析法获取用户需求优先度。

流程 2.利用TRIZ冲突解决原理获取产品创新设计方向。将实际设计问题，通过TRIZ39个通用技术参数转化为TRIZ标准问题，确立冲突类型，利用冲突解决原理推荐的具体发明原理，结合实际设计问题，确立矫形器创新设计方向。

流程3. 构建足部数字化模型。对拇外翻足部进行3D扫描，得到三维点云数据，利用Geomagic Studio进行点阶段、多边形阶段、精准曲面阶段3阶段式预处理，并结合偏差分析，构建精准足部数字化模型。

流程4. 拇外翻矫形器设计方案产生。根据足部数字化模型和解剖学参照点，结合基于TRIZ冲突解决原理的创新设计方向，产生拇外翻矫形器设计方案。

流程5. 设计方案匹配度评价。在Geomagic Studio对矫形器与足部接触部分和足部点云模型进行偏差分析，利用偏差色谱图可视化评价矫形器与足部贴合度。矫形器的匹配度(orthosis fit index，OFI)可以利用矫形器与足部点云模型的偏差平均值(average deviation，AD)和标准差(standard deviation，SD)通过式(1)计算得到OFI分值，其分值为1~100之间的数字。根据OFI分值，确定匹配度等级见表1。另外，在Rhinoceros软件中对矫形器进行虚拟装配，可视化评价矫形器模型与人体足部数字化模型是否匹配。将矫形器模型和足部模型对齐后，旋转视图观察如果模型之间有重叠，则不匹配；反之，匹配。

表1 匹配度分值等级划分表

3 拇外翻矫形器定制设计实例

实验对象为一名拇外翻女性患者，年龄24岁，鞋码38欧码。

3.1 获得拇外翻矫形器用户需求

从人机交互、人机情感、人机效能3个维度对拇外翻患者进行用户需求访谈。通过合并删减用户需求，进行需求初选。利用层次分析法构建用户需求层次结构模型，通过计算得到需求重要度权重，如图5所示。依据权重获得用户需求优先级排序，得到最重要的3个用户需求是舒适、省力、易用。

图5 拇外翻矫形器人机用户需求三维分类及权重

3.2 利用TRIZ理论得到产品创新设计方向

根据1.2节中现有矫形器会造成第1脚趾与第2脚趾之间间隙过大，柔性材料矫正效果有限，硬性材料会造成局部疼痛，矫形器对前足压力没有改善等现有问题以及3.1节中舒适、省力、易用3个用户优先需求综合分析，得到拇外翻矫形器3个待解决的人机设计关键问题：①足部第1、第2脚趾的间隙过大；②矫形器对足弓部位缺少支撑；③矫形器的舒适度和易用性需要提升。

依据3个待解决的人机设计关键问题，构建出TRIZ中与其相对应的通用工程参数见表2。问题①为矫形器使足部第1、第2脚趾的间隙过大，与矫正目的使足部脚趾保持正常位置冲突，属于物理冲突，使用空间分离原理解决，可选择的发明原理编号为1，2，3，7，13，17，24，26和30。根据实际问题选择13反向原理，改变矫形器施加力的方向。采用软性材料魔术贴缠绕脚趾1周的方式施加力，根据拇外翻严重级别调整矫正程度；问题②是矫形器对足弓支撑作用与可活动性之间的冲突，为技术冲突，转化为一般问题为静止物体的面积与可操作性之间的冲突，利用TRIZ冲突矩阵得到建议的发明原理编号4和16，如图6所示，选择4增加不对称，足底材料使用刚性材料作为支撑，其他部位使用软性材料保证舒适度。问题③矫形器对足弓支撑作用与用户躺卧状态下足跟部位的舒适度的冲突，为技术矛盾，转化为一般问题为静止物体长度与静止物体作用时间的冲突，利用图6冲突矩阵得到建议的发明原理编号1，35和40，选择1分割，将足后跟部位设计为可拆卸部件，使用磁力连接，躺卧时可以将后半部分去除。

表2 待解决冲突问题及其对应的TRIZ理论通用工程参数

图6 解决冲突问题的局部冲突矩阵

最终，得到拇外翻矫形器3个创新设计方向：①矫正方式，根据拇外翻严重级别确定矫正程度，使用软性材料魔术贴缠绕足部第1脚趾向足内侧拉伸，矫正力度可以自行调节，同时提供了前足的可活动度，提高舒适度；②材料方面，足底足弓部分使用刚性材料起支撑作用，可以改变足底压力分布，更省力，其他部位使用软性材料提供可活动度；③穿戴方式，可拆卸设计，躺卧时可以将足后跟部分去除，提高舒适度。

3.3 构建足部数字化模型

采用非接触式激光手持扫描仪(structure sensor)对足部进行3D扫描，如图7所示。3D扫描时，扫描仪应该以足部为中心，扫描距离保持在40 cm左右，平稳、缓慢、速度均匀地旋转360°，以便同时得到足底和足背的三维数据，并保存为OBJ格式。

图7 扫描时足部姿势

为了获得精准的足部数字化模型，需要对足部点云数据进行处理，分为点阶段、多边形阶段、精准曲面3个阶段。处理完毕后利用偏差分析工具对人体足部数字化模型进行偏差分析，确保人体足部数字化模型的精确度。

(1) 点阶段。去除无关点，重新建立坐标系，如图8 (a)所示；

(2) 多边形阶段。将点云模型转换为多边形模型，在多边形模块中基于曲率填补破洞，去除噪点，表面去特征、平滑处理用平面裁剪掉不需要的部分，松弛模型表面，实现人体足部数字化模型的表面优化，另存为WRP格式，如图8 (b)所示；

(3) 精准曲面阶段。利用探测曲率工具生成轮廓线并使用编辑轮廓线工具对其进行修改，得到更准确、完整的模型轮廓线。然后创建曲面片，进行格栅处理，曲面拟合，得到足部的精确NURBS曲面，如图8 (c)所示，保存为STP格式。最终，为了保证模型的精度，用色谱图对足部数字化模型进行偏差分析，如图8 (d)所示。结果表明偏差最大区域主要分布第1脚趾部分区域，矫形器在第1脚趾部分使用的是软性材料，可以自行调节，所以这部分的误差对拇外翻矫形器的设计并没有影响。

3.4 拇外翻矫形器设计方案产生

根据足部数字化模型和解剖学标记点建立拇外翻矫形器基础模型。再结合3个创新设计方向，创建基于CAD的拇外翻矫形器设计方案。

使用点特征工具建立足部标记点，作为曲线阶段的画线参照点。进入曲线阶段，根据足部解剖学标记点绘制曲线。矫形器前部的轮廓线1参考点第1跖趾关节点，第1跖趾关节高点，第5跖趾关节点，使矫形器包裹这些足部参考点。后部的轮廓线2参考点舟上弯点、后跟凸点、外踝骨中心下沿点、内踝骨中心下沿点绘制，使矫形器在这些点之外，保证足部的活动度。足底硬性材料的轮廓线3参考第5跖骨粗隆点、前跗骨突点绘制，保证足弓得到有效支撑。点的位置如图9所示。

使用裁剪工具删除脚趾与脚腕部分，得到矫形器基础模型如图10所示，保存为STL格式。

(a) 足部点云模型

(b) 足部多边形模型

(d) 足部偏差色谱图

图8 Geomagic Studio处理流程图示

图9 足部标记点

图10 矫形器基础模型

将矫形器基础模型和人体足部数字化模型导入Rhinoceros中，利用RhinoResurf插件将矫形器基础模型转换为NURBS曲面。在矫形器足面位置打孔，增加透气性，同时节省耗材。使用偏移命令将模型向外偏移2 mm，预留出添加柔软布料衬垫的间隙，最后偏移得到厚度为2 mm的矫形器实体模型，建立魔术贴和弹性固定带的模型，得到矫形器设计方案，效果如图11所示。

图11 矫形器设计方案

3.5 拇外翻矫形器设计方案匹配度评价

矫形器分为软性材料魔术贴部分和主体2部分，由于软性材料可以调节，因此，只对矫形器主体部分进行偏差分析。在Geomagic Studio中对矫形器主体部分和足部点云模型进行偏差分析，得到色谱图，图12可直观看到矫形器是否符合足部尺度。通过Geomagic Studio软件得到矫形器与足部点云模型的偏差平均值AD与标准差SD，利用式(1)计算得到矫形器的匹配度分值为77.18，说明匹配度较好。

另外，在Rhinoceros软件中评价矫形器模型和足部的匹配度。将矫形器模型的材质修改为半透明格式，可以可视化评价矫形器与人体足部是否匹配。将矫形器模型和足部模型对齐，旋转视图观察2个模型之间没有重叠，说明矫形器模型与被试者足部之间匹配度良好，如图13所示。

图12 矫形器的偏差色谱图

图13 矫形器匹配度可视化评价

矫形器设计方案通过匹配度检验后，利用Keyshot进行材质渲染，最终确立拇外翻矫形器设计方案，如图14所示。

图14 拇外翻矫形器最终设计方案

利用3D打印技术制作拇外翻矫形器原型，对设计方案进行验证，如图15所示。

图15 拇外翻矫形器原型佩戴示意图

采用魁北克辅助科技使用者满意度评估量表QUEST2.0，并结合李克特量表法设计满意度评估量表，采用1，3，5，7，9分别对应非常不满意、不满意、一般、满意、非常满意。由被试者佩戴矫形器原型根据其坐立行不同状态的感受进行评价见表3，得到各项评价指标的满意度均值为8.11，处于满意与非常满意之间。结果表明，该方案具备拇外翻矫形器的力学性能，与个体足部形状特征匹配良好，具有较好的舒适度。

表3 拇外翻矫形器满意度评估量表

4 结束语

(1) 建立了基于足部数字化模型与TRIZ冲突解决原理相结合的足部矫形器定制设计与评价模型以及具体方法流程，通过轻度拇外翻患者案例，论证了所建立模型与方法流程的可行性。

(2) 针对拇外翻矫形器现存问题，利用TRIZ冲突解决原理，有效消除设计冲突，得到具体创新设计方向，并结合精准的足部数字化模型，快速产生矫形器设计方案。

(3) 提出矫形器方案模型匹配度分值计算方法，以及方案模型可视化评价方法，确保设计方案的精准度。

后续研究可以引入步态特征、足底压力分布等方法对拇外翻矫形器进行评价，更好地提升拇外翻矫形器的舒适度。

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Customized Design of Hallux Valgus Orthosis Based on Digital Foot Model

ZHANG Fang-lan, CHEN Rui-ying

(School of Art and Design Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004, China)

To improve the accuracy and fitness of rapidly customized orthosis, a customized design and evaluation model of hallux valgus orthosis was established based on digital foot model, and the specific methods and processes were formulated as well. Together with the interview, the ergonomic user needs three-dimensional classification was utilized to get the initial user needs of hallux valgus patients, and the Analytic Hierarchy Process was applied to identify the priority of user needs. The TRIZ Conflict Resolution Principles were used for generating the innovative design direction of orthosis. The point cloud model of foot was obtained by 3D scanning, and then the three-stage data processing and deviation analysis were performed to ensure the accuracy of digital foot model. In combination with the innovative design directions, the basic model of the hallux valgus orthosis based on digital foot model were applied to generate the orthosis design alternative. The average deviation and standard deviation are used for acquiring the Orthosis Fit Index. The accuracy of the final design alternative was evaluated by the Orthosis Fit Index and the visual evaluation of the design alternative. Finally, a case of the customized design of hallux valgus orthosis is conducted to demonstrate the feasibility of the model and the specific methods and processes.

digital foot model; hallux valgus; orthosis; customized design; fit index

TB 47

10.11996/JG.j.2095-302X.2019050961

2095-302X(2019)05-0961-07

2019-04-18；

2019-05-16

河北省社科基金项目(HB19YS004)；2018年河北省专业学位教学案例(库)立项建设项目(KCJSZ2018021)

张芳兰(1980-)，女，陕西宝鸡人，副教授，博士，硕士生导师。主要研究方向为产品创新设计理论与方法、人因工程。E-mail：fanglanzhang@163.com