基于逆向工程的上肢关节个性化康复器械的设计与实现*

马浩浩 郭泰聪 姬智新 王子尧

(天水师范学院,甘肃天水 741001)

0 引言

随着人们对个性化康复护具的需求日益增加,患者对康复训练器械有了更高的要求,现代化和定制的个性化产品越来越普遍。传统的针对上肢胳膊、手腕擦伤及骨折等的护具主要为预制、石膏等多种形式,要么固定锁死,难以拆除,要么为标准化制造,难以适应患者个性就诊需求。上肢胳膊、手腕擦伤及骨折等意外时有发生,腕伸肌及指伸肌麻痹,手指及腕功能障碍,手指及腕挛缩、无力等症状也常会出现。在医疗水平发达的今天有着各式各样的相关医疗器械用以帮助康复,同时更是有着医疗器械价格高、操作难、尺寸不符、佩戴不适、等问题层出不穷,不适的同时更是加重了患者的痛苦和减缓了康复进程[1]。本文采取逆向工程的“定制化”、“个性化”康复训练器械为患者的康复训练提供了更好的解决方案[2]。

1 研究思路

上肢关节个性化康复训练器械可以分为两类:一是为上肢胳膊、手腕擦伤及骨折患者制作一种避免受到外物(如衣服、被)的摩擦、压迫的固定护具,使患者穿戴舒适、方便,能够提高生活质量,并能达到良好的辅助治疗效果;二是手指关节康复过程中的训练器械,针对腕伸肌及指伸肌麻痹,手指及腕功能障碍,手指及腕挛缩、无力等症状,进行良好的手功能训练,测力比对,助力恢复手功能。

本文设计有利于改善目前常用上肢医疗康复器械的不足,更科学可靠和实惠便捷促进患者康复。通过采用EinScan-Pro+3D扫描仪扫描人体上肢三维数据,在Geomagic Studio逆向建模软件进行模型重建,在建模软件Unigraphics NX中进行个性化辅助康复器械正向设计[3],再使用3D打印制作出康复训练器械样机,进行测试,根据测试的结果再对护具优化设计,通过记录佩戴后护具的舒适程度及康复效果综合评定,得出最优方案,设计流程如图1所示。

图1 设计流程图Fig.1 Design flow chart

2 逆向设计

2.1 三维扫描数据信息采集

采用EinScan-Pro+3D扫描仪采集数据,是非接触式测量的一种扫描仪器。准备一台操作系统为Win10版本的计算机,并通过USB接口将扫描仪连接到计算机,打开EinScan-Pro+软件之后,选择“人体”扫描模式。扫描以上臂胳膊、手腕、手指为扫描对象。调整扫描仪与被扫描物体之间的距离,使扫描仪视野的中心区域,使扫描界面中的圆形区域位于被扫描物体的中心。在扫描过程中,尽量保持稳定扫描姿态,扫描仪到扫描对象区域的距离不变,逐步调整扫描角度缓慢绕着扫描对象扫描,扫描过程如图2所示。扫描结束后,将扫描数据保存为.STL格式,并将其导入Geomagic Studio三维CAD逆向建模软件中,以便Geomagic Studio对数据进行后续处理。

图2 三维扫描上臂各部分结构数据Fig.2 Structure data of three dimensional scanning upper arm

2.2 逆向建模

本文采用Geomagic Studio逆向建模软件,对三维扫描得到的对点云数据进行预处理,删除噪音和冗余点、点云采样等操作,将其处理为整齐、精简的点云数据,创建出多边形模型和网格,并自动转换为NURBS曲面模型[4]。再进行表面光顺与优化处理,以获得光顺、完整的上肢胳膊、手腕、手指等模型,如图3。

图3 上肢模型Fig.3 Upper limb model

Geomagic Studio对模型采用探测曲率方法对图像进行处理,提取曲率线并修改编辑,构造曲面片,通过栅格处理来修复模型表面有变形或缺损的曲面片区域,得到模型以便导入正向建模软件中完成下一步的操作。

3 正向设计

扫描仪获取上臂外陪点云数据,经Geomaigc Studio逆向软件处理成所需的曲面数据导入Unigraphics NX三维软件对上肢康复护具进行再创新设计,完成上肢护具(如图4)、手指康复训练器械(如图5)的个性化设计。

图4 上肢护具结构Fig.4 Structure of upper limb protector

图5 手指康复训练器械结构Fig.5 Structure of finger rehabilitation training device

建模过程中采用1∶1的尺寸,护具模型需要佩戴上肢,现暂取模型的厚度为3mm,护具与上臂之间的空隙为2mm,可通过抽壳把模型由实体模型转变为薄片模型,以实现护具结构。结构设计过程中考虑配戴护具,在模型侧面开用于加装魔术贴的侧孔。后期优化设计最终完成上肢胳膊、手腕护具及手指康复训练设计,模型数据导出为.stl格式[5]。

4 3D打印快速成型及优化设计

本文采用熔融沉积成型(FDM)技术,也称为桌面级3D打印技术。3D打印机打印文件采用.STL文件格式。

本次打印采用白色ABS材料,因为它具有良好的粘结性,耐用性,强度较高,无毒、无味,兼有韧、硬、刚的特性,成型后的产品无内应力,不变形,精度较高[6]。启动导入3D打印机,打开切片软件,加载模型,确定模型工件合适的方位,考虑模型表面精度与模型强度及支撑材料的施加与成型所需要的时间设定3D打印参数[7]。调平操作后设置合理的工艺参数,打印成品如图6。

图6 3D打印上肢康复护具与训练器械Fig.6 3D printing upper limb rehabilitation and training device

打印出样品后试验对比,结构优化设计,反复修改模型数据,再设计再打印,加入手功能测力评价,最终实现个性化上肢关节康复训练护具样机的研制。

5 总结

本文研究和设计的产品可以很大程度的去改善和优化普通康复器械的不足之处。基于逆向工程实现患者的上肢关节康复护具与训练器械的个性化定制,采用3D扫描技术和3D打印技术为患者进行科学合理的定制,患者将在价格低廉、操作简单的基础之上去实现更科学有效的尺寸匹配和医疗康复,可以实现真正意义上恢复效果可视化,更好的辅助患者康复。