假肢接受腔3D打印模型的正逆向混合建模_段悦.pdf

假肢接受腔 3D 打印模型的正逆向混合建模doi:10.3969/j.issn.1674-7100.2023.02.006收稿日期：2022-12-19作者简介：段 悦（1998-），女，辽宁朝阳人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为光固化成型 3D 打印技术，E-mail：段 悦 卢依婷宋旺奕 张亚琴湖南工业大学包装与材料工程学院湖南 株洲 412007摘要：针对传统工艺制作假肢接受腔依赖于石膏取型，以及金属阳四爪连接盘与假肢接受腔依赖于人工手动加工连接的问题，提出了一种基于 SLA 3D 打印技术的假肢接受腔制作方法。通过仿真分析软件迭代设计得到承压合理的接受腔模型；通过正逆向混合建模，将光敏树脂接受腔和金属阳四爪连接盘复合。结果表明：3 mm厚的光敏树脂材料符合假肢接受腔的应用要求；切片层厚为0.2 mm时，光敏树脂接受腔和金属阳四爪连接盘的复合效果最佳。用 SLA 3D 打印假肢接受腔是可行性的。关键词：3D 打印；假肢接受腔；正逆向混合建模；计算机辅助设计；有限元分析中图分类号：R318.17；TP391.73 文献标志码：A文章编号：1674-7100(2023)02-0042-08引文格式：段 悦，卢依婷，宋旺奕，等.假肢接受腔 3D 打印模型的正逆向混合建模 J.包装学报，2023，15(2)：42-49.2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02假肢是截肢患者康复的重要辅具。接受腔是人体残肢与假肢的人机系统接口界面，能将残肢收纳在其中，并将作用力有效地传递到假肢远端部位1-2。接受腔的个性化定制质量影响假肢的使用效果。传统假肢接受腔制作主要包括测量标记残肢、制取残肢石膏阴模、制作石膏阳模并修型、试穿临时接受腔、阳模再修型、接受腔成型等步骤。制作期间，接受腔修型是依据患者试穿的反馈信息和医生的修型经验，此方法存在石膏阳模修型数据的不准确性和无法保存修型数据的缺陷。因此，医疗领域需引入先进的快速成型（rapid prototyping，RP）技术3-4。快速成型技术适用于个性化定制需求，是将材料层层堆积来快速制造产品的新技术。故本文提出了一种基于光固化成型（stereo lithography appearance，SLA）3D 打印技术5-8的假肢接受腔制作方法。通过逆向工程获得残肢数据，逆向设计假肢接受腔模型；基于受力仿真实验迭代设计承压合理的接受腔有限元模型；将正向设计合理的金属阳四爪连接盘与光敏树脂复合建模，以解决金属阳四爪连接盘在 SLA 成型工艺中引起的干涉问题。1 正逆向混合建模设计思路正逆向混合建模9的主要思路为：采用手持式三维扫描仪获取残肢的点云数据，再经逆向软件Geomagic Studio 处理成符合要求的曲面、曲线、点数据。采用 CT 扫描技术获取残肢 CT 图像，在Mimics 软件中构建骨头模型。在仿真分析软件中模拟患者穿戴接受腔行走，分析残肢在不同阶段的受力情况。根据受力情况，修整残肢模型。将残肢模型通过 stp 格式引入 UG 软件，在受力的基础上对接受腔模型进行正向设计，从而实现三维测量系统、逆向软件和正向软件在产品开发上的应用和数据集成。最后，将正向建模得到的金属阳四爪连接盘和逆向建模得到的假肢接受腔复合建模，得到金属树脂一体化-43-假肢接受腔。2 数据处理与逆向建模2.1 数据采集与处理逆向工程技术在工业上应用广泛10。用先临三维 EinScan H-1.0.3.0 双光源彩色手持 3D 扫描仪对一名身高167 cm、体重60 kg的男性腿部残肢进行扫描，得到残肢形状的点云数据，并针对不同角度获取的腿部点云数据进行优化处理。将数据导入 Geomagic Studio 逆向软件中，对腿部残肢轮廓进行逆向重构11-12。图 1 是不同角度处理的模型图。通过 Mimics 软件处理 CT 图像，提取骨骼模型，再将三维扫描得到的残肢外部轮廓模型进行残肢建模，并与骨骼模型进行布尔运算得到残肢软组织模型。在此基础上，建立硅胶衬套模型。图 2 是骨骼、软组织、硅胶衬套模型。2.2 假肢接受腔模型的构建1）假肢接受腔轮廓设计依据小腿残肢解剖结构和小腿假肢接受腔设计原则进行假肢接受腔边缘设计，得到如图 3 所示假肢接受腔模型。2）假肢接受腔的壁厚确定为保持接受腔的几何外形不变，通过改变接受腔壁厚，分析壁厚对接受腔应力分布的影响，最终确定合适的接受腔壁厚。基于 SLA 的光敏树脂材料屈服极限为 32.4 MPa，将其作为接受腔应力分布的参考指标，即要求接受腔模型的应力峰值低于 32.4 MPa。将接受腔、硅胶衬套、软组织、骨骼的材料类型均定义为各向同性且均质线弹性体。接受腔杨氏模量设定为 2000 MPa，泊松比为 0.4；硅胶衬套杨氏模量设定为 2 MPa，泊松比为 0.48；软组织杨氏模量设定为 0.3 MPa，泊松比为 0.49；骨骼杨氏模量设定为10 000 MPa，泊松比为 0.3。载荷为人体步行时外部载荷最大的步态时相即足跟离地（HO）状态。由患者体重 60 kg 和步距 0.7 m 计算得到，Comp-Dist 是垂直力（z 轴方向），为 540 N，作用在骨上端截面垂直方向；Post-Ant 是纵向力（y 轴方向），为 240 N，作用在骨上端截面上方小腿前后方向；Lat-Med 是横向力（x 轴方向），为 30 N，作用在骨上端截面上方小腿内外侧方向；力矩的分量Ext-Flex绕Lat-Med轴（x轴），为 8.4 Nm，弯矩小腿伸展方向为正；力矩的分量 Ab-Ad 绕 Post-Ant 轴（y 轴），为 21 Nm，膝关节内收方向为正。壁厚为 2 mm 的接受腔应力分布如图 4 所示。由图 4 可知，壁厚为 2 mm 的接受腔应力峰值为 33.9 MPa，超过了光敏树脂材料的屈服极限 32.4 MPa。壁厚数值越大，接受腔应力越小，故将壁厚翻倍。壁厚为 4 mm 的接受腔应力分布如图 5 所示。由图 5可知，壁厚为 4 mm 的接受腔应力峰值为 15.3 MPa，远小于光敏树脂材料的屈服极限 32.4 MPa。壁厚增加后，接受腔质量增加。为了避免接受腔过于厚重，将壁厚设置为 3 mm，并仿真分析接受腔的应力分布，结果如图 6 所示。由图 6 可知，壁厚为3 mm 的接受腔应力峰值为 23.6 MPa，符合接受腔应力分布。综上，SLD 3D 打印光敏树脂材料的假肢接受腔图 1 不同角度处理的模型图Fig.1 Model plots for different angle treatments a）骨骼 b）软组织 c）硅胶衬套图 2 仿真分析所需各模型Fig.2 Simulation analysis of the required models图 3 假肢接受腔边缘设计模型Fig.3 Design model of the prosthetic socket edge a）前侧 b）左侧 c）后 侧 d）右侧假肢接受腔 3D 打印模型的正逆向混合建模段 悦，等02-44-壁厚选 3 mm。随后进行有限元分析，基于仿真结果迭代设计承压合理的假肢接受腔。2.3 假肢接受腔仿真分析与修型利用 ABAQUS 软件，对骨骼、软组织、硅胶衬套、接受腔进行材料赋予，装配好残肢-接受腔生物力学模型。通过在骨骼上端施加载荷来模拟患者穿戴接受腔行走时残肢在不同阶段的受力情况。为简化计算量，将骨骼表面与软组织内侧面、衬套外侧面与接受腔内侧面设置为绑定约束，将残肢外表面与衬套内表面设置为摩擦接触，选择切向作用为罚摩擦，摩擦系数为 0.5。以患者体重 60 kg、步距 0.7 m、足跟着地状态（HS）为例，施加载荷如下：骨骼上端垂直向下施加 150 N，小腿前方指向小腿后方施加 72 N，内侧指向外侧施加 12 N，弯矩小腿伸展方向施加21 Nm，膝关节内收方向施加 0 Nm。所有状态的施加载荷如表 1 所示。表中，FF 表示足平放状态，MS表示支撑中期状态，TO 表示趾离地状态。不同状态下的有限元分析结果如图 7 所示。由图 7 可知，FF、MS、HO 状态下残肢应力峰值都超过了皮肤承受压力极限（60 kPa）。其中，FF 状态下的最大应力位于残肢末端区域，为 91.5 kPa；MS 状态下的最大应力位于股骨内髁面区域，为 92.3 kPa；HO 状态下的最大应力位于股骨外髁面区域，为 158.5 kPa，是步态周期中的应力峰值。图 5 壁厚为 4 mm 的接受腔应力分布图Fig.5 Wall thickness 4 mm stress distribution in the socket图 6 壁厚为 3 mm 的接受腔应力分布图Fig.6 Wall thickness 3 mm stress distribution in the socket图 4 壁厚为 2 mm 的接受腔应力分布图Fig.4 Wall thickness 2 mm stress distribution in the socket彩图2023 年 第 15 卷 第 2 期 Vol.15 No.2 Mar.2023包 装 学 报 PACKAGING JOURNAL02-45-根据残肢解剖结构可知，各部位承压能力不同，主要分为承重区和免荷区。接受腔的舒适度取决于对残肢承重区和免荷区的处理。本文将承重区划分为：髌韧带（a）、股骨内髁面（b）、股骨外髁面（c）、胫骨嵴内侧（d）、胫骨嵴外侧（e）、腘窝（f），免荷区划分为：残肢末端（g）、胫骨嵴（h）、髌骨边缘（i）。步态周期下承重区、免荷区各部分的应力变化分别见图 8 和 9。由图 8 和 9 可知，股骨内髁面、股骨外髁面、残肢末端的最大应力均超过皮肤承受压力极限，而承压较好的髌韧带的最大应力为 34.8 kPa，胫骨嵴内侧最大应力为 26.8 kPa，胫骨嵴外侧最大应力为34.7 kPa，腘窝最大应力为 26.9 kPa。故对残肢承压较好的区域进行施压，使其分担应力集中区域的压力，达到残肢表面受力均匀的目的。对髌韧带和胫骨嵴外侧施加 25 kPa 压力，对胫骨嵴内侧和腘窝施加 30 kPa 压力；免荷区的胫骨嵴与髌骨边缘受力敏表 1 步态周期中各时相参数取值Table 1 Parameters obtained at each phase of the gait cycle状态HSFFMSHOTOComp-Dist/N150.0673.5420.0540.0 0Post-Ant/N Lat-Med/N 12.0 -27.6 -18.0 -30.0 0Ext-Flex/(Nm)21.0023.52 8.40 8.40 8.40Ab-Ad/(Nm)a）HSb）FFc）MSd）HO图 7 不同状态的残肢受力图Fig.7 Force diagrams of the stump in different states图 8 步态周期下承重区各部分的应力变化Fig.8 Stress changes in each part of the load-bearing area under the gait cycle彩图72.0 -46.2 -120.0 240.0 -18.0 032.3416.8021.00 4.20e）TO假肢接受腔 3D 打印模型的正逆向混合建模段 悦，等02-46-感，故不施加压力；对股骨内髁面、股骨外髁面、残肢末端施加 30 kPa 的反向压力。在此基础上，将变形后的残肢修复实体逆向建模，得到优化接受腔模型，再对此接受腔模型进行评估分析以及迭代设计，得到最优接受腔模型。残肢应力分布如图 10 所示。由图 10 可知，在步态周期中最优接受腔模型的残肢界面应力最大为36.7 kPa，比原接受腔模型减小了 77%，小于皮肤承受压力极限，且整体应力分布较为均匀。压力集中问题得到了一定缓解，假肢接受腔的舒适性得到提高。可见，有限元分析在假肢接受腔数字化设计中是必要环