張芳蘭， 陳瑞營， 邵 帥， 張俊瑤， 冀文嘉

(燕山大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

隨著康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，假肢與矯形器在康復(fù)治療中發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。踝足矯形器(ankle foot orthosis，AFO)是一種下肢康復(fù)支具，適用于由腦性癱瘓、多發(fā)性硬化癥、中風(fēng)等引發(fā)的下肢肌功能不全，以及因不良運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致踝足受傷的患者。由中樞神經(jīng)受損所引起的足下垂與足內(nèi)翻作為下肢肌功能不全的主要表現(xiàn)，是影響患者步態(tài)與制約步行能力的重要因素[2]。AFO的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)對(duì)足下垂與足內(nèi)翻的矯正，改善患者異常步態(tài)并提高步行能力[3]。

目前，國內(nèi)外針對(duì)矯形器的定制研究主要圍繞可采集形狀與生理特征等多參數(shù)的無石膏化取型技術(shù)、基于生物力學(xué)特征的矯形器個(gè)性化設(shè)計(jì)、控形與控性的增材制造材料體系及復(fù)合材料打印工藝設(shè)計(jì)、增材制造矯形器的檢測及量化臨床評(píng)估等。MAVROIDIS等[4]利用 3D掃描技術(shù)采集踝足幾何特征并用于設(shè)計(jì)，利用增材制造技術(shù)制造AFO，通過步態(tài)分析對(duì)個(gè)性化定制矯形器進(jìn)行量化臨床評(píng)估。莊淑美等[5]在傳統(tǒng)AFO的底部嵌入T形板材，用于患者在仰臥及坐位時(shí)佩戴；孟殿懷和王彤[6]分析不同種類的AFO，并綜述矯形器的改良與應(yīng)用進(jìn)展；PALLARI等[7]應(yīng)用 3D掃描與選擇性激光燒結(jié)(selective laser sintering，SLS)技術(shù)設(shè)計(jì)制作了用于治療風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者的足部矯形器?？梢钥闯觯嫦蚬こ?reverse engineering，RE)、3D 打印(3D printing，3DP)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(computer aided design，CAD)等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于矯形器研究領(lǐng)域。

個(gè)性化設(shè)計(jì)與制造需要利用曲面重構(gòu)技術(shù)將點(diǎn)云模型重建為 NURBS曲面。李慎旺[8]利用Imageware Surface 軟件對(duì)股骨頭點(diǎn)云通過插值、擬合等方法生成曲線，再采用分片擬合的方法重建NURBS曲面。孫存友[9]利用CATIA軟件以NURBS曲面為基礎(chǔ)的四邊域曲面重構(gòu)方法重構(gòu)出精確的CAD模型。參數(shù)化建模對(duì)于提高設(shè)計(jì)效率，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案具有重要意義[10-12]。Grasshopper是一款基于Rhinoceros CAD的參數(shù)化插件，在概念設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、實(shí)體造型等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用[13]。文獻(xiàn)[14-15]基于Grasshopper對(duì)建筑造型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)研究。目前已有應(yīng)用參數(shù)化建模制作產(chǎn)品及機(jī)械零部件的案例，HSU等[16]使用Grasshopper插件設(shè)計(jì)了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片。

綜上所述，本文擬進(jìn)行基于 Grasshopper插件的 AFO參數(shù)化逆向建模方法，以期矯形醫(yī)師與設(shè)計(jì)人員根據(jù)患者的矯正與康復(fù)情況，通過修改參數(shù)可直觀、便捷地對(duì)AFO進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)AFO的快速個(gè)性化定制。

1 踝足矯形器產(chǎn)品類型與現(xiàn)存問題

市場現(xiàn)有的 AFO產(chǎn)品，根據(jù)制作方法的不同，分為預(yù)制型和定制型2種。市場常見的矯形器是使用預(yù)制模具生產(chǎn)的AFO (圖1)，可在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速、批量制造，并且價(jià)格低廉。但由于可選擇的尺碼有限，患者在佩戴時(shí)因存在的個(gè)體化差異，無法保證AFO與患者足部及小腿完全貼合，影響穿戴舒適性；定制型AFO通過石膏模具取型，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的個(gè)性化定制(圖2)，制作過程繁瑣、耗時(shí)長、成本高。除上述問題外，多數(shù)AFO產(chǎn)品的固定方式多采用綁帶及魔術(shù)貼等，部分患者因綁帶過緊出現(xiàn)皮膚淤血、紅腫等情況；并且在實(shí)際生產(chǎn)中，受工藝與材料等影響，AFO的邊緣部分會(huì)出現(xiàn)毛刺或過于鋒利等問題，患者使用時(shí)容易磨損皮膚，造成二次傷害，影響AFO矯正效果。

圖1 預(yù)制型AFO

圖2 石膏模具取型的AFO定制化過程

近年來，隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)字化建模與3D打印技術(shù)在AFO定制化設(shè)計(jì)及制作中得到了成功的應(yīng)用。通過 3D打印制作的 AFO具有重量輕、透氣性好、外表美觀等特點(diǎn)，同時(shí)可以降低制作時(shí)間和成本，并提高了 AFO性能。盡管3D打印個(gè)性化AFO在康復(fù)臨床已有一定應(yīng)用，但是由于3D打印定制AFO的過程需要RE、數(shù)字化建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)[17]等技術(shù)能力與經(jīng)驗(yàn)，并未被臨床廣發(fā)應(yīng)用。AFO的定制設(shè)計(jì)目前還缺失快捷、準(zhǔn)確的智能化建模方法。

2 患者數(shù)據(jù)采集與處理

通過iSense(3D Systems Inc)掃描儀獲取患者數(shù)據(jù)，掃描時(shí)需連接ipad進(jìn)行操作，使用Meshmixer軟件完成數(shù)據(jù)的后續(xù)處理工作。

2.1 掃描與數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)足部的3D掃描需分別對(duì)足面和足底進(jìn)行2次掃描，然后在軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，增加了數(shù)據(jù)處理工作量且會(huì)造成誤差。為了確保一次掃描獲取患者足部與小腿的完整點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并保證掃描過程中患者的穩(wěn)定性，提出一種新的掃描方法。制作掃描用支架，如圖3(a)所示，掃描時(shí)，將足部放置于玻璃面板上，保證患者在掃描過程中保持靜止?fàn)顟B(tài)，通過一次掃描即可獲得完整的足底幾何數(shù)據(jù)。

選取男性患者 1名(56歲，中風(fēng)后出現(xiàn)足下垂，患病3個(gè)月)，坐姿狀態(tài)下，將足部放置于支架的透明玻璃面板上，保證小腿與足在俯視圖呈一條直線，在側(cè)視圖夾角為90°，如圖3(b)所示，并手持掃描儀從患側(cè)足后端開始，繞360°進(jìn)行掃描。圖 3(c)為掃描獲取的患者足部與小腿原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖3 掃描過程展示

2.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

掃描完成后，點(diǎn)云數(shù)據(jù)被保存為 obj文件并上傳至服務(wù)器。下載文件導(dǎo)入至Meshmixer軟件，軟件自動(dòng)將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合為三角網(wǎng)格曲面，如圖4(a)所示。將支架等冗余數(shù)據(jù)刪除，消除噪點(diǎn)并對(duì)模型的表面進(jìn)行平滑處理。圖4(b)為完成預(yù)處理的足部與小腿基礎(chǔ)數(shù)字化模型。利用 Meshmixer軟件的測量工具，根據(jù)患者的實(shí)際尺寸，檢查并確定數(shù)字化模型的足部長度、寬度等數(shù)據(jù)如圖 4(c)所示。

圖4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與模型處理

3 基于Grasshopper插件的AFO參數(shù)化逆向建模流程

多邊形曲面無法直接用于正向設(shè)計(jì)軟件編輯，所以需要對(duì)多邊形曲面進(jìn)行重建得到 NURBS曲面。定制 AFO時(shí)，應(yīng)符合個(gè)體足部形狀特征，建模過程復(fù)雜且需重復(fù)執(zhí)行，為此提出了基于Grasshopper的踝足個(gè)性化形狀特征的提取方法，即通過提取踝足個(gè)性化特征曲線進(jìn)行踝足數(shù)字模型的重建。

3.1 AFO參數(shù)化逆向建模程序概覽

針對(duì)腦卒中患者出現(xiàn)的足下垂與足內(nèi)翻康復(fù)矯形治療，構(gòu)建 AFO參數(shù)化逆向建模流程如圖 5所示，共分6個(gè)階段。

圖5 AFO參數(shù)化逆向建模程序概覽 ((a) 提取踝足個(gè)性化形狀特征型值點(diǎn)；(b) 構(gòu)建AFO覆蓋面；(c) 切分AFO覆蓋面；(d) 光滑處理AFO邊緣；(e) 生成固定卡扣；(f) 在AFO覆蓋面上生成圓孔)

將建模程序的運(yùn)算器組件按照上述6個(gè)階段進(jìn)行劃分結(jié)組，技術(shù)人員可方便且直觀地調(diào)整 AFO的覆蓋范圍、厚度及透氣孔數(shù)量及大小，提供一個(gè)快捷、準(zhǔn)確的參數(shù)化建模方法。

3.2 6個(gè)階段程序編寫過程與運(yùn)算器功能描述

(1) 提取踝足個(gè)性化形狀特征型值點(diǎn)。首先確定提取范圍。將足部與小腿基礎(chǔ)數(shù)字化模型導(dǎo)入至Rhinoceros軟件中，對(duì)齊坐標(biāo)系，根據(jù)AFO覆蓋面在側(cè)視圖繪制一條切分線如圖6(a)所示。根據(jù)患者的情況，覆蓋面范圍的增加與減少可通過移動(dòng)切分線的2個(gè)端點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。

提取踝足個(gè)性化特征曲線。將模型和繪制的切分線輸入Grasshopper (圖6(b))，并按照?qǐng)D7中的運(yùn)算器組件進(jìn)行踝足個(gè)性化特征輪廓線提取。圖7(b)在切分線上設(shè)定等分點(diǎn)，并與交點(diǎn)連接建立等分線，該模型設(shè)定26條等分線。獲取等分面與模型相交的橫截線，即踝足個(gè)性化特征輪廓線，如圖7(d)所示。

提取個(gè)性化形狀特征型值點(diǎn)。踝足個(gè)性化特征輪廓線由無數(shù)折線組成，因此不能直接用于 AFO的建模。為保證 AFO模型曲面質(zhì)量，提取個(gè)性化特征輪廓線的等分點(diǎn)，即為踝足個(gè)性化形狀特征型值點(diǎn)，如圖8所示。

圖6 繪制切分曲線與輸入組件

圖7 提取踝足個(gè)性化特征輪廓線

圖8 提取個(gè)性化特征型值點(diǎn)

(2) 構(gòu)建AFO覆蓋面。根據(jù)提取的踝足個(gè)性化形狀特征型值點(diǎn)建立曲線，放樣生成踝足數(shù)字化模型。通過調(diào)整覆蓋面位置和向外偏移參數(shù)可得AFO基本覆蓋面，過程如圖9所示。

(3) 切分AFO覆蓋面。針對(duì)現(xiàn)有AFO產(chǎn)品在固定方式上存在的問題，對(duì)佩戴方式進(jìn)行改良，通過上下2個(gè)覆蓋面的固定進(jìn)行佩戴。該步驟的程序編寫如圖10所示。

(4) 光滑處理AFO邊緣。針對(duì)AFO產(chǎn)品在實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)毛刺的問題，通過編寫如圖11中所示的運(yùn)算器組件，提取覆蓋面的上下邊緣線，進(jìn)行導(dǎo)角處理，防止AFO邊緣部分對(duì)患者皮膚造成二次傷害。

圖9 重建踝足數(shù)字化模型

圖10 切分AFO覆蓋面

圖11 AFO邊緣生成圓環(huán)結(jié)構(gòu)

(5) 生成固定卡扣。為方便患者自行穿戴AFO，采用卡扣式結(jié)構(gòu)固定AFO的2個(gè)覆蓋面?？弁ㄟ^螺絲進(jìn)行安裝，便于損壞時(shí)的拆卸與更換。改變參數(shù)后安裝座的位置可沿切分線移動(dòng)，如圖 12(a)所示。圖 12(b)展示了卡扣的固定方式與底座的參數(shù)化建模過程。

(6) 在AFO覆蓋面上生成圓孔(圖13)。為保證良好的透氣性，同時(shí)節(jié)省材料與成本，在 AFO上覆蓋面生成透氣孔。將上覆蓋面劃分為指定數(shù)量的方形網(wǎng)格，然后在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)生成圓，如圖 13(b)和(c)所示。根據(jù)實(shí)際的使用情況，可改變圓的個(gè)數(shù)與圓之間的距離，最后將生成圓孔的區(qū)域與覆蓋面進(jìn)行組合，如圖13(d)所示。

3.3 AFO參數(shù)化逆向建模程序使用測試

為了驗(yàn)證程序的參數(shù)化定制功能與 AFO建模效率，進(jìn)行如下測試：

改變 AFO的覆蓋面范圍與卡扣的安裝座位置，如圖14所示。將切分線的2個(gè)端點(diǎn)沿X軸和Z軸方向移動(dòng)后，覆蓋面的變化與曲線端點(diǎn)相對(duì)應(yīng)；通過修改位置參數(shù)，卡扣安裝座沿切分線移動(dòng)。對(duì)于不同病癥的患者，臨床醫(yī)生可通過改變上述參數(shù)，快速修改AFO模型，滿足患者的個(gè)性化形狀特征。

AFO建模效率通過5位患者的足部與小腿基礎(chǔ)數(shù)字化模型進(jìn)行測試，如圖15所示。按照上述的步驟，調(diào)整模型位置并將其輸入到運(yùn)算組件后，程序均在30 s內(nèi)完成AFO模型的構(gòu)建。而熟練使用Rhinoceros軟件的設(shè)計(jì)人員則平均需要1 h建立AFO的數(shù)字化模型，因此相比于傳統(tǒng)的建模方式，參數(shù)化逆向建模程序極大地提高了AFO制作效率。

圖12 卡扣與安裝座的制作過程

圖13 覆蓋面生成圓孔

圖14 定制功能測試

圖15 AFO建模效率測試

4 結(jié) 束 語

(1) 利用 Grasshopper提取踝足個(gè)性化形狀特征型值點(diǎn)重建踝足數(shù)字化模型，可以確保 AFO模型滿足不同患者足部與小腿數(shù)字化模型的形狀特征，實(shí)現(xiàn)AFO快速精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

(2) 與傳統(tǒng)建模方法相比，基于 Grasshopper插件的 AFO參數(shù)化逆向建模可以便捷地修改模型參數(shù)、快速建模，并可以直接用于3D打印，極大地提高了矯形器的定制效率。

(3) 提出了一種適用于足部與小腿數(shù)據(jù)采集的3D掃描方法，便于手持激光掃描儀快速采集足踝幾何形狀的完整數(shù)據(jù)。

另外，由于 AFO參數(shù)化逆向建模方法僅針對(duì)腦卒中患者出現(xiàn)的足下垂與足內(nèi)翻康復(fù)矯形治療，對(duì)于如兒童先天性足內(nèi)外翻、小兒麻痹癥引起的足踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)等并未做相關(guān)研究。后期工作將依據(jù)不同踝足病理特征，構(gòu)建相應(yīng)參數(shù)化逆向建模方法與流程，以形成完整的 AFO參數(shù)化模型庫。