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摘要：現有外固定支具比較笨重，不美觀，不透氣，與患部不能很好貼合，對康復效果造成影響。采用逆向技術，通過三維掃描儀掃描采集患者患部，獲取三維點云數據，對點云數據進行處理得到三維數據模型。利用UG軟件進行正向建模設計，根據醫生及患者的要求設計出符合人體工程學特性的外固定支具。將逆向與正向建模設計相結合，為個性化醫療外固定支具設計提供一種高效的方法。
關鍵詞：逆向技術；外固定支具；UG
0前言
近年來，隨著社會節奏的加快，人們越來越追求個性化發展，使得醫療支具的發展趨于精準化、個性化、時尚化。外固定支具是利用體外設計的裝置，將患部治療之后保持在正常位置，如骨折和肢體矯形手術之后，保持到正常位置，以便于患部和其他組織盡快修復。傳統的醫療外固定支具有石膏、夾板等，但這些固定方式都有自己的局限性。石膏固定比較笨重、不美觀、不透氣，固定之后不能調整；夾板固定時，是根據患者的部位設定型號，這樣使得夾板不能與被固定的部位完全貼合，可能在治療中達不到預期的康復效果。為了能夠達到醫生、患者的需求，逆向技術能夠很好的利用其還原物體原有結構特點[1]，解決外固定支具與患部不能完全貼合的問題，通過對患部的掃描設計外固定支具，來解決笨重不美觀、不透氣的問題；然后再用快速成型機將設計的模型制造出產品。這樣既滿足了患者個性化的需求，也達到了快速康復的效果。隨著逆向工程技術的不斷發展，國內相關學者對逆向工程技術進行了相應的研究，蘇恒等[2]提出使用GeomagicDesignX軟件對腳踝掃描的數據模型進行逆向和正向混合建模，設計醫療護具；張凱等[3]利用GeomagicDesignX軟件對毛球修剪器進行了模型重構，并對模型進行了創新設計。他們都是在GeomagicDesignX軟件中進行的逆向和正向設計。目前，從唐山工業職業技術學院機械工程系參加教育部主辦的職業院校職業技能大賽——“工業產品數字化設計”的經驗中得到，GeomagicDesignX是一款有強大的逆向建模功能的軟件，尤其是處理大曲面時更有優勢，但在正向設計中，操作方式、建模速度都存在劣勢。所以，本文采用GeomagicDesignX逆向建模、UG正向建模的混合方式進行設計[4-5]，以腕部關節外固定支具為設計實例，詳細介紹一種精準化、個性化、時尚化外固定支具的設計流程、方法和特點。
1設計流程
依照患部制定外固定支具首要環節是要采集患部三維數據，目前常用獲取患部數據的方式有兩種。第一種是利用醫學影像（CT、MRI）等技術，通過層面掃描獲取二維圖像，再通過專用的三維軟件（Mimics、Simpleware、3D-DOCTOR等）將層面圖像構建出三維圖像，主要用途是檢查人體骨骼、軟組織、器官等內部結構。該方法可獲得精度較高三維數據模型。第二種是利用三維掃描儀掃描患部獲取三維數據，此方法可以方便、快捷的獲取患部點云數據，再通過后處理軟件GeomagicWrap得到患部的外部數據模型。筆者將患部掃描采集的數據在GeomagicWrap中進行點云拼接、去噪、填補、封裝等，得到一個完整患部三角面片模型；將三角面片模型導入GeomagicDesignX進行逆向建模，鑒于掃描模型是由若干個曲面組成，在進行逆向建模時，不需要重新劃分領域，可以利用軟件將三角面片直接擬合成曲面，進行剪切等操作得到外固定支具的內表面模型，再根據患部所在的位置以及醫生、患者的具體要求設計外固定支具，最終得到精準、個性化的支具。設計流程圖如圖1所示。
2逆向設計
2.1腕部數據采集。設計腕部外固定支具，首先要獲得腕部外表面結構數據，使用固定式三維掃描儀采集腕部數據，把患者的前臂平放在表面鋪有黑布的掃描平臺上，前臂處于自然狀態，從正面和背面分兩步掃描，確保掃描儀能夠將患部掃描完整；連接并啟動掃描儀，對掃描儀進行標定，確保掃描環境光線穩定，防止光線對掃描造成的影響。掃面過程中需要前臂保持固定姿勢，以免掃描圖形在軟件拼接中失敗。
2.2腕部點云數據處理。從掃描物體表面三維坐標系統中得到點數據集合稱為點云數據。采集前臂數據過程中，會受到周圍環境干擾產生不相關噪點等，需要對點云數據去噪和優化處理。筆者將采集的前臂點云數據在GeomagicWrap中進行處理，首先去除體外孤點、非連接項、噪音去除、平滑等，再進行手工注冊，選用“n點注冊”方式，選擇兩個掃描模型共同部位的點云進行拼接、注冊、合并、封裝，得到點云模型；對模型進行刪除釘狀物、減少噪音、補孔等細節操作時，不要過于追求表面光滑，會使模型的局部（尺骨等）特征丟失；最后檢查局部特征有無瑕疵并修正，保存輸出STL文件格式。
2.3腕部曲面創建。自動創建曲面命令可以采用自動或手動的方式構建曲線網格，并且曲面擬合時要能夠保證底層網格精度的網格，GeomagicDesignX軟件可內部進行估算或根據操作者指定的某一曲面片數進行計數，然后對自動生成的曲面片進行縫合。這種重構模型的方法擬合效率和精度高，但對點云數據進行處理要求較高[6]。采用自動創建曲面的方法適合被掃描部件細節特征較多且對曲面精度要求不是太高的模型。處理之后的點云數據模型是由多個面片組成，每個面片是由3個點連接組成的三角形，若干個三角面片組合到一起顯示產品復雜曲面以及形狀結構。對于一般特征的產品逆向建模需要的流程有：對齊坐標、劃分領域、草圖繪制、創建特征、偏差分析等。但腕部關節沒有規則特征，是由若干個曲面組成，所以在GeomagicDesignX軟件建模中，筆者采用自動創建曲面命令，進行腕部模型的逆向建模。執行自動創建曲面命令時，構造出的曲面網格是由GeomagicDesignX軟件依據曲面整體的輪廓隨機生成，在隨機生成的曲面片中，一些網格不符曲面特征和結構特征，需要通過手動方式對曲面片網格進行調整，使生成的曲面與實物更加匹配，最后將逆向建模的實體模型導出STP格式用于正向設計。
3正向設計
3.1人體工程學設計。通過三維掃面議掃描得到人體的患部數據，充分利用逆向建模數據，在UG軟件進行正向設計。正向設計要保證患部在康復或矯正時能夠獲得良好的效果，需要使設計的外固定支具與患部具有仿形帶來的高契合度；將外固定支具外觀設計成鏤空形狀，滿足舒適性和透氣性；將外固定支具增加可調節松緊不銹鋼喉箍或環形魔術貼，保證支具在患部具有更好的穩定、可調節的特點。
3.2結構設計。筆者將逆向建模中保存的STP文件導入到UG軟件中，進行正向建模。由于本外固定支具主要是針對腕部結構設計，為了便于正向設計，將模型的一部分手指剪切，能夠使后續生成外固定主體更加貼合模型。實體建模可以用參數化去繪制草圖，然后利用命令特征生成實體，但腕部模型沒有具體尺寸而且是不規則的物體，所以在曲面建模不能完全參數化進行繪制。UG軟件具有強大的曲面建模及設計的能力，使用偏置曲面命令，將剪切之后的模型進行曲面偏置，生成一個與模型一樣的曲面；將腕部模型與偏置曲面留有2mm間隙，為后期康復纏繃帶留出余量；使用加厚命令，對偏置曲面進行加厚處理，厚度為6mm，使之成為一個實體模型。加厚之后進行拆分，將實體模型分為上下兩部分，進行拆分設計時，充分考慮安裝可靠及便捷性，將拆分線設計為曲線，然后在分割的上下實體接觸面設計出凹凸槽結構，使上下兩部分在進行安裝時能夠準確快速定位。為了使分割的上下兩部分固定牢固，在手腕和尾部采用環形槽設計，然后利用不銹鋼喉箍或環形魔術貼對支具進行調解。
3.3個性化設計。對于傳統的石膏固定、夾板固定等支具而言，其外觀比較笨重、不美觀，長時間佩戴后容易滋生細菌，導致患部潰爛、發炎等并發癥。針對上述問題，本外固定支具在表面設計出鏤空形狀，增加透氣性，支具更輕量化。在UG軟件中，通過掃描、逆向得到的腕部數據模型，在此基礎進行正向建模模設計，利用UG軟件強大的曲面建模特點，使用曲面命令特征創建外固定支具實體模型，在將表面進行個性化鏤空設計，得到了一種精準化、個性化、時尚化外固定支具。
4總結
本研究針對醫療外固定支具現狀，提出基于逆向技術的個性化醫療外固定支具的設計方法，采用三維掃描儀來采集患部的點云數據，利用GeomagicWrap軟件進行點云處理，利用GeomagicX進行逆向建模，利用UG軟件對外固定支具進行三維結構設計，添加個性化設計。通過以上方法得到一種美觀、輕便，便于安裝的外固定支具，為今后醫療外固定支具應用與發展提供了參考。
作者:閻金剛 張吉利 王建新 姚海明 孔蕊 單位:唐山工業職業技術學院唐山市農機技術推廣站