摘要：时至今日，假肢接受腔的制造依旧需要假肢制作师进行大量的手工劳作，制作过程通常包括评估测量、取型（阴型）、灌浆修型（阳型）、调试、塑型等步骤。这种制作工艺相当复杂，制作周期长，残肢形状信息易丢失或扭曲，配制的重复性差，存在较大测量误差等缺点。有时一具假肢需要制作几个甚至十几个接受腔才能使患者满意，这也是造成假肢价格居高不下的原因之一。因此，应当把先进的工程技术应用于医疗领域。这些技术在引入假肢接受腔的制作过程中，能克服传统手工制作方法存在的瓶颈问题，缩短和自动化假肢接受腔的制作过程，减少人力降低成本。以增材制造技术为例，其以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将陶瓷粉末、金属粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。
关键词：假肢；接受腔；仿真；智能制造
引言
文章主要针对假肢接受腔现有制作流程的不足，结合先进工程技术，以小腿假肢为例，设计出一套接受腔智能制造方案。在整个方案流程中，对于人工制作中最复杂的修型步骤，利用仿真软件模拟残肢接受腔界面压力，通过加压修型的方式使接受腔得以均匀承重，不仅使假肢趋于生理，也避免了残端底部的应力集中。
1.设计思路
文中结合数字化软件，利用CT扫描数据处理得到残肢的数字模型，先初步设计贴合残肢表面的全接触接受腔，然后利用仿真软件模拟实际行走，得到残肢的受力情况。根据受力情况，对受力较小的区域进行加压修型，减小压力敏感区域的应力集中，得到全面接触均匀承重的假肢接受腔模型，并使其可以通过增材制造技术直接进行制造。
2.数据处理与建模
为使设计出的假肢接受腔完全贴合患者的残肢，需要对患者的残肢进行CT扫描，以获得准确的残肢界面图像。将扫描得到的CT图像进行汇总，导入到MIMICS软件里。残肢图像处理和建模过程如下所示：图像预处理：对导入的图像进行滤波，窗口窗宽调节，增强对比度等。图像分割：以下腿骨骼为例，通过阈值分割命令，设定分割阈值，分割结果保存为蒙板，此时会发现骨骼内部存在空洞，这是由于骨髓等阈值不在设定范围内，这些空洞的存在将会影响后续模型的实体化，所以必须进行空腔填充，由于自动填充功能有限，主要通过手动编辑，将每一层图片进行填充，工作量比较大。由于图像本身的精度，放大断层图片以后可以发现边缘为锯齿状，这种情况无法修补。图像分割好以后，进行三维计算命令，生成三维模型。选中新生成的三维模型，进行修补命令和平滑命令，优化模型表面，查看面网格质量后进行面网格划分。
3.残肢力学特性仿真
将所有部件导入到ABAQUS进行材料设定。生物组织的机械性能是极其复杂的，在有限元建模和分析时，必须对模型做一些合理的简化。相关学者认为在准静态加载状态下，骨可以假定为线弹性材料，而软组织组成成分特性复杂，但分析时其整体的力学特性更值得关注，所以，可以将软组织看成一个整体，取统一的弹性模量和泊松比。在文中，骨和软组织均考虑为各向同性的均质线弹性体，查阅文献可得，骨骼的弹性模量设定为15GPa，泊松比设定为0．3，软组织的弹性模量设定为200kPa，泊松比为0．45。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆文中研究的PTB接受腔，制造材料为聚丙稀均聚物，屈服极限为35MPa，在屈服极限内近似认为是各向同性、均匀的线弹性材料，弹性模量设定为1．5GPa，泊松比为0．35，内衬套材料通常为泡沫塑料或硅胶，其弹性模量为380kPa，泊松比为0．35。设定完成后便进行体网格划分，单元类型选择C4D10。确认网格质量后，根据肢残患者的步态周期特点，选择非线性大变形分析。因为主要探究残肢的界面压力，所以简化各个部件之间的接触。将内衬套附于残肢表面，残肢外表面与内衬套内表面设定为摩擦接触，摩擦因数为0．5，接触方式为面面接触。而其他骨骼与软组织，内衬套与外壳等设定为绑定接触，减少计算量。根据步态周期，以单脚着地的极限状态为例，此刻残肢所受作用力主要是患者身体本身的重力680N。将接受腔外壳的底端进行固定，确认无误后提交分析。在载荷作用下，内衬套内表面和残肢外表面互相挤压。可以看出，单脚着地时，最大正应力位于残肢底端前侧，为73．2kPa，超过60kPa压力的区域如图所示。此外髌韧带处受力较大，为56．2kPa。其余部位受力明显小于这两处。根据RogersandWilson’s曲线，超过60kPa的持续压力会造成持续的温度升高，临床表现为皮肤破损。除此之外，灰色区域靠近胫骨嵴底端，临床显示此处为非承重部位，容易产生疼痛。因此，需要将此处的压力优化至60kPa以下。
4.结构优化修型
根据帕斯卡流体力学法则，不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点。因此对于小腿假肢接受腔来说，最理想的优化方法是对残肢体积进行合理科学的压缩，将接受腔对残肢的支撑力转化为残肢表面的均匀压力，从而分散过大的局部压力。基于这个原则，根据残肢受力情况和耐压情况，将残肢表面分为6个区域，分别为应力集中的残肢底端前方、应力较小的残端底端后方，受力敏感的胫骨嵴处、受力较小但是耐压的残肢侧面、髌韧带区域及膝盖侧面[1]。其中胫骨嵴处不可受力，不作加压处理。残肢侧面受力普遍在20kPa以下，施加35kPa压力。残端底端后方受力较小，施加20kPa压力。底端前半面应力集中，因此施加30kPa反向力空出空间释放压力。髌韧带区域压力已经较大，所以只施加10kPa压力。膝盖侧面受压也较小，施加20kPa压力。之后固定残肢顶部，提交受力分析。通过调查可以发现，残肢的侧面和底端后方收到了相当的压缩，而底端前方则略微凸起，通过扩大空间减少此处的应力集中，另外胫骨脊处未发生改变，保证此处应力不会过大。在此基础上，利用压缩后的残肢模型抽壳得到新的接受腔外壳和内衬套模型。然后组合新的接受腔模型，对其进行验证仿真。将压缩后的残肢模型通过初始状态导入法模拟穿着时的内应力，配合新的接受腔外壳模型和内衬套模型，依旧以单脚站立的状态为例。现在残肢的应力最大值为58．2kPa，小于临界值60kPa。其中压力敏感的胫骨脊区域受力在10kPa以下，残肢底端前方受力在30~40kPa之间，比优化前大大减少，且远小于60kPa的临界值。此外受力最大处为残肢侧面，为58kPa，髌韧带区域和残肢底端后方也是受力较大的区域，为50kPa左右，这几处都是压力耐受区域，并且除几乎不可受力的胫骨脊外，优化后的接受腔压力分布相当均匀，符合全面承重均匀受力的设计目标。
结论
简而言之，针对现有假肢接受腔大多依赖于人工手法取型的现状，提出了利用受力仿真软件生成接受腔模型并通过增材制造技术直接制造接受腔的智能制造方案。为避免残肢界面应力集中导致皮肤破损，设计了一种仿真取型法，通过对残肢压力耐受部位加压修型，得到残肢接受腔之间均匀受力的全接触小腿假肢接受腔，并通过仿真试验验证了该方法的可行性[2]。
参考文献
[1]陈东，武继祥，陈南，等.全面承重小腿假肢对小腿截肢后残肢肌肉萎缩速度的影响研究［J］.中国康复，2017，32（1）：86－87.
[2]方丽丹，贾晓红，罗勇，等.小腿假肢接受腔－残肢生物机械系统三维重构［J］.中国康复医学杂志，2019（1）：55－57，98.
论文作者:神俊琦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/12
标签：残肢论文; 假肢论文; 受力论文; 压力论文; 应力论文; 模型论文; 胫骨论文; 《基层建设》2019年第22期论文;