前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的逆向技术下医疗外固定支具设计探究，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要：现有外固定支具比较笨重，不美观，不透气，与患部不能很好贴合，对康复效果造成影响。采用逆向技术，通过三维扫描仪扫描采集患者患部，获取三维点云数据，对点云数据进行处理得到三维数据模型。利用UG软件进行正向建模设计，根据医生及患者的要求设计出符合人体工程学特性的外固定支具。将逆向与正向建模设计相结合，为个性化医疗外固定支具设计提供一种高效的方法。
关键词：逆向技术；外固定支具；UG
0前言
近年来，随着社会节奏的加快，人们越来越追求个性化发展，使得医疗支具的发展趋于精准化、个性化、时尚化。外固定支具是利用体外设计的装置，将患部治疗之后保持在正常位置，如骨折和肢体矫形手术之后，保持到正常位置，以便于患部和其他组织尽快修复。传统的医疗外固定支具有石膏、夹板等，但这些固定方式都有自己的局限性。石膏固定比较笨重、不美观、不透气，固定之后不能调整；夹板固定时，是根据患者的部位设定型号，这样使得夹板不能与被固定的部位完全贴合，可能在治疗中达不到预期的康复效果。为了能够达到医生、患者的需求，逆向技术能够很好的利用其还原物体原有结构特点[1]，解决外固定支具与患部不能完全贴合的问题，通过对患部的扫描设计外固定支具，来解决笨重不美观、不透气的问题；然后再用快速成型机将设计的模型制造出产品。这样既满足了患者个性化的需求，也达到了快速康复的效果。随着逆向工程技术的不断发展，国内相关学者对逆向工程技术进行了相应的研究，苏恒等[2]提出使用GeomagicDesignX软件对脚踝扫描的数据模型进行逆向和正向混合建模，设计医疗护具；张凯等[3]利用GeomagicDesignX软件对毛球修剪器进行了模型重构，并对模型进行了创新设计。他们都是在GeomagicDesignX软件中进行的逆向和正向设计。目前，从唐山工业职业技术学院机械工程系参加教育部主办的职业院校职业技能大赛——“工业产品数字化设计”的经验中得到，GeomagicDesignX是一款有强大的逆向建模功能的软件，尤其是处理大曲面时更有优势，但在正向设计中，操作方式、建模速度都存在劣势。所以，本文采用GeomagicDesignX逆向建模、UG正向建模的混合方式进行设计[4-5]，以腕部关节外固定支具为设计实例，详细介绍一种精准化、个性化、时尚化外固定支具的设计流程、方法和特点。
1设计流程
依照患部制定外固定支具首要环节是要采集患部三维数据，目前常用获取患部数据的方式有两种。第一种是利用医学影像（CT、MRI）等技术，通过层面扫描获取二维图像，再通过专用的三维软件（Mimics、Simpleware、3D-DOCTOR等）将层面图像构建出三维图像，主要用途是检查人体骨骼、软组织、器官等内部结构。该方法可获得精度较高三维数据模型。第二种是利用三维扫描仪扫描患部获取三维数据，此方法可以方便、快捷的获取患部点云数据，再通过后处理软件GeomagicWrap得到患部的外部数据模型。笔者将患部扫描采集的数据在GeomagicWrap中进行点云拼接、去噪、填补、封装等，得到一个完整患部三角面片模型；将三角面片模型导入GeomagicDesignX进行逆向建模，鉴于扫描模型是由若干个曲面组成，在进行逆向建模时，不需要重新划分领域，可以利用软件将三角面片直接拟合成曲面，进行剪切等操作得到外固定支具的内表面模型，再根据患部所在的位置以及医生、患者的具体要求设计外固定支具，最终得到精准、个性化的支具。设计流程图如图1所示。
2逆向设计
2.1腕部数据采集。设计腕部外固定支具，首先要获得腕部外表面结构数据，使用固定式三维扫描仪采集腕部数据，把患者的前臂平放在表面铺有黑布的扫描平台上，前臂处于自然状态，从正面和背面分两步扫描，确保扫描仪能够将患部扫描完整；连接并启动扫描仪，对扫描仪进行标定，确保扫描环境光线稳定，防止光线对扫描造成的影响。扫面过程中需要前臂保持固定姿势，以免扫描图形在软件拼接中失败。
2.2腕部点云数据处理。从扫描物体表面三维坐标系统中得到点数据集合称为点云数据。采集前臂数据过程中，会受到周围环境干扰产生不相关噪点等，需要对点云数据去噪和优化处理。笔者将采集的前臂点云数据在GeomagicWrap中进行处理，首先去除体外孤点、非连接项、噪音去除、平滑等，再进行手工注册，选用“n点注册”方式，选择两个扫描模型共同部位的点云进行拼接、注册、合并、封装，得到点云模型；对模型进行删除钉状物、减少噪音、补孔等细节操作时，不要过于追求表面光滑，会使模型的局部（尺骨等）特征丢失；最后检查局部特征有无瑕疵并修正，保存输出STL文件格式。
2.3腕部曲面创建。自动创建曲面命令可以采用自动或手动的方式构建曲线网格，并且曲面拟合时要能够保证底层网格精度的网格，GeomagicDesignX软件可内部进行估算或根据操作者指定的某一曲面片数进行计数，然后对自动生成的曲面片进行缝合。这种重构模型的方法拟合效率和精度高，但对点云数据进行处理要求较高[6]。采用自动创建曲面的方法适合被扫描部件细节特征较多且对曲面精度要求不是太高的模型。处理之后的点云数据模型是由多个面片组成，每个面片是由3个点连接组成的三角形，若干个三角面片组合到一起显示产品复杂曲面以及形状结构。对于一般特征的产品逆向建模需要的流程有：对齐坐标、划分领域、草图绘制、创建特征、偏差分析等。但腕部关节没有规则特征，是由若干个曲面组成，所以在GeomagicDesignX软件建模中，笔者采用自动创建曲面命令，进行腕部模型的逆向建模。执行自动创建曲面命令时，构造出的曲面网格是由GeomagicDesignX软件依据曲面整体的轮廓随机生成，在随机生成的曲面片中，一些网格不符曲面特征和结构特征，需要通过手动方式对曲面片网格进行调整，使生成的曲面与实物更加匹配，最后将逆向建模的实体模型导出STP格式用于正向设计。
3正向设计
3.1人体工程学设计。通过三维扫面议扫描得到人体的患部数据，充分利用逆向建模数据，在UG软件进行正向设计。正向设计要保证患部在康复或矫正时能够获得良好的效果，需要使设计的外固定支具与患部具有仿形带来的高契合度；将外固定支具外观设计成镂空形状，满足舒适性和透气性；将外固定支具增加可调节松紧不锈钢喉箍或环形魔术贴，保证支具在患部具有更好的稳定、可调节的特点。
3.2结构设计。笔者将逆向建模中保存的STP文件导入到UG软件中，进行正向建模。由于本外固定支具主要是针对腕部结构设计，为了便于正向设计，将模型的一部分手指剪切，能够使后续生成外固定主体更加贴合模型。实体建模可以用参数化去绘制草图，然后利用命令特征生成实体，但腕部模型没有具体尺寸而且是不规则的物体，所以在曲面建模不能完全参数化进行绘制。UG软件具有强大的曲面建模及设计的能力，使用偏置曲面命令，将剪切之后的模型进行曲面偏置，生成一个与模型一样的曲面；将腕部模型与偏置曲面留有2mm间隙，为后期康复缠绷带留出余量；使用加厚命令，对偏置曲面进行加厚处理，厚度为6mm，使之成为一个实体模型。加厚之后进行拆分，将实体模型分为上下两部分，进行拆分设计时，充分考虑安装可靠及便捷性，将拆分线设计为曲线，然后在分割的上下实体接触面设计出凹凸槽结构，使上下两部分在进行安装时能够准确快速定位。为了使分割的上下两部分固定牢固，在手腕和尾部采用环形槽设计，然后利用不锈钢喉箍或环形魔术贴对支具进行调解。
3.3个性化设计。对于传统的石膏固定、夹板固定等支具而言，其外观比较笨重、不美观，长时间佩戴后容易滋生细菌，导致患部溃烂、发炎等并发症。针对上述问题，本外固定支具在表面设计出镂空形状，增加透气性，支具更轻量化。在UG软件中，通过扫描、逆向得到的腕部数据模型，在此基础进行正向建模模设计，利用UG软件强大的曲面建模特点，使用曲面命令特征创建外固定支具实体模型，在将表面进行个性化镂空设计，得到了一种精准化、个性化、时尚化外固定支具。
4总结
本研究针对医疗外固定支具现状，提出基于逆向技术的个性化医疗外固定支具的设计方法，采用三维扫描仪来采集患部的点云数据，利用GeomagicWrap软件进行点云处理，利用GeomagicX进行逆向建模，利用UG软件对外固定支具进行三维结构设计，添加个性化设计。通过以上方法得到一种美观、轻便，便于安装的外固定支具，为今后医疗外固定支具应用与发展提供了参考。
作者:阎金刚 张吉利 王建新 姚海明 孔蕊 单位:唐山工业职业技术学院唐山市农机技术推广站