一种用于下肢假肢的接受腔的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于下肢假肢的接受腔及其制备方法，柔性接受腔主体的外表面与刚性接受腔骨架的内表面贴合连接，刚性接受腔骨架的下部与连接装置连接，连接装置通过螺纹连接件与假肢膝关节部件连接，刚性接受腔骨架上设置有材料去除区域和材料增强区域，材料去除区域和材料增强区域的形状、位置和厚度根据生物力学界面分析与结构拓扑优化确定，柔性接受腔主体上设置有梯度分布的多孔填充区域，填充区域的形状、位置、填充结构和填充百分比的梯度分布根据多步态残肢生物力学界面分析确定。本发明专利技术能够显著提高接受腔的个性化程度，提高使用者使用过程中的舒适性以及功能传递性能。

【技术实现步骤摘要】
一种用于下肢假肢的接受腔及其制备方法
本专利技术属于医疗器械
，具体涉及一种用于下肢假肢的接受腔及其制备方法。
技术介绍
近年来因交通事故、自然灾害以及心血管病、糖尿病等疾病导致的截肢人数不断上升。据《第二次全国残疾人抽样调查主要数据公报》统计，我国各类残疾人总数约为8296万人，其中肢体残疾的约为2412万人，截肢人数约为226万人，其中以下肢截肢者居多。假肢是以代偿肢体形态和功能的方式帮助肢体残疾使用者康复和回归社会的重要手段。假肢主要由三个部分组成，即仿人体功能并能承载人体重量的支撑部件、仿人体外形的装饰部件和容纳残肢的假肢接受腔。其中接受腔中最关键也是最重要的部件之一。接受腔作为人与假肢系统之间生物力学传递的界面，残肢与其直接接触。人体和假肢间的力都是通过残肢和接受腔的接触面进行传递的。而由于每个截肢使用者的残肢形状、肌力等条件各不相同，接受腔无法按标准批量生产，必须因人而异、因残而异，即进行个体化设计。传统的假肢接受腔设计与制造方法是利用石膏取型获取使用者残肢的几何外形，通过对石膏模型的不断修改和试穿，得到最终的接受腔形状，再通过板材热压或者树脂固化成型得到使用者所需的定制化接受腔产品。近年来，国内外也先后提出了多种接受腔数字化设计系统，通过三维扫描快速获取残肢的形状数据，再进行形状修整得到接受腔模型，利用传统CAM方法或者增材制造方法直接制造出接受腔。但是无论是传统的还是数字化的接受腔设计方法，从使用者残肢模型到最终接受腔模型这最关键的一步都是由假肢技师手动修正完成的，接受腔设计的优劣取决于制作人员个人的经验积累和主观判断，不可量化，也让他人难以重复。接受腔各个区域的修型量、围长、坐骨平台位置等关键参数没有具体详细的设计指标，硬框式柔性接受腔的空窗区域的位置和大小形状的设计也没有科学的依据，全凭制作人员的主观经验和判断。在接受腔的设计过程中制作人员要根据使用者的试穿感受以及自身的经验不断的对接受腔模型进行修改，整个过程需要制作多个试穿的临时接受腔，整个设计流程耗时长，成本高。最终定制完成的接受腔产品不论是板材热压成型的还是纤维增强树脂固化成型的，其各处的材质是完全均匀统一的，无法针对使用者的残肢以及自身的需求进行进一步的个性化设计。其次，我国有着数百万的肢体残疾使用者有装配假肢接受腔的需求，但全国注册在案的假肢技师却仅有1000多人，远远无法满足社会的需要。假肢接受腔繁复的设计制造流程导致的高昂成本也使得许多经济困难的肢残使用者无力承担装配接受腔的费用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于下肢假肢的假肢接受腔的自动化设计及其制备方法，将传统的假肢设计经验量化为具体的设计准则，提出自动化的假肢接受腔设计流程，大幅简化假肢接受腔设计过程中的修型过程，降低接受腔设计成本，提高产品穿戴的舒适性和功能性。本专利技术采用以下技术方案：一种用于下肢假肢的假肢接受腔，其特征在于，包括刚性接受腔骨架、柔性接受腔主体以及与远侧假肢膝关节连接的连接装置，柔性接受腔主体的外表面与刚性接受腔骨架的内表面贴合连接，刚性接受腔骨架的下部与连接装置连接，连接装置通过螺纹连接件与假肢膝关节部件连接，刚性接受腔骨架上设置有材料去除区域和材料增强区域，柔性接受腔主体上设置有梯度分布的多孔填充区域。具体的，柔性接受腔主体的材料弹性模量呈梯度分布，接受腔柔性主体的梯度模量通过多种具有不同等效弹性模量的填充结构和填充百分比实现的，基于具有不同等效弹性模量的孔隙结构实现接受腔柔性主体的区域梯度模量分布。进一步的，填充结构包括网格填充，直线填充，三角形填充，内六角填充，立方体填充，八面体填充，四面体填充，同心填充，锯齿填充，交叉填充以及以上形式的组合和大小不同分区填充，填充百分比为0～100％。本专利技术的另一技术方案是，一种用于下肢假肢的假肢接受腔的制备方法，包括以下步骤：S1、利用有限元方法建立残肢-接受腔的三维有限元模型，设置残肢与接受腔各部分的材料属性，设置肌肉的主动力学属性，将使用者日常活动中残肢受到的载荷作为有限元模型的边界条件，进行多步态条件下肌肉主动收缩变形的残肢-接受腔界面生物力学分析；S2、接受腔刚性骨架和柔性主体的形状设计与优化，以患者静止站立时残肢受到的载荷为边界条件，通过迭代优化接受腔柔性主体与刚性骨架的几何形状，根据残肢接受腔的界面接触压力与目标接触压力的差值优化调整接受腔柔性主体和刚性骨架相应区域的形状调整量，使接受腔各个区域的接触压力与目标接触压力相同；S3、更新有限元模型，开始接受腔刚性骨架的结构拓扑优化设计，以多步态条件下患者残肢受到的载荷为边界条件，先根据多步态条件生物力学分析得到的残肢-接受腔界面接触压力分布确定接受腔刚性骨骼的材料去除区域，再利用结构拓扑优化方法根据生物力学分析中接受腔刚性骨架的应力应变结果确定其材料增强区域，根据接受腔刚性骨架中应力的分布与该材料的许用应力之间的差值确定接受腔刚性骨架相应区域增厚的幅度，保证接受腔刚性骨架在使用过程中的安全性；S4、更新有限元模型，开始接受腔柔性主体梯度功能结构的设计与优化，以多步态条件下患者残肢受到的载荷为边界条件，优化接受腔柔性主体不同区域的材料属性，根据残肢-接受腔界面接触压力调整接受腔柔性主体的区域材料弹性模量，改变接受腔柔性主体各区域在受压时的变形量，使得整个运动过程中残肢-接受腔界面上接触压力均匀；S5、导出接受腔刚性骨架和柔性接受腔主体的几何模型，根据柔性接受腔主体不同区域不同的材料属性映射为不同的填充结构与填充百分比；S6、使用多材料3D打印机将刚性接受腔骨架和柔性接受腔主体一体打印，然后对打印完成的接受腔进行修整抛光处理得到3D打印柔性接受腔，接受腔刚性骨架和柔性主体的材料为适用于3D打印工艺的塑料和纤维增强塑料。具体的，步骤S1中，有限元模型包括残肢骨骼、肌肉、除肌肉外的残肢软组织以及接受腔的刚性骨架和柔性主体；多步态条件包括静止站立、坐姿、水平匀速行走、上下楼梯以及以一定的角度上下坡等作为有限元界面生物力学分析的边界条件，肌肉的主动力学属性包括在各步态条件下残肢各肌肉的激活状态及其激活状态下主动收缩的生物力学特征，包括肌肉收缩力与收缩变形量，以及各肌肉群在运动过程中自身的刚度变化。具体的，步骤S2的迭代优化准则为：目标接触压力小于人体软组织疼痛阈值，根据残肢接受腔的界面接触压力与目标接触压力的差值确定调整接受腔柔性主体和刚性骨架相应区域的形状调整量，当所有区域界面接触压力与目标界面接触压力的差小于容差范围时迭代终止。具体的，步骤S3中，根据残肢-接受腔界面接触压力的结果，将接受腔刚性骨架上界面接触压力超过软组织压力疼痛阈值的区域的材料移除，更新接受腔刚性骨架模型之后，再次进行有限元生物力学分析，利用拓扑优化方法确定接受腔刚性骨架的材料增强区域，将接受腔刚性骨架模型更新之后再次提交生物力学分析，经过多次迭代之后得到最终的接受腔刚性骨架几何拓扑结构。进一步的，步骤S3的迭代优化准则为：多步态条件下接受腔刚性骨架的应力均小于材料许用应力；根据接受腔刚性骨架中应力的分布与该材料的许用应力之间的差值确定接受腔刚性骨架相应区域增厚的幅度，在所有步态情况下接受腔刚性骨架的所有区域的应力均小本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于下肢假肢的接受腔，其特征在于，包括刚性接受腔骨架(1)、柔性接受腔主体(2)以及与远侧假肢膝关节连接的连接装置(3)，柔性接受腔主体(2)的外表面与刚性接受腔骨架(1)的内表面贴合连接，刚性接受腔骨架(1)的下部与连接装置(3)连接，连接装置(3)通过螺纹连接件(4)与假肢膝关节部件连接，刚性接受腔骨架(1)上设置有材料去除区域和材料增强区域，柔性接受腔主体(2)上设置有梯度分布的多孔填充区域。

【技术特征摘要】
1.一种用于下肢假肢的接受腔，其特征在于，包括刚性接受腔骨架(1)、柔性接受腔主体(2)以及与远侧假肢膝关节连接的连接装置(3)，柔性接受腔主体(2)的外表面与刚性接受腔骨架(1)的内表面贴合连接，刚性接受腔骨架(1)的下部与连接装置(3)连接，连接装置(3)通过螺纹连接件(4)与假肢膝关节部件连接，刚性接受腔骨架(1)上设置有材料去除区域和材料增强区域，柔性接受腔主体(2)上设置有梯度分布的多孔填充区域。2.根据权利要求1所述的用于下肢假肢的接受腔，其特征在于，柔性接受腔主体(2)的材料弹性模量呈梯度分布，柔性接受腔主体(2)的梯度模量通过多种具有不同等效弹性模量的填充结构和填充百分比实现的，基于具有不同等效弹性模量的孔隙结构实现柔性接受腔主体(2)的区域梯度模量分布。3.根据权利要求2所述的用于下肢假肢的接受腔，其特征在于，填充结构包括网格填充，直线填充，三角形填充，内六角填充，立方体填充，八面体填充，四面体填充，同心填充，锯齿填充，交叉填充以及以上形式的组合和大小不同分区填充，填充百分比为0～100％。4.一种制备如权利要求1或2或3所述用于下肢假肢接受腔的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、利用有限元方法建立残肢-接受腔的三维有限元模型，设置残肢与接受腔各部分的材料属性，设置肌肉的主动力学属性，将使用者日常活动中残肢受到的载荷作为有限元模型的边界条件，进行多步态条件下肌肉主动收缩变形的残肢-接受腔界面生物力学分析；S2、根据生物力学分析结果，开始接受腔刚性骨架和柔性主体的形状设计与优化，以患者静止站立时残肢受到的载荷为边界条件，通过迭代优化接受腔柔性主体与刚性骨架的几何形状，根据残肢接受腔的界面接触压力与目标接触压力的差值优化调整接受腔柔性主体和刚性骨架相应区域的形状调整量，使接受腔各个区域的接触压力与目标接触压力相同；S3、更新有限元模型，开始接受腔刚性骨架的结构设计与优化，以多步态条件下患者残肢受到的载荷为边界条件，先根据多步态条件生物力学分析得到的残肢-接受腔界面接触压力分布确定接受腔刚性骨骼的材料去除区域，再利用结构拓扑优化方法根据生物力学分析中接受腔刚性骨架的应力应变结果确定其材料增强区域，根据接受腔刚性骨架中应力的分布与该材料的许用应力之间的差值确定接受腔刚性骨架相应区域增厚的幅度，保证接受腔刚性骨架在使用过程中的安全性；S4、更新有限元模型，开始接受腔柔性主体梯度功能结构的设计与优化，以多步态条件下患者残肢受到的载荷为边界条件，优化接受腔柔性主体不同区域的材料属性，根据残肢-接受腔界面接触压力调整接受腔柔性主体的区域材料弹性模量，改变接受腔柔性主体各区域在受压时的变形量，使得整个运动过程中残肢-接受腔界面上接触压力均匀；S5、导出接受腔刚性骨架和柔性接受腔主体的几何模型，根据柔性接受腔主体不同区域不同的材料属性映射为不同的填充结构与填充百分比...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玲，汤磊，单存清，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61