一种基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法技术

一种基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，属医用器械领域。包括：患者数据收集，支具原始设计，支具结构优化，支具细化设计，支具制作和检验。其基于患者CT扫描重建的患处三维模型生成完整支具，消除压力点和摩擦点；然后将患者局部骨肌系统进行计算机仿真，根据有限元分析获得的静力学和热力学结果，在完整支具上生成晶格镂空，在不影响患者穿戴的前提下，减少接缝对支具单一方向刚度的负面影响；镂空支具上设置有半圆导向槽、C型导向槽和附件底座；支具通过牵拉一根或数根钢索锁紧支具片体，实现支具穿戴后的锁紧、微调以及支具的解脱和拆除。可广泛用于个性化定制式腕部支具的设计、制造领域。具的设计、制造领域。具的设计、制造领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法


[0001]本专利技术属于医用器械领域，尤其涉及一种基于病患自身三维外形数据和骨骼肌肉系统生物力学分析结果生成的个性化定制腕部固定支具及其设计、制作与检验方法。

技术介绍

[0002]尺桡骨远端骨折是临床上最常见的骨折之一，发生率可达全部骨折案例的六分之一，复位后使用石膏、低温热塑板和高温热塑板制成的传统腕部外固定支具固定是其治疗的常规手段。
[0003]授权公告日为2013.08.21，授权公告号为CN 102068060 B的专利技术专利，公开了一种“动态腕部支具”，由起分流应力作用的硬质护具和起缓冲应力作用的软质内垫构成；其中硬质护具包括固定于手部的手掌护具和固定于前臂的前臂护具；手掌护具与前臂护具之间在腕关节处相邻，两者以软质内垫相连系，但在腕关节中立位时互不接触；软质内垫粘合或缝合于硬质护具内表面。在该专利文献中认为，为了适于在日常生活中使用的既能保持腕部灵活性又能有效减少外力对腕部骨关节冲击力的腕部支具，惟有将腕部支具设计成腕和前臂的保护系统之间灵活连接，保持腕部的灵活性，使用的舒适性和便利性，才能提高腕保护器使用的依从性，提升使用率，从而发挥其保护作用。但减少腕部骨关节所受冲击力的最好方式是用硬质材料将作用于手部的外力分流至前臂和用软质材料将外力吸收，这就要求在手部着地瞬间固定于手部的硬质护具要和固定于前臂的硬质护具产生实实在在的对接和力量传递(见其说明书第[0004]段至第[0009]段)。
[0004]明显地，上述技术方案的侧重点，在于提供一种适于在日常生活中使用的、既能保持腕部灵活性、又能有效减少外力对腕部骨关节冲击力的腕部支具(亦称腕部防护用具)，没有涉及到尺桡骨远端骨折后的外固定支具固定问题，虽然其中也提到了“保护桡尺骨远端”的概念，但是其是在“当手以掌曲位着地时，
……
使手背所受冲击力经手掌护具传递至前臂护具并分散至整个动态腕部支具覆盖范围内而被其下的软组织部分吸收”的前提下才涉及到的，并不适用于尺桡骨远端骨折后的腕部外固定问题。
[0005]授权公告日为2021.01.01，授权公告号为CN 212261640 U的专利技术专利，公开了一种“促进前臂旋转功能恢复的动力支具”，包括能够沿患者前臂拼组的腕部支具和肘部支具，腕部支具整体呈半管状且前端设有拇指放置口，肘部支具整体呈折弯的半管状结构，腕部支具与肘部支具的拼组端之间通过弹性件连接。本专利技术能够对腕关节进行固定的同时，针对前臂旋前或者旋后功能障碍能够为前臂旋转训练提供动力，有利于提高前臂旋前或者旋后功能恢复辅助训练效果。该技术方案设计思路的重点在于“在对腕关节进行固定的同时，针对前臂旋前或者旋后功能障碍能够为前臂旋转训练提供动力”(见其说明书第[0003]段)，故其只是注意到了“对腕关节进行固定”，没有过多考虑尺桡骨远端骨折后的腕部外固定问题。
[0006]此外，还有各种传统的腕部外固定支具依旧被大量地使用，但是这些传统的腕部外固定支具十分依赖低效的手工操作且在匹配度和舒适性方面的存在固有缺陷，比如：难
以保持患处的清洁和干燥；支具的透气性差，经常出现瘙痒、出汗发臭和皮疹问题；石膏支具十分沉重，严重影响病人日常生活；匹配度较差，存在压力点和摩擦处，易引发红肿和麻木；穿脱困难；制作时需要大量手工操作；制作者需要一定的经验，经常需要返工和反复微调。
[0007]因此，需要对现有技术进行进一步改进。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法。其在保证腕部支具具有足够力学强度保证疗效的前提下，提高支具与患处的匹配度和佩戴时的舒适性，基于患者CT扫描重建的患处三维模型生成完整支具，用以保证匹配度，消除压力点和摩擦点；然后将患者局部骨肌系统进行计算机仿真，根据有限元分析获得的静力学和热力学结果(静力场和热力场)在完整支具上生成晶格镂空；镂空部分的外形由计算机算法根据患处表面的静力场和热力场生成，应力较集中的区域晶格密集镂空面积小，以提高强度并消除应力集中点，应力较低温度较高的区域晶格稀疏镂空面积大，以减少热量积累并降低结构重量；在不影响患者穿戴的前提下，减少接缝对支具单一方向刚度的负面影响；镂空支具上需要添加半圆导向槽、C型导向槽和附件底座；支具通过牵拉一根或数根带有润滑保护涂层的钢索锁紧支具片体，从而实现支具穿戴后的锁紧；牵拉机构可以通过扭转旋钮调节钢索张力实现支具松紧的微调，也可可靠地锁定钢索长度，实现支具的固定，也可通过放松钢索实现支具的解脱和拆除。
[0009]本专利技术的技术方案是：提供一种基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征是腕部支具的设计包括以下步骤：
[0010]1)S1、患者数据收集：
[0011]读取患者患处的CT数据，分别提取患处从手指到肘关节的皮肤、骨骼和软组织部分数据，并分别重建为三维模型，用于后续生成支具原始设计；
[0012]2)S2、支具原始设计：
[0013]将S1步骤获取的患处皮肤部分进行处理，生成完整的无镂空和分片的支具原始设计方案，用于后续进行支局结构优化；
[0014]3)S3、支具结构优化：
[0015]模拟患者佩戴时支具的受力状况和热量分布，进行计算机模拟，根据有限元分析获得的静力学和热力学结果，在完整支具上生成晶格镂空；
[0016]4)S4、支具细化设计：
[0017]将S3步骤获得的晶格镂空进行双螺旋分片，并在镂空支具两个片体的边缘部分添加包边，然后添加包括半圆导向槽、C型导向槽和附件底座在内的设计细节，使晶格镂空成为镂空支具设计方案；
[0018]5)S5、支具制作和检验：
[0019]将S4步骤经过细化设计的镂空支具设计方案进行试制和生产，装配后进行试戴检验。
[0020]具体的，所述的S1患者数据收集，包括以下子步骤：
[0021]S11、读取数据：使用开源软件或商业软件读取患者CT数据；
[0022]S12、建立感兴趣区：为骨折患处建立感兴趣选区VOI，并将其余部分隐藏；
[0023]S13、调节阈值：在VOI中通过调节阈值建立皮肤掩膜；
[0024]S14、修改选区；通过包括画笔、橡皮在内的工具，精细修改掩膜，保证全部皮肤被正确选择；
[0025]S15、重建计算：进行三维重建计算；
[0026]S16、修改重建错误；
[0027]S17、导出重建结果。
[0028]具体的，所述的S2支具原始设计，包括以下子步骤：
[0029]S21、建立合适选区：为患处皮肤部分建立合适选区；
[0030]S22、偏移：对合适选区进行一次偏移操作；
[0031]S23、平滑和修型：对偏移后的选区用平滑命令消除包括手背血管、掌纹在内的解剖特征；随后在三维外形的尺骨茎突、桡骨茎突建立合适选区，向外偏移1mm～5mm，用以预防压力点的形成；
[0032]S24、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征是腕部支具的设计包括以下步骤：1)S1、患者数据收集：读取患者患处的CT数据，分别提取患处从手指到肘关节的皮肤、骨骼和软组织部分数据，并分别重建为三维模型，用于后续生成支具原始设计；2)S2、支具原始设计：将S1步骤获取的患处皮肤部分进行处理，生成完整的无镂空和分片的支具原始设计方案，用于后续进行支局结构优化；3)S3、支具结构优化：模拟患者佩戴时支具的受力状况和热量分布，进行计算机模拟，根据有限元分析获得的静力学和热力学结果，在完整支具上生成晶格镂空；4)S4、支具细化设计：将S3步骤获得的晶格镂空进行双螺旋分片，并在镂空支具两个片体的边缘部分添加包边，然后添加包括半圆导向槽、C型导向槽和附件底座在内的设计细节，使晶格镂空成为镂空支具设计方案；5)S5、支具制作和检验：将S4步骤经过细化设计的镂空支具设计方案进行试制和生产，装配后进行试戴检验。2.按照权利要求1所述的基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征是所述的S1患者数据收集，包括以下子步骤：S11、读取数据：使用开源软件或商业软件读取患者CT数据；S12、建立感兴趣区：为骨折患处建立感兴趣选区VOI，并将其余部分隐藏；S13、调节阈值：在VOI中通过调节阈值建立皮肤掩膜；S14、修改选区；通过包括画笔、橡皮在内的工具，精细修改掩膜，保证全部皮肤被正确选择；S15、重建计算：进行三维重建计算；S16、修改重建错误；S17、导出重建结果。3.按照权利要求1所述的基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征是所述的S2支具原始设计，包括以下子步骤：S21、建立合适选区：为患处皮肤部分建立合适选区；S22、偏移：对合适选区进行一次偏移操作；S23、平滑和修型：对偏移后的选区用平滑命令消除包括手背血管、掌纹在内的解剖特征；随后在三维外形的尺骨茎突、桡骨茎突建立合适选区，向外偏移1mm～5mm，用以预防压力点的形成；S24、抽壳：将平滑后的选区向外侧抽壳1mm～10mm，形成完整腕部支具，该抽壳厚度即为最终产品的支具厚度；S25、修补模型：对抽壳后的支具原始设计进行检查和修补，以保证该三维模型不存在包括法线方向错误、破碎、离散面、孔洞、重叠面在内的错误。4.按照权利要求3所述的基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征
是所述S21子步骤中的合适选区，其选区的远端边界，为第二指节中段，应保留不少于第二指节三分之一长度；其余四指部分裁剪至第二到第五掌骨体中段，最少应保留不少于掌骨体二分之一长度，最多不应超过掌骨头底部边缘；其选区的近端边界，为尺骨桡骨骨干中段，最短不应少于尺桡骨长度的三分之一，最长不应超过桡骨头底部边缘。5.按照权利要求1所述的基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征是所述的S3支具结构优化，包括以下子步骤：S31、有限元前处理：将经过三维重建的患处皮肤、骨骼和软组织模型导入有限元分析软件中，进行网格划分并赋予它们所属人体组织的各项物理属性；在有限元分析软件中，将患者佩戴支具时手部模型和支具完整模型的包括接触、摩擦在内的相互关系进行约束，然后添加载荷，用于模拟手部的一种或数种常见动作；S32、有限元分析：将手部一种或数种常见动作下，完整支具表面的应力分布输出处并保存；将患者佩戴支具时手部模型和支具完整模型的热量分布进行模拟，将完整支具表面的温度分布输出并保存；S33、生成晶格镂空：将有限元结果转换为完整支具表面的离散点，进而转换为泰森多边形，最后转换为支具的晶格镂空。6.按照权利要求5所述的基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征是在所述S31子步骤中，手部的一种或数种常见动作，至少包括腕部的伸、曲和旋转；在所述S33子步骤中，晶格镂空的体积应不大于完整支具体积的90％，同时，晶格镂空体积应不小于完整支具体积的50％。7.按照权利要求1所述的基于生物力学分析的个性化腕部支具及其设计方法，其特征是所述的S4支具细化设计，包括以下子步骤：S41、双螺旋分片：使用一个360
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【专利技术属性】
技术研发人员：戚威臣，陈博，邓廉夫，
申请(专利权)人：上海市伤骨科研究所，
类型：发明
国别省市：