基于逆向工程的矫形器设计与应用

基于逆向工程的矫形器设计与应用

刘万

湖北省康复辅具技术中心 湖北省武汉市 430070

摘 要： 矫形器的主要作用是对患者的骨骼进行矫正和支持，传统的制作工艺是采用石膏绷带进行取型，费时费力，采集到患者的人体数据不精确，还可能造成二次伤害。本文基于逆向工程技术，对矫形器进行设计和优化，并以实例验证的形式，将给患者进行试穿验证效果。避免了传统工艺取型复杂、工作量大的劣势，大大减少矫形器的制作周期，提高了患者穿戴的舒适度，提升矫形器的质量。

关键词： 矫形器，逆向工程，信息采集，曲面重建

1 简介

传统的矫形器制作方法是采用石膏绷带对病患部位进行取型，后期再进行翻模、修整，最后用热塑性板材做出基于石膏模型的矫形器。不仅需要花费技师很长的时间，而且得到的模型与病患部位，也会有“失真”。另一方面，对于儿童、老人或骨折的患者，采用这种传统方式取型很有可能造成二次伤害，造成不良后果^[1]。

逆向工程^[2]主要是借助某种信息采集方法，使被测实物表面再生。将逆向工程相关技术应用到矫形器的领域中，不仅可以避免传统石膏取型费时费力的步骤，还能够实现不同患者不同病患部位矫形器的“私人定制”。本文采用无接触式的三维扫描方式来采集患者病患部位的三维信息数据，形成三维的点云，借助逆向工程中的反求技术，得到患者病患部位的三维模型并通过三维建模、修型得到相应匹配矫形器的三维模型，最后用增材制造的方式制作出来。

2 三维信息采集与预处理

三维数字信息采集是整个逆向工程中的第一步。随着传感技术和计算机科学技术的发展，出现了白光扫描等非接触的采集方法。这类方法采集速度快，对于人体手臂大小的物体约半分钟即可完成所有过程。

如图1所示，在进行信息采集的过程，发现扫描物体的周围有许多无规律的点，这些点就是噪点。这些噪点和异常点会影响后续的步骤，它们产生的原因是扫描时物体后的背景复杂，或是周围环境中灯光等因素引起的，它们将影响后期的曲面重建。

图1 含有噪点的模形 图 2 出现破口的模形

由于现阶段扫描枪的扫描范围和能力有局限，在对模型进行扫描的时候很可能无法完全展现孔、槽等部分特征，导致扫描的图形上经常会出现破口。如图2所示，图形表面有一道“缺口”未能展现在图形中。可以通过三角形曲面造型可以将该槽修复，为下一道工序做准备。

3 曲面重建

曲面重建是根据实物表面的特征，借助某种方式进行处理，拟合出一个接近该数据的三维数据^[3]。重建的方法主要是先将点云中的部分点转换为若干曲线，再利用这些线来生成面。这种方式中，最基本的元素就是曲线，而最小的单位就是构成这些曲线的点^[4]。根据点云分布的不同，拟合成曲线有的方式有插值和逼近。插值的方法主要用于采集到的点云较为光顺，点误差较小的情况。逼近的方法主要用于点的误差较大，虽然可以对点进行光顺处理，但很可能会在光顺的过程中造成点的丢失，导致拟合的曲线部分几何特征丢失或是不明显。

4 矫形器的实例验证

4.1 患处三维数字信息采集

本案例选用便携式三维白光扫描仪来进行儿童矫形器的数字信息采集。患者躺下后，使用便携式扫描枪对患者右手进行全方位的三维信息采集，如图3所示。扫描完成后，可以得到STL文件格式表示的的人体手外观的原始模型。

图3 对患者右手进行三维信息采集

4.2 点云图形优化及精简

通过对扫描的点云进行外形上的优化和数量上的精简，可以将庞大的点云坐标精简化。同时，有效的去掉了扫描过程中引起的噪点，提高了后续工作的精度。

图4 未精简的STL模形 图5 精简后的STL模形

对比精简前和精简后的模型如图4与图5所示，可以发现表面整体特征差别不大，所表示图形的外轮廓基本一致。但是三角形面片的数量上却减小至50%，这样大大减少后期的计算量，提高了效率。

4.3 矫形器模型的曲面重建

矫形器的外观形状，近似于人体手臂表面，比较平滑，适合使用曲线拟合造型来进行曲面重建。根据精简优化过的点云模型，采用若干截面线与三维模型相交，得到若干曲面曲线，以这些曲面曲线为模型的纬线进行重建。曲面重建前后效果如图6与图7所示。

图6 相交截面线 图7 由截面线生成的曲面

4.4矫形器外观的设计

采用卡扣的方式来进行开合，如图8。这样不仅可以缩小矫形器的外形尺寸，而且矫形器的左右两侧卡入时会更紧密，减小了两块曲面的接缝，矫形器的实现效果更好。另外在两块矫形器接口处还分别设计了加强筋，以保证在竖直受力方向上矫形器的强度。在保证矫形器整体强度的前提下，还对四周进行了镂空。这样做除了减轻整体重量，透气外，还对矫形器的外观起到了一定的修饰作用。

图8 采用卡扣的方式

4.5 矫形器的制作与验证

制作基于SLS增材制造技术，选用尼龙粉末材料进行烧结，成品强度高，有一定的韧性，经后处理后表面光洁度高。

经过一段时间的适配，发现矫形器内面两侧完美贴合人体手臂，穿戴后可以扣紧不掉落，具有良好的矫形效果，如图9所示。在试穿的过程中，可以从镂空的间隙看到患者的手臂表面，与矫形器内侧面几乎一模一样，这也是逆向工程的优势，高精度的还原人体表面。

图9 矫形器的适配验证

5 应用拓展

根据类似原理，还可以应用到其它类型的辅具产品上，如表1所示。相比于传统制作方法，它们具有取型省时省力、轻量化、适配性高、制作周期短等优点。

表1 其它类型辅具应用拓展

参考文献

1. 孙磊. 假肢与矫形器技术的现状与发展趋势[J]. 中国矫形外科杂志, 2013, 02(1): 107-108.

2. 赵萍,李永奎. 逆向工程中数字化测量方法及其应用[J]. 机械设计与制造, 2009, 02(4): 98-100.

3. 宋兆坤,饶锡新,解伟功. 逆向工程CAD建模关键技术研究[J]. 机械制造与自动化, 2009, 02(7): 12-14.

4. 潘璠,吴礼发,杜有翔. 协议逆向工程研究进展[J]. 计算机应用研究, 2011, 08(1): 2801-2806.

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