基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法

技术领域

本发明属于康复矫形器材技术领域，更具体地说，特别涉及基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法。

背景技术

对于手臂出现意外受伤、发生骨折、关节错位、肌肉拉伤、韧带断裂的患者，临床上使用的是传统石膏进行固定治疗，石膏在绷带的紧固下变得不透气、固定过程繁琐问题。尤其是在炎热的夏天，石膏的不透气性、拆除困难，不能及时清理手臂内部，容易使受伤的手臂发生病变、细菌感染症状，使其不利于手臂的康复资料。

石膏的制作需要专业的医护人员进行辅助穿戴，需要花费大量的时间前往医院进行治疗。

手臂内外部因为石膏的粗糙，会导致二次受伤，穿戴过程也难免发生摩擦，导致受伤，非常不利于患者的现阶段治疗。

石膏固定的过程中会因为操作不规范、技术不到位，力气的大小导致缠绕过紧的情况，使手臂血液难以流通，导出其他不利的症状出现。

因此，针对现有技术的不足，制作基于拓扑优化的人体手臂外固定支具，以此来解决现有的技术不足。

发明内容

本发明内容针对现有技术的不足，制作基于拓扑优化的人体手臂外固定支具，以此来解决现有的技术不足。根据不同的患者手臂定制合适的轻量化手臂支具。该支具使用了环保亲肤的材质提高了佩戴时的舒适性，透气镂空的设计还可对患者的实情进行观察，减轻重量的同时还保证了支具的强度，有效降低现有医疗的成本以及便于患者康复治疗。

本发明上述目的通过以下技术措施实现：

基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法，包括如下步骤：

S1.使用三维扫描仪对患者手臂体表进行数据采集，获取手臂数据，导入Geomagicwrap逆向工程建模软件中；

S2.在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，对模型进行噪点删除、打薄处理，并对整个模型进行光顺处理，获得光顺后的模型；

S3.在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，使用镜像功能获得手臂镜像后的模型；

S4.在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，对光顺处理好的模型使用曲线裁剪功能，前臂裁剪至手腕位置，后臂裁剪至肱二头肌位置；

S5.将裁剪好的模型导入GeomagicDesignX逆向工程建模软件中，对裁剪好的模型进行曲面建模，转化为实体模型，并进行抽壳减轻设计；

S6.对抽壳好的模型导入Inspire轻量化设计软件中，进行应用力学分析；

S7.在Inspire轻量化设计软件中，对已采取过应用力学分析的模型进行轻量化设计；

S8.将已轻量化设计好的模型导入GeomagicDesignX逆向工程建模软件中，进行修剪处理；

S9.将已修剪好的模型导入Modellight切片软件中，进行切片打印。

进一步的，步骤S1中，三维扫描的方式包括手持式和激光式，且采用的设备分别为全彩三维扫描仪和工业级扫描仪。

进一步的，步骤S2中，所使用的方法为非连接项、体外孤点、删除噪音、曲率采样和去除特征。

进一步的，步骤S4中，所使用的方法为绘制曲线、曲率图和曲面修剪。

进一步的，步骤S5中，所使用的方法为绘制3D草图、断面、平滑、分割、传统境界拟合、曲面修剪、曲面偏移、延长曲面和抽壳。

进一步的，步骤S6中，所使用的方法为结构仿真优化、添加载荷、设置材料和动画仿真。

进一步的，步骤S7中，所使用的方法为固定约束、增添载荷、结构优化、形状控制和力学分析。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法，利用扫描仪对患者进行手臂数据采集，通过逆向建模软件对采集的数据进行表面修饰、镜像、拟合建模、实体抽壳，再通过轻量化设计软件进行有限元分析，轻量化设计，最后通过3D打印设备将轻量化设计的人体手臂外固定支具进行3D打印，可根据不同的患者手臂定制合适的轻量化手臂支具，且该支具使用了环保亲肤的材质提高了佩戴时的舒适性，透气镂空的设计还可对患者的实情进行观察，减轻重量的同时还保证了支具的强度，有效降低现有医疗的成本以及便于患者康复治疗。

附图说明

图1为本发明基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法流程图。

图2中的A为扫描数据图像获取，图2中的B为肢体表面点云的处理，图2中的C为肢体轮廓三角面片的表面光顺处理。

图3为人体外部固定支具的曲面模型构建过程示意图，图中的D为模型的逆向建模，图中的E为载荷受力分析。

图4为人体外部固定支具的部分优化迭代步骤效果示意图，图中的A为第0次迭代，图中的B为第3次迭代，图中的C为第6次迭代。

图5为基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的设计结果。

图6为基于拓扑优化的人体手臂外固定支具模拟穿戴效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

实施例1：

如图1所示，基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法，包括如下步骤：

S1.使用全彩三维扫描仪配合工业级高精度三维扫描仪对患者手臂体表进行数据采集，彩色扫描仪点间距设置为“0.7mm”，选择“红外光源”，色彩为“彩模”，开启“补光灯”系统，拼接模式选择“特征”，场景应用为“人体”，尺寸选择“标准物体”，扫描帧率设置为“15”，采集整个手臂的数据，获取手臂数据原始文件，导入Geomagic wrap逆向工程建模软件中；

三维扫描的方式为手持式、激光式，设备为全彩三维扫描仪、工业级扫描仪，采集过程中手臂保持松弛状态悬垂于地面。

S2.在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，对模型进行噪点删除、封装、打薄处理，并对整个模型进行光顺处理，获得光顺后的模型；

具体的，所使用的方法为非连接项，参数设置为“分隔低”、尺寸“5.0mm”；体外孤点，参数设置为敏感度“85.0mm”；减少噪音，参数设置为“”棱柱形(保守)、平滑度水平为“1”、迭代次数“1次”、偏差限制“0.05mm”；曲率采样，参数设置为“67％”；封装，参数设置为开启“优化稀疏数据”、“优化均匀间隙数据”；去除特征。

S3.在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，使用“镜像”功能获得手臂镜像后的模型；

具体的，在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，点击“工具”模块然后点击“镜像”功能，选择“拾取平面-自定义平面”，点击“应用”，即可获得镜像后的人体手臂模型。

S4.在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，对光顺处理好的模型使用“曲线裁剪”功能，前臂裁剪至手腕位置，后臂裁剪至肱二头肌位置；在该软件中能更好的选取需要设计的手臂区域位置。

具体的，在Geomagic wrap逆向工程建模软件中，所使用的方法为“绘制曲线”，绘制曲线沿着手腕肱二头肌下半部分进行曲线绘制，开启“曲率图”检查绘制的曲线是否正确，最后绘制完毕点击“曲面修剪”选择曲线-点击“应用”，将手臂进行裁剪，得到初步成型的手臂支具。

S5.将裁剪好的模型导入GeomagicDesignX逆向工程建模软件中，对裁剪好的模型进行曲面建模，转化为实体模型，并进行抽壳减轻设计；

具体的，在GeomagicDesignX逆向工程建模软件中，所使用的方法为“绘制3D草图”，沿着支具剪切的边缘进行3D草图曲线绘制，绘制完毕后，进行与线的相交点分割，相交点公差控制在“0.1mm”以内，分割完毕后，进行整体平滑处理，平滑参数设置为最小，平滑完毕后，进行“传统境界拟合”，分辨率选择“许可偏差”，偏差控制在“0.05mm”以内，取消“面片再采样”，点击“OK”，拟合完毕后，画直线进行曲面修剪，然后进行“曲面缝合”，将分散的曲面进行合并，再进行曲面偏移，参数设置为“0.2mm”，最后进行“实体抽壳”，参数设置向外抽壳，厚度为4-7mm。曲面向外偏移，预留打印误差0.3mm、以及穿戴舒适感，手臂支具手腕嵌入口设置为“43mm”，肘部设置为“55mm”，肱二头肌部设置为“47mm”。

S6.对抽壳好的模型导入Inspire轻量化设计软件中，进行应用力学分析，最小安全系数设置为1.6；

具体的，在Inspire轻量化设计软件中，所使用的方法为添加载荷，对手腕手肘位置进行添加50N载荷，手臂两侧添加30N载荷，手臂前后两端添加固定约束，再进行材料设置，材料设置为PLA，最后进行结构仿真优化，单元尺寸设置为7mm，选择“滑动接触”“更准确”，重力“否”，选择对应的载荷工况进行应用力学分析。

S7.在Inspire轻量化设计软件中，对已采取过应用力学分析的模型进行轻量化设计；

具体的，在Inspire轻量化设计软件中，所使用的方法为固定约束，将手臂两侧进行固定，添加形状控制，选择“对称形状控制”，“双向拔模”，最后进行结构优化，质量目标为设计空间总体积的28％，最小厚度约束设置“6mm”为，最大厚度约束设置为“12mm”，点击“确定”，对优化后的结构，进行PolyNURBS模块的自适应拟合，拟合的过程中加选外轮廓边框。

S8.将已轻量化设计好的模型导入GeomagicDesignX逆向工程建模软件中，进行修剪处理，将突出多余的部分进行修剪掉；

具体的，在GeomagicDesignX逆向工程建模软件中，使用曲面偏移将手臂壳体内侧的面进行偏移，参数设置为0mm，偏移完毕后使用该面片对手臂壳体进行切割，切除超出曲面的区域。在Inspire轻量化设计软件中，进行的结构优化，会使得结构变得光顺膨大，所以需要使用偏置的面片切除佩戴内置面多余的膨大区域。

S9.将已修剪好的手臂轻量化模型导入Modellight切片软件中，进行切片打印；

具体的，在Modellight切片软件中，先进行切片参数的设置，修改打印层高为0.1mm，填充率为100％，将模型进行最佳摆放后进行切片预览，检查完毕无误后进行实物打印。

本实施案例中采用3D打印成形的方法来制造基于拓扑优化的人体手臂外固定支具，实现透气性好、结构性能强、个性化美观设计、环保、可降解重复利用材料，节省制造时间以及成本的同时，还克服了传统制造的工艺难度不足。

需要说明的是，本实施例中，所采用的3D打印材料为PLA材料进行打印，本材料可以降解，耐热性强，健康无毒。

镂空的固定支具，在目标对象佩戴后，可以实时跟踪观察目标对象患侧是否受压以及康复情况。

本发明的基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法。利用扫描仪对患者进行手臂数据采集，通过逆向建模软件对采集的数据进行表面修饰、镜像、拟合建模、实体抽壳，再通过轻量化设计软件进行有限元分析，轻量化设计，最后通过3D打印设备将轻量化设计的人体手臂外固定支具进行3D打印。根据不同的患者手臂定制合适的轻量化手臂支具。

该支具使用了环保亲肤的材质提高了佩戴时的舒适性，透气镂空的设计还可对患者的实情进行观察，减轻重量的同时还保证了支具的强度，有效降低现有医疗的成本以及便于患者康复治疗。

实施例2

基于拓扑优化的人体手臂外固定支具的轻量化方法，其它特征操作与实施例1相同，不同之处在于，肱二头肌剪切处改为剪切至肘部位置，从肱二头肌位置向肘部位置移动9mm,再进行剪切。手臂支具手腕嵌入口为48mm，肘部为59mm，肱二头肌部为53mm。支具的厚度为8mm的基于拓扑优化的人体手臂外固定支具，手臂支具手腕嵌入口设置为”48mm”，肘部设置为“6lmm”，肱二头肌部设置为“52mm”。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。