基于步态周期载荷的小腿假肢接受腔形状优化研究

【作者】 杜传佳； 焦姣； 周继和； 刘夕东； 许传明； 陈盼盼；

【机构】 成都体育学院； 香港浸会大学； 成都中医药大学附属康复医院；

【摘要】 研究目的:残肢/接受腔之间过大的接触压力(CPRESS)会引起残肢不适,从而导致慢性疼痛、皮肤损伤、甚至造成残肢深层组织损伤,增加二次截肢的风险。因此,降低残肢/接受腔的CPRESS峰值是提高假肢穿戴舒适度、防止进一步产生病理问题的关键。传统小腿假肢接受腔制作过程中,辅具设计师通常依据对残肢形状、残端截面状况、残肢承载强度等因素的经验判断进行接受腔石膏模具的物理修型以减小残肢/接受腔的CPRESS。该过程需要花费大量的时间和精力,产生较多的耗材,更重要的是当手工修型的接受腔形状远离理论最佳形状标准时达不到降低CPRESS的目的。因此,本研究提出了一种CAD联合FEA并基于步态周期载荷对小腿假肢接受腔模型进行设计与形状优化的方法,以期解决小腿截肢患者步行过程中残肢/接受腔CPRESS过大的问题。研究方法:招募一名右侧经胫骨截肢的男性患者,CT扫描和地面反作用力数据采集前告知受试者实验流程、研究目的以及存在的潜在风险,待受试者充分了解信息后要求签署知情同意书。本实验方案获得成都体育学院伦理委员会(审批号:成体伦理[2022]87号)批准。在受试者穿戴传统小腿假肢接受腔(TPS)条件下使用Light speed 16层螺旋CT扫描机以层厚0.5 mm的形式对受试者的残肢和TPS进扫描。将CT扫描得到的DICOM格式数据导入Mimics19.0,建立残肢软组织3D模型、TPS3D模型。将残肢软组织3D模型和TPS3D模型导入GeomagicWrap2017进行平滑、除噪、构建NURBS曲面片、构造格栅、拟合曲面等操作,通过偏移命令将残肢软组织外表面向外偏移5mm得到内衬套NURBS模型,然后基于内衬套外表面建立优化前的数字假肢接受腔模型(N-ODPSNURBSmodel),所有经修型或建立后模型导出为.stp文件格式。在SolidWorks2017中设计四爪模型后,导入残肢软组织模型、内衬套模型和接受腔模型进行装配,获得残肢软组织/内衬套/TPS/四爪装配体模型(TPS装配体模型)、残肢软组织/内衬套/N-ODPS/四爪装配体模型(N-ODPS装配体模型)。通过位置调整进行装配体模型的生物力学对线,将建立的四爪中轴垂线作为基准线,从额状面与矢状面观察,假肢接受腔中心线均与基准线形成5°的内收角,与假肢装配的实际要求一致。运用HyperMesh2019对TPS装配体模型,N-ODPS装配体模型进行网格划分获得有限元模型(Finiteelementmodel,FEmodel),即TPS模型,N-ODPS模型。利用Abaqus软件基于步态周期载荷对模型进行有限元分析与形状优化。赋予材料属性,并设置分析步、接触形式、边界条件和载荷条件。在边界条件的设置中,对残肢顶部切割面进行固定约束,包括约束各方向位移和旋转。步态周期载荷用于FEA与优化程序的载荷条件,其目的是为了近似模拟截肢患者在自然步速行走下的步态情景。首先在运动生物力学实验室通过三维测力台采集受试者步态过程中x、y、z三个方向的地面反作用力,然后使用Origin软件对原始数据进行均值、平滑等处理得到步态周期载荷并施加给四爪模型底部。使用并行计算得到分析与优化结果。对比TPS模型、N-ODPS模型和ODPS模型的CPRESS、Mises-Stress、优化区域节点位移、模型轴向移动距离参数。研究结果:(1)TPS模型、N-ODPS模型和ODPS模型的CPRESS峰值分别为2.327MPa、0.741MPa和0.512MPa;与TPS模型相比较,ODPS模型的CPRESS减少了78.00%;与N-ODPS模型相比较,ODPS模型的CPRESS减少了5.00%。步态周期载荷中内衬套/假肢接受腔CPRESS趋势显示,ODPS模型在步态周期载荷作用下比TPS模型和N-ODPS模型更趋平稳。(2)ODPS模型在31%步态周期、55%步态周期和73%步态周期的应力值为0.6449MPa、0.4696MPa和0.5767MPa,小于TPS模型所对应时刻的应力值2.731MPa、1.618MPa和2.872MPa,但是大于N-ODPS模型在31%步态周期、55%步态周期的应力值0.3927MPa、0.2845MPa;与TPS模型相比较,ODPS模型三个时刻的应力值分别降低了76.39%、70.98%和79.92%;与N-ODPS模型相比较,ODPS模型在31%步态周期、55%步态周期的应力值分别增加了0.64、0.65倍,但在73%步态周期的应力值比N-ODPS模型降低了5.32%。虽然ODPS模型在31%步态周期、55%步态周期应力值大于N-ODPS模型相应时刻,但ODPS模型的应力峰值由底部转移至腓骨外侧对应区域。(3)ODPS模型经3次、6次和9次迭代运算后内部界面的节点最大位移分别为1.817mm、2.244mm和2.721mm,节点最大位移量随迭代运算次数增加而增加,位移主要集中在接受腔底部区域和髌骨下沿与接受腔平行的区域。(4)TPS模型、N-ODPS模型和ODPS模型在步态周期载荷中轴向最大移动距离分别为7.83mm、1.23mm和2.02mm,且均在31%步态周期之前达到最大值。研究结论:本研究提出了一种CAD联合FEA并基于步态周期载荷对小腿假肢接受腔进行设计与形状优化的方法。相较于TPS模型和N-ODPS模型,ODPS模型CPRESS在步态周期载荷中明显较低,其峰值应力由接受腔底部转移至腓骨外侧对应区域,轴向位移在合理的变化范围内,这些证据说明该设计与形状优化的方案具有可行性。从实验意义出发,本研究所提出的基于步态周期载荷对小腿假肢接受腔进行形状优化的方案得到了一些有意义的结果,对今后假肢接受腔设计提供有益的参考价值。然而,本研究仍然存在一定的局限性,主要包括:优化程序并未基于对接受腔模型进行压力敏感区域和压力耐受区域划分;没有对受试者进行适配性论证。这些局限性为后续的研究指明了方向,我们将进一步进行探索。更多还原