夜用型脊柱侧弯矫形支具的数字化设计

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0347

中国组织工程研究 ›› 2018, Vol. 22 ›› Issue (27): 4327-4331.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.0347

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夜用型脊柱侧弯矫形支具的数字化设计

黄亚翔¹，赵自平²，王治国³，廖启铭¹，谢银豪¹，张平¹

¹广州医科大学附属第三医院骨科，广东省广州市 510150；²南方医科大学附属第三医院关节外科，广东省广州市 510500；³广州医科大学附属第三医院荔湾医院骨科，广东省广州市 510170

出版日期:2018-09-28 发布日期:2018-09-28
通讯作者: 张平，博士，主任医师，广州医科大学附属第三医院骨科，广东省广州市 510150
作者简介:黄亚翔，男，1993年生，江西省湖口县人，汉族，2018年广州医科大学毕业，硕士，医师，主要从事脊柱外科方向的研究。
基金资助:
广东省广州市荔湾区科技计划项目(2016080043)

Digital design of night-time scoliosis brace

Huang Ya-xiang¹, Zhao Zi-ping², Wang Zhi-guo³, Liao Qi-ming¹, Xie Yin-hao¹, Zhang Ping¹

¹Department of Orthopedics, the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510150, Guangdong Province, China; ²Departmetn of Joint Surgery, the Third Affiliated Hospital of Southern Medical University, Guangzhou 510500, Guangdong Province, China; ³Department of Orthopedics, the Liwan Hospital of the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510170, Guangdong Province, China

Online:2018-09-28 Published:2018-09-28
Contact: Zhang Ping, M.D., Chief physician, Department of Orthopedics, the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510150, Guangdong Province, China
About author:Huang Ya-xiang, Master, Physician, Department of Orthopedics, the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510150, Guangdong Province, China
Supported by:
the Science and Technology Project of Liwan District of Guangzhou City, Guangdong Province, No. 2016080043

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

三点矫形原理：处于同一平面但不在同一条直线的3个受力点，其中一点的受力方向和其他两点的方向相反，根据作用力与反作用力、力的分解及杠杆原理，三点力相互作用而产生矫形效果。对于夜用型支具而言，3个受力点为腋下、胸椎顶椎平面，腰椎顶椎平面，股骨大转子4个中选取的3个。

虚拟矫形：在三点矫形原理的基础上，通过三维软件在电脑端模拟支具对脊柱侧弯躯干模型的矫形效果，本文中其过程主要是找准施力点及模拟形变。

摘要

背景：传统的脊柱侧弯矫形支具尽管广泛应用于临床，但在舒适性、成本及制作效率上有着改进的空间。

目的：探讨利用三维软件设计夜用型脊柱侧弯矫形支具的方法。

方法：选择8例广州医科大学附属第三医院荔湾医院门诊行支具治疗的女性青少年特发性脊柱侧弯患者，用3D扫描仪对患者躯干进行扫描取模，在Artec studio中简单处理后保存为STL格式导入Geomagic进一步处理，精确曲面完成后导入Solidworks进行虚拟矫形处理，最后导入3-matic、Magics进行支具的形状设计。

结果与结论：①完成了个性化夜用型脊柱侧弯矫形支具的初步设计；②证明应用Geomgic、Solidworks、3-matic等软件可在电脑上方便快速地设计出夜用型支具，可为后续支具的3D打印制作奠定研究基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程
ORCID: 0000-0001-8934-1562(黄亚翔)

关键词: 脊柱侧弯, 支具, 3D扫描, 虚拟矫形, 软件, 数字化设计, 特发性脊柱侧弯, 夜用型支具, 计算机辅助设计

Abstract:

BACKGROUND: Traditional scoliosis brace has been extensively used in clinical practice, but the comfortability, cost and fabrication efficiency need to be improved.

OBJECTIVE: To explore the method of designing the night-time scoliosis brace using three-dimensional (3D) software.

METHODS: Eight female patients with adolescent idiopathic scoliosis undergoing brace treatment at the Outpatient Department of the Liwan Hospital of the Third Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University were included. The patient’s trunk was scanned by 3D scanner to establish a model. Simple processing in Artec studio and saving as the STL format was import into Geomagic for further processing, then the model was imported into Solidworks to operate virtual orthopedics after exactitude surface was finished and finally imported into the 3-matic, Magics for the geometry design of the brace.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) The preliminary design of the personalized night-time scoliosis brace was completed. (2) In summary, Geomagic, Solidworks and 3-matic software can be used to design the night-time brace conveniently and quickly on the computer, and lay a foundation for the 3D printing brace in the future.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

Key words: Scoliosis, Computer-Aided Design, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

黄亚翔，赵自平，王治国，廖启铭，谢银豪，张平. 夜用型脊柱侧弯矫形支具的数字化设计[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(27): 4327-4331.

Huang Ya-xiang, Zhao Zi-ping, Wang Zhi-guo, Liao Qi-ming, Xie Yin-hao, Zhang Ping. Digital design of night-time scoliosis brace[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2018, 22(27): 4327-4331.

图/表（结果） 2

参考文献

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引言

材料方法

1.1 设计 单一样本研究。

1.2 时间及地点 于2017年9至11月在广州医科大学附属第三医院荔湾医院完成。

1.3 材料

软件：Artec studio 12 professional，Geomagic studio 2012，Solidworks 2012，3-matic STL 10.2，Magics 21。

设备：微星GT73VR 6RF笔记本电脑1台：处理器：英特尔Core i7-6820HK；内存DDR4 2 400 MHz 32 GB；显卡 NvidiaGeForce GTX 1080 8 GB，操作系统：Windows 10。Artec Eva Lite 3D扫描仪1部，电动旋转平台1台。

1.4 对象

试验模型：选择8例在广州医科大学附属第三医院荔湾医院门诊行正规支具治疗的女性AIS患者，胸弯、腰弯、胸腰弯及胸腰双弯4种侧弯类型各2例。

纳入标准：①临床诊断为AIS的女性患者；②年龄9-16岁；③Cobb角20°-45°；④脊柱侧弯顶椎水平<T₆；⑤已在本院接受测量取模制作的夜用型支具治疗。

排除标准：①既往有脊柱手术史；②存在生长发育异常。

此文以讨论设计方法为主，故以其中1例来详细讨论设计过程，详细资料如下：年龄为16岁，侧弯类型为胸右腰左弯，胸段上端椎为T₆，下端椎为T₁₁；腰段上端椎为T₁₁，下端椎为L₃，胸段、腰段的Cobb角分别为29°，23°。

1.5 方法

1.5.1 3D扫描躯干取模扫描前先嘱患者换上薄棉背心，手法定位T₆，T₁₁，L₃在后背的体表位置，并贴上胶带(可以被扫描仪识别)进行标记，方便模型处理时定位，设置描仪速度参数为16帧/s，患者在旋转平台上准备完毕后，开始用Artec eva lite扫描仪(Artec公司，美国)对患者躯干进行扫描取模(误差为0.1 mm)，为获得标准的水平面方便后面的模型裁剪并建立坐标系，会对下肢及地面一并扫描。

1.5.2 3D模型的初步处理在扫描仪配套的Artec studio 12 professional软件逐帧查看扫描结果，选取最大扫描误差小于0.5 mm的帧数复制到新的扫描，可以提高模型的质量。再进行整体配备，光顺融合等操作得到人体模型，然后进行去除表面条纹及裁剪等处理，保存为STL格式输出到Geomagic，进行填充孔操作，再执行网格医生命令，查看并修复小通道、小孔、尖状物，最后进入到精确曲面菜单将三角形网格曲面组成的模型转换为实体模型，完成后以STEP格式保存。

1.5.3 Solidworks的虚拟矫形打开Geomagic处理后的实体模型，使用新建装配体命令调整坐标系，将模型摆正，然后使用折弯功能进行虚拟矫形处理。先将模型的质心坐标系调整为标准坐标系，即X轴270°、Y轴0°、Z轴180°，然后将折弯轴旋转90°至冠状面，即Z轴变为270°或90°，确保模型在冠状面上折弯。第一基准面上移至模型预先标记处，即T₁₁椎体下缘在体表的投影，第二基准面为T₆上缘，折弯方向与侧弯方向相同，完成后保存。将第二基准面移动至T₁₁上缘，第一基准面移动至L₃下缘，重复上一步操作，完成后保存为STL格式。由于上下基准面的折弯后的夹角约等于Cobb角，所以折弯角大小预设为患者的胸/腰段Cobb角。此过程的目的在于，在侧弯顶椎平面创造出一个压力施加区域(向内凹处)及对侧的压力释放区域(向外凸处)，加上左侧腋下及右侧股骨大转子两个受力点，形成了2个三点压力矫形系统，分别作用于胸段侧弯和腰段侧弯。

1.5.4 支具形状的设计在3-matic中打开上一步建好的模型，修整表面的尖锐轮廓，使模型变得光滑，切除模型大转子以下的部分，再根据夜用型支具三点压力矫形原则^[3]，在模型上选中需要裁剪的部分，并修剪模型的棱角部分，设置需要去除部分的属性为隐藏，完成后导入Magics对模型进行加厚，根据制作手工取模的夜用型支具的经验及对后续3D打印材料强度的考虑，厚度选择为 4 mm，完成后再次导入3-matic与之前未加厚的模型进行布尔运算求差，即得到空壳模型支具，再以人体正中线将模型分为左右2块，背侧采用合页设计方便患者独立穿戴，前侧各裁剪3.5 cm宽的部分，方便后续收紧束带制作，然后对模型表面进行镂空处理，减轻质量的同时提升透气性，至此夜用型支具的模型设计完成。

1.6 主要观察指标 通过将3D扫描获得的躯干模型旋转、放大、平移、变换不同折弯角度、裁剪打磨等操作，观察模型的光滑性、连续性、表面质量、表面轮廓、不同的虚拟矫形效果，并逐渐裁剪出支具的外形，将其打磨光滑，评估其设计效率及可操作性。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

为了有效的阻止AIS患者的侧弯进展，日用型支具每天至少需要穿戴20 h以上^[4-5]，夜用型支具也需要夜间穿戴8 h左右^[3]，长时间穿戴会导致腰背疼痛、腰背肌肉萎缩、肺功能下降、皮肤压迫性溃疡及过敏等并发症^[5-6]，对患者的生活质量造成较大影响，从而导致依从性下降，而良好的依从性会降低曲线进展及需要手术治疗风险^[7-8]，因此制作舒适、轻便、透气的支具来提升依从性显得尤为重要。早期已经有许多学者对不同支具的治疗效果进行了研究，Roaf等^[9-10]采用Boston支具治疗AIS；Lonstein等^[11-12]运用Milwaukee支具治疗AIS；Price等^[13-14]进行了Charleston 支具研究；Janicki等^[15-16]的Providence 支具疗效观察，结果显示的疗效虽然有差异，但均证明支具能有效治疗AIS。如果不同的支具治疗效果差异不大，则应该选择对生活质量影响最小的支具^[17]。夜用型支具主要在睡眠时穿戴，对患者的生活质量影响很小，其不同的治疗理念缩短了穿戴时间，从而有效的提升了依从性。夜用型支具选择在夜间治疗的依据在于，正常人一天血液内的生长激素浓度有较大的波动，在清醒状态时水平很低，夜间睡眠后60-90 min，生长激素分泌达到高峰^[18]。利用生长激素的分泌规律选择最佳时间进行支具治疗，白天则让患者多进行功能锻炼，较日用型的全天佩戴而言，明显提高了生活质量。在夜用型支具的设计上，以Boston日用型支具为例对比，主要不同点在于：①支具设计上采用的是非对称设计，去除支具上下段受力部位(腋下、股骨大转子)的对侧部分，达到祛除反作用力的效果；②支具的设计上采用的是选择性接触，在胸椎或腰椎的顶椎截面上的施力点向内凹陷为紧密接触(根据皮肤的三维模型及X射线片共同决定)，使压力集中在该平面从而达到好的矫形效果，而其对侧则向外突出，与人体不接触，从而使对侧的压力得到释放，提升了舒适性。

此次设计过程有着效率高、可重复性、数据及过程客观等特点，手法定位及扫描前准备工作约10 min，扫描过程约30 s，只需单人即可轻松完成，较传统手工石膏取模及测量取模时间明显缩短。Raux等^[19]已经证明了3D扫描取模的有效性。Cobetto等^[20]将CAD联合有限元模拟方法设计的新型日用型支具和传统手工取模方法制作的支具进行了对比，结果显示在同等的矫形效果下，新方法制作的支具较传统方法要薄61%，耗材减少32%，舒适性也优于传统方法，但没有省去阳模的制作步骤且未进行镂空设计。该设计直接对支具进行设计，省去阳模的制作过程，裁剪工作也在电脑端完成，可以为后续的支具实物制作省去大量材料，且可以轻易完成传统方法不便完成的镂空操作，有望进一步降低整体制作成本的同时提升舒适性。

在设计过程涉及的相关软件中，Artec studio为3D扫描仪的配套软件，用来对扫描模型进行初步处理；Geomagic由美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件，可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。Geomagic在逆向建模方面的突出特点为准确快速；Solidworks是目前市场上功能最极致的产品设计工具。它不但拥有现今CAD/CAM软体中功能强大的实体建模核心技术，更提供高效能的曲面建构能力，广泛的运用在汽机车业、航太业、模具加工及设计业及医疗器材产业等领域，对于使用者来说，它简单方便，易学易用；3-matic和Magics都是由Materialise公司开发，主要用于修改设计及3D打印服务，提供了大量先进而又高度自动化的STL操作，可以明显缩小3D打印系统和关键应用之间的鸿沟。多软件的联合应用看似过程复杂，实际处理过程智能快捷，其模型由单一的三角面片组成，关系运算简单，操作上简单易学，并未涉及复杂的功能，跨专业学习没有障碍。此外，较传统手工取模方便快捷，电子数据方便传输，可以异地取模，集中制造，方便支具的系统化生产。如果可以将多个软件的功能整合到一起，开发功能更加齐全统一的软件可以进一步提升设计效率。Weiss等^[21]也认为需要在CAD/CAM软件工具领域取得进展，才能更好的利用3D打印等技术来进行支具的设计制作。

手法定位时摸到的是椎体的棘突，患者X射线片上测量得T₆，T₁₁，L₃椎体高度分别为18.1 mm、22.5 mm、 25.3 mm，T₅椎体的棘突为T₆椎体的下缘，T₁₀椎体的棘突大致在T₁₁椎体的中央位置，腰椎棘突在椎体的中央位置，由此可以大约估算到椎体上下缘在体表的位置，方便扫描前大致定位。手法定位存在一定的误差，其对设计支具的矫形效果影响大小目前还不清楚。扫描时需要双手与肩保持水平张开，此时胸大肌及背阔肌舒张，腋下躯干的宽度变窄，而穿戴支具时双手是下垂状态，所以扫描的背部及腋下体型有所变化，后续须观察这一改变是否会影响舒适性，并在模型处理时考虑该变化。站立扫描时要保持姿势水平，不可移动，保持平静呼吸，幅度过大会导致扫描得到的模型精度下降。Artec studio 12 professional中裁剪模型时要以水平面为基准面进行裁剪，方便后续坐标系的建立，使用折弯功能进行虚拟矫形时会更加准确。上端裁剪直接以上端椎为截面进行性裁剪，方便折弯功能的定位。

折弯过程的处理是最关键的步骤，程度过大会导致处理后的模型形变过大，贴合性变差，穿戴时可能出现施力点压痛，程度过小又达不到矫形效果，这是后续需要继续研究的，此次的折弯角度选择为Cobb角。模型的位置是以质心为中心的，所以需要去除各坐标数据，以自行建立的坐标系为准。胸腰弯类型需要进行2次折弯，由于第一次完成后需要保存后才能进行下一步操作，所以第二次的基准面会有轻微变化，但影响不大。如果后续制作需要在支具内侧面添加衬垫，则可以利用Solidworks中的等距曲面功能设计支具衬垫的厚度。

此次支具形状的设计主要依据是夜用型Providence支具的三点矫形原理^[3]，并参照了Sattout等^[22]进行的Providence支具的有限元分析对模型做出调整。在以往的随访中得知有部分脊柱侧弯患者由于不清楚体表的解剖标志，所以无法完全按照医嘱正确穿戴支具，经常出现移位情况，长期会影响治疗效果，此文叙述的方法可以提前在支具上制作多个标记，让患者方便正确穿戴。

模型在多个软件中转换使用会导致表面轮廓有所失真，但可以通过光滑处理等操作来修补。此设计只考虑了冠状面的矫形效果，在其他平面的形变效果是不能确定的。目前也没有涉及旋转畸形的矫正，这是需要继续研究的。

此次试验方法也可以用于设计其他类型的支具，随着技术的成熟，细节及处理流程会相应的完善。后续还需要利用3D打印技术完成支具的实体制作，测试舒适性，并观察疗效，通过有限元进行生物力学分析，使得效果直观可控，以便研究过程中不断改进。

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