手部矫形器逆向工程和3D打印过程的关键分析

摘要

由于低成本3D打印技术的广泛普及，实现高度定制的矫形器的可能性正在得到提高。然而，使用3D打印机快速成型(RP)只是患者个性化矫形过程的最后阶段。逆向工程(RE)过程实际上是在RP之前必不可少的，数字化感兴趣的三维解剖，并使用合适的建模软件对获得的表面进行处理，以生成待打印的矫形器的虚拟实体模型。在本文中，我们关注的是手部矫形器定制生产的具体和苛刻的情况。我们设计和测试整个生产过程的关键步骤，特别强调前臂几何形状的准确获取和随后生产的可打印的矫形器模型。各种硬件和软件工具(3D扫描仪、建模软件和FDM打印机)的选择旨在降低设计和生产成本，同时保证适当水平的数据准确性、处理效率和设计多功能性。最后，对所提出的方法进行批判性分析，从而突出剩余问题和关键方面，以便讨论可能的替代方法，并得出深刻的观察，以指导未来的研究活动。

1.介绍

在骨科和康复领域，新型增材制造(AM)技术的发展，特别是3D打印机的普及，日益影响患者护理的个性化。正如Negi等人所证明的[1和Hieu等人[2[各种快速原型（RP）技术可在医疗领域采用。特别是，鉴于可用材料的连续演变和各种AM技术的装置和生产成本的连续演变和降低各种AM技术的设备和生产成本，预计3D打印机的使用预计其扩散将在不久的将来迅速增加。

如果是使用AM过程允许获得高水平的定制，则这要求首先生成要实现的矫形器的几何模型（3D打印）。因此，需要逆向工程（RE）过程之前实施阶段。3D印刷技术的矫形器RE / RP的三个主要阶段可以如下概述：（1）采用光学3D扫描仪获取感兴趣的解剖学的3D几何。（２）通过专用软件（包括CAD 3D Modeler）处理所获取的数据。(3）使用3D打印机实现矫形器。虽然在第三阶段，可以根据具体的需求和可用的、可识别的AM技术选择合适的(可能是低成本的)硬件，但前两个阶段远远不是不言自明的。事实上，对于第一阶段，有各种可能的获取技术(例如，结构形式运动和密集立体成像，飞行时间范围成像，激光扫描仪，和结构光扫描仪)和模式(例如，静态多视图或实时增量获取)，它们在度量精度、硬件和软件成本以及易用性方面可以对应非常不同的功能组合。

同样，选择最合适的3D加工和建模工具严格依赖于一组丰富的参数，包括采集设备和生成的数据特征，以及临床或设计的要求和约束。通过对文献的分析，我们基本上可以采用两种不同的方法:（1）正如Paolusek等人所讨论的[3.，可以遵循传统的工业RE方法:这涉及使用通用的3D CAD建模软件(使用相对复杂和/或昂贵的获取)对矫形器的细节建模。（２）Paterson等人讨论过[4.可以为特定的矫形器应用开发专用的CAD软件(这可能有更直接的用途，但非常有针对性，因此使用有限，除了可能更贵)。专注于上肢(前臂、手腕或手)的矫形器，我们承认存在关于各种3D打印技术在定制矫形器RP中的适用性的比较研究(如Paterson等人所述)。[5.和nei等人[1])。然而，很少有人关注前臂形态的新采集方法的发展，以及新的后续数据处理和3D建模解决方案的定义。事实上,有偏见的利益向3 d打印技术在生物医学领域的进化可能是合理的从亲密到最终产品(例如,矫形器),而适当的发展的重要性3 d数据的采集和处理技术可以更难以察觉,他们很自然地倾向于简单地从制造业典型的RE流程中借鉴知识。

前臂、腕部和手部矫形器是矫正和治疗器械，可用于多种疾病和暂时性或永久性残疾。6.])。对评估各种预制的矫形器,可以选择只对他们可用的大小,高水平的设计和制造个性化可以被视为支持问题的解决方面相关的遵从性和耐受性水平长期使用这些设备。事实上，一个主要的要求是舒适(正如Andringa等人所描述的[7.])，而高度定制的矫形器，通过准确的解剖学获取成为可能，旨在精确地优化对解剖学的适应，并可指导避免压力点和其他疼痛和不适因素。此外，包括高度个性化和可能独立的手指管理的可能性增加了患者护理的可能性，例如，在处理截瘫/偏瘫受试者(抗痉挛纠正，卒中后康复)，并可以实现尚未考虑或试验的解决方案，至少是大规模的。

在这项工作中，我们在工业类型的RE/RP过程中实施并严格审查了手矫形器(包括手指)的生产阶段。我们使用新的光学三维扫描仪扫描箱，一些最近发展的刚性和可变形扫描对准解决方案犀牛CAD软件和Stratasys Dimension BST 1200es3 d打印机。之所以选择这些元素，是因为相对于现有技术而言，它们都可以考虑和定位在低成本范围内，同时，无论是单独还是结合在一起，它们都确保了目标RE/RP工艺的高精确度和良好的多功能性。在此框架的基础上，本文的进一步目标是强调传统稀土工艺(指为工业用途开发的工艺)一旦应用于目标医疗应用的关键问题。这项工作提出的建议旨在促进和指导进一步的研究和实验工作。特别注意的是3D数据处理阶段。

2.材料和方法

在本节中，我们将根据上述三个步骤，从患者解剖的逆向工程开始，完成一个个性化的手部矫形器的生产过程。

2.1。3D解剖学习得

这一阶段的目的是使用光学扫描仪对手/手腕进行精确的解剖数字化，这是一种有趣的性价比组合。扫描是针对一个独立的或部分维持的手臂进行的(我们既没有阻塞手臂也没有阻塞手)。因此，在扫描过程中不可避免地出现相对于参考位置的轻微非自主运动，这就有必要避免使获取失效。

我们使用新的低成本结构光光学三维扫描仪扫描箱(意大利openttechnologies srl)http://www.scaninabox.com/)来获取距离图像，这些图像有助于创建下肢的三角形网格。这种轻型可重新配置的扫描仪在大约4秒内执行高分辨率结构光扫描，保证了一个公制精度到0.1%的对象大小(在我们的情况下，这意味着大约0.2毫米)。该扫描仪配有交互式软件，处理测量过程和处理获得的数据，包括范围图像清洗，对齐，网格生成，基本网格修复工具，和各种数据导出格式。

3D网格(通常为STL格式)是矫形器后续设计和打印阶段所需要的。在此之前，通过对从不同角度获取的不同范围扫描进行比对，创建一个累积点云，以保证感兴趣的解剖区域的完整覆盖。更详细地说，我们报告了一个实现了以下步骤的示例:(我)在从4个有利位置的椅子上采集的前臂采集地获得整个解剖覆盖率。根据下一个所需的Vantage点，扫描仪在肢体周围重新定位，总扫描时间约为2分钟。这与许多临床情况兼容。但是，由于每个单个范围图像都是用自己的坐标系引用的，因此需要对齐各种扫描（图1（a））.(2)在从不需要的背景中清除每次扫描后(使用扫描仪软件)，使用Bonarrigo等人所述的技术获得了距离图像的完全自动粗对准。8.基于自动检测局部几何特征之间的对应关系，对视点变化和部分变形具有鲁棒性，从而保证可靠和鲁棒的对齐。考虑到所需的扫描次数较少，这一步可以由扫描仪软件提供的方便的手动校准来替代，额外的时间成本约为10分钟。结果对齐后的图像集如图所示1（b）．（iii）在扫描时间期间维持完全固定位置的不可能确定不同范围图像的手指的位置之间的差异。这在图中清晰可见1（b）．我们通过应用Bonarrigo等人所描述的尽可能刚性的局部变形对齐技术解决了这个问题。9.允许不同扫描相对于参考扫描的可变形对齐。该方法能够补偿采集数据所表现出的各种运动和变形，这是通过非线性、物理启发的变形正则化实现的。该曲面被离散为一个部分重叠的斑块层次，每个斑块通过最小化全局目标函数找到一个独特的刚性变换，该目标函数考虑了精确对齐的需要和变形场的规律性。然后使用对偶四元数插值以刚性方式将所得的刚性变换扩展到所有样本点。由于这种尽可能刚性的变形，这种动态配准避免了不必要的失真，并忠实地保留了几何特征。如图所示1 (c)，这允许适当的运动补偿对齐，而不会对几何精度有任何不利影响。(iv)扫描仪软件允许在三维三角形网格中直接转换对齐的扫描(即累积点云)(图1 (d)）.这样的网格是后续通过3D CAD软件对定制的手部矫形器建模所需要的。(v)最终的网格经过了优化(边界正规化)，并通过自动固定工具RameshCleaner修复了其缺陷(如Centin和Signoroni所描述的[10.])。这是一组结构化的有效固定策略，最大限度地保存原始数据，同时有效地解决了几个重要和典型的网格弱点(可能的洞、退化三角形、折叠或尖刺)。没有必要进行其他优化操作。完成上述所有操作的总时间约为1 h 30 min，细分如下:多姿态手采集数据清洗和刚性对齐15 min，精细变形对齐15 min，网格创建、正规化和修复约1 h。

2.2。三维CAD模型的手矫形矫形器

这犀牛使用CAD软件导入之前获得的三角网格(STL)，并使用其专用工具导出曲面的NURBS表示。然后，通过对重建曲面的建模，得到待打印矫形器的实体几何形状。具体而言，已进行的行动如下:(我)进口网孔采用2-3毫米的偏移量。这对于在手和矫形器内表面之间创造一个适应空间是必要的，以避免不适和防止/忍受生理肿胀(图)2(一个)）.(2)经过处理的三角网格通过专用工具自动转换为数学NURBS曲面(RhinoResurf)集成在CAD软件中(图2 (b)）.对于之前优化的网格进行NURBS转换，我们使用了以下参数RhinoResurf插件:最大公差0.5 mm，光滑“中等”。用这些系数，平均(最大)网格到表面点的偏差是0.076 mm (0.497 mm)。通过重构得到的NURBS曲面参数为“: degree = 3 num. "CV = 31(0≤≤203.085），“: degree = 3 num. "CV = 31(0≤≤296.855)。（iii）提取网格边界在CAD表面(手的形状)上的投影曲线，并设计在手指区域的CAD表面上投影的闭合曲线(图)2 (c)）.需要这些曲线来在各种手指之间形成连接表面，以使矫形器变硬。(iv)对CAD曲面进行整形切割并加厚4 mm(实体偏移操作)，以获得矫形器的实体体积(图)2 (d)）.(v)为了在矫形器上实现美白和皮肤呼吸孔，在前臂和手掌区域进行了重复的体积减除手术(如圆柱体交叉)(图)2 (e)）.(vi)为了实现紧固带的壳槽，在矫形器上进行了另一次体积减运算，此时完成了CAD模型(图)2 (f)）.完成所有上述操作的总时间约为2小时（这可以根据操作员的熟练度而变化）。

2．3.三维打印中CAD矫形模型的反转换

在矫形器实现过程的最后阶段，我们必须在三角网格中转换并导出优化的3D CAD模型（图3(一个)3D打印所需的格式（STL），如图所示3 (b)那3 (c),3 (d)．在我们的案例中，使用ABS材料(ABSplus，抗拉强度:37 MPa)的FDM打印机(Stratasys“Dimension BST 1200es”)，层厚为0.254 mm，尺寸为254 × 254 × 305 mm。

打印原型的前臂调节没有一个最佳长度(图3 (d)）;这只是由于使用的打印机的可用打印面积有限(图3 (b)）.

总打印时间约为11个小时。汇总所有的采购、建模和打印阶段，我们得到约1个工作日的交货期(以打印时间为主)。这可以被认为是可容忍的，并与临床和患者的需要相兼容。这里不考虑可能的收尾阶段，但读者可以参考Palousek等人[3.]．

3.讨论

一方面,我们可以看看上面描述的方法作为几何满意和鼓舞人心的方式生产的矫形器,必须导致良好的之间的权衡高精度(病人的生殖解剖学)和低成本(硬件和软件工具在整个生产链)要求。

以淹没仪的准确性获得手指和手指解剖学，作为所选采集和处理管道允许的手指解剖，无疑是设计和生产具有高度舒适性和宽容性的矫形器的良好起点，并提供机会对于临床医生来表明压力区并创建完全响应治疗需求的矫形器，除了能够为手指忠诚翻译治疗适应症。

然而，我们的工作也很重要，因为它允许突出我们想在接下来的讨论中检查的过程的一些关键方面。我们认为,高度个性化的矫形器的生产仍然是非常具有挑战性的,提出了开放的问题,可以解决和解决只有通过认真、深入不同专业之间的跨学科工作领域的矫形手术和康复,机械和材料科学,计算机视觉,和几何处理。

3．1.扫描前臂和扫描对齐

手部的形态复杂性要求从不同的有利位置获取更大范围的图像。因此，受试者必须在一定的时间内(一到两分钟)保持肢体和手的稳定。如果手没有受到严格的约束，不自主的运动会产生扫描偏差，特别是在手指区域。使用一种创新的可变形对齐技术(如Bonarrigo等人所述)[9.)使我们克服了通常认为的使用静态光学扫描仪进行身体扫描的主要问题(如帕特森等人所描述的[11.， Bibb等[12.， zou等人[13.])。在这项工作中使用的扫描仪还有一个额外的特点，即重量轻，因此很容易在肢体周围重新定位。

可能的替代扫描技术是那些用立体摄影原理操作的技术。它们通常是能够在瞬间拍摄的特定设备(这样运动问题就内在地解决了)，同时拍摄多视图图像，估计并生成3D表面(如Paterson等人所描述的)。11.和祖等人[13.])。然而，这些专用系统可能非常昂贵，甚至可能遭受一些通用性和表面覆盖问题，特别是对于复杂几何形状的重建，如手指的情况，甚至限制单面采集。

另一种更近期的替代方案是所谓的实时扫描技术(市场上的设备示例如下:医疗保健合作伙伴3D从Creaform (http://www.creaform3d.com/)，Artec伊娃从Artec3D (https://www.artec3d.com/),Insight3从OpenTechnologies (http://www.scanner3d.it/))，通常是便携式和轻便的光学扫描仪设备操作固定的光模式，在那里获得的视图是不断积累(类似于Izadi等人所描述的[14.)，同时扫描器在感兴趣的物体周围平滑地移动。虽然积累过程不允许过于快速的运动，扫描可以比使用静态设备获得的更快，但不能如避免身体运动问题。在这种情况下，标称扫描器的精度可能会受到影响，因为取决于运动的实体，视图积累过程中的补偿机制可能会引入与真实几何形状不可忽略的偏差。这可能会产生一种矫形器，导致身体某些部位的不适甚至不必要的压迫。此外，相对于本工作中所选择的系统，这些系统的价格仍然要昂贵得多。

3．2．矫形器三维CAD建模

在RE环境中使用3D CAD建模软件是典型的。然而，它的使用需要临床医生和矫形/矫形技术人员的特殊技能。因此，康复机构(无论是临床机构还是外部服务机构)，即使配备了适当的硬件(3D扫描仪和3D打印机)，也不能自给自足(除非投资于熟练的CAD技术人员)，以实现使用AM流程定制的具有成本效益的矫正器生产。

相反，传统CAD系统的潜力仅在所考虑的过程中得到了边际的开发:建模过程只需要基本的命令(偏移，图2(一个)增厚,图2 (d)、切、图2 (e)等等)或执行非常具体的任务(加强手指区域，图2 (c)）.有趣的是，最复杂的阶段仍然是将三角形网格转换为数学表面表示(图2 (b)）.这个操作通常留给特定的插件，其质量是选择CAD系统的主要指导因素。

很明显，从3D打印的角度来看，3D域转换(STL-CAD-STL)并不是严格要求的，但对于典型RE方法中用于处理数据的软件类型(3D CAD)来说，这是必要的。然而，对于矫形器的设计和生产链来说，这在程序上和经济上都是额外的负担。直接在3D网格上执行基本建模操作的能力似乎是一个特别有趣和令人满意的机会。

通过适当和方便的界面直接操作扫描仪产生的网格的可能性也将使这些编辑工具甚至对非技术CAD人员可用。事实上，直接在网格上工作的系统已经存在，但它们要么是通用的创造性网格雕刻工具(例如，Autodesk Meshmixer，http://www.meshmixer.com/)，不是专门为临床使用而设计的，或者它们是面向临床的工具，但在这种情况下，它们通常非常具体，并且垂直于单个应用程序。这就是为什么通过适当的接口，临床领域的从业者和技术人员可以很容易地利用网格编辑系统来设计和生产可打印的STL矫形器模型的原因。

3．3.3 d打印技术

使用低成本3D打印机(FDM技术)会导致一些细节的几何定义受到限制。例如，根据所选打印机的质量、分辨率和材料，矫正器上的发光孔和通气孔的尺寸可以优化(更小或不同的纹理)(见Paterson等人[4.])。替代但目前更昂贵的3D印刷技术可以通过更高的分辨率产生矫形器，并由具有比ABS更好的性能的材料制成。

3.4。进一步的考虑因素

在康复中，例如必须处理痉挛性症状（由脑瘫或卒中结果引起的），并不总是可以在矫形器的所需工作位置中获取独立手的扫描。在这些情况下，临床医生利用胶带和临时支撑系统来获取前臂和手部解剖学在所需位置。

然而，这可能并不总是以简单且准确的方式完成，因此合适的网格变形工具的可用性（类似于已经看到或专门通过铰接式变形模型的那些）可能成为从业者的绝佳机会。例如，这将使能够根据可能渐进的，纠正标准实现角度地调节手指的位置。这些调整也可以针对影响患者依从性的舒适问题（如andringa等人所述。[7.])。

4。结论

通过对手部矫形器RE/RP过程的分析和实验考虑，我们得出了以下主要结论和见解:(我)对于前臂解剖的数字化，我们已经确定了低成本的光学三维扫描解决方案，能够保证单次扫描的高度准确性。(2)基于特征的多视图自动粗配准方法和变形对齐软件都可以用于恢复扫描的忠实和准确的对齐，包括复杂的手指区域，针对不可避免的肢体和手指的轻微运动，以一种弹性的方式。因此，在采集过程中使用胶带或特殊的固定器系统固定肢体和手指并不是严格必要的(除非临床医生为矫正目的特别要求)。（iii）如果有一个软件能够直接在三角网格(STL)上执行所需的建模操作，则无需使用3D CAD建模器导入并处理作为解剖数字化产品获得的三角网格。(iv)该软件还可以根据临床医生确定的康复需要，在获得的解剖学上纠正手指的角度位置。文献中的大多数工作都考虑了定制腕部固定夹板的生产过程，其中手指被故意留作自由活动。然而，由于人口老龄化，对中风患者的治疗也变得越来越重要。对于这些患者，矫形康复的目的是治疗整个腕-手复合体以及手指的痉挛。这些考虑揭示了几个悬而未决的问题，并建议有必要继续进行研究，以开发新的数据处理软件和成本效益高的RE/RP方法，为特定的临床需求和矫形技术人员的可用性需求提供更好的答案。

相互竞争的利益

两位作者宣称他们没有相互竞争的利益。

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