下肢截肢残端超声测量系统研制

下肢截肢残端超声测量系统研制 研究论着一 下肢截肢残端超声测量系统研制 范晓逶郑淑贤赵万华 (1.军事医学科学院实验仪器厂北京市100850;2.西安交通大学机械学院西安市 710049) 摘要应用新技术进行截肢患者残端精确测量及数字化建模,对实现假肢接受腔计 算机辅助盟制造(CAD/CAM) 显得日趋重要.文中提出了利用超声成像技术提取残肢内外轮廓形状实现残肢端 部三维建模的方法并研制开发了一 套超声测量系统. 关键词残肢;接受腔;超声波;测量 中图分类号:R826.68:TP274+53文献标识码:A文章编号:1003— 8868(2006)04-0021-03 DevelopmentofultrasoundmeasurementsystemforresiduaIIowerIimbs FANXiao—Wei'.ZHENGShu—xian,ZHAOWan—hua (1.InstrumentPlant,AcademyofMilitaryMedicalSciences,Beijing100850;2.Machinery College.XianJiaotong University,Xian710049) AbstractItisanimportantapproachforCAD/CAMofprostheticsocketstoestablishdigitalm odelofresiduallowerlimbs fromamputees.Inthisthesis,ultrasonicimagingtechnologyisutilizedtoextracttheinternala ndexternalcontoursofresidual lowerlimbsfortheir3Dmodeling,andanultrasoundmeasurementsystemisdeveloped. Keywordslowerlimb;prostheticsocket;ultrasound;measure 1绪论 据相关资料统计I】l,目前我国残疾人总数已达6000万,占伞 国人口总数的4,897%,有残疾人的家庭占全国家庭总数的 18.10%.其中肢体残疾者有755万,如含综合残疾则达977万,肢 体残疾者占残疾(含综合残疾)人总数的16.30%.由于目前医疗 水平还不能使肢体再牛,为这些截肢患者安装假肢就成了恢复 其行走功能的唯一手段121.假肢又称义肢,是用于截肢者为弥补 其肢体(州肢)缺损而制造装配的人工肢体.装配下肢假肢町弥 补截肢患者F肢缺损,使双下肢等长,恢复站立,行走等人体下 肢功能.下肢假肢主要由接受腔,连接杆,假脚组成四.下肢假肢 接受腔连接残肢与假肢,起传导重力和运动力的作用.假肢的 质量好坏首先取决于假肢接受腔的适配性,如果假肢接受腔不 能很好地适配于残肢,再好的零部件也无法充分发挥其作用和 优势. 随着假肢技术及计算机技术的发展,计算机辅助设计和 制造(CAD/CAM)技术在20世纪8O年代初开始用于假肢行业. 经过几十年的发展,CAD/CAM在接受腔的设计和制造中有了 很人的进展.该系统能够克服手工制作的缺点,发挥计算机能 够记忆储存和分析的优点,提高了设计效率和质最,减少了对 操作者知识和经验的要求II.系统包括4部分.第一部分是残肢 轮廓形状的采集和数字化.一种方法是通过测量残肢上的一 些重要尺寸来近似产生残肢的形状.Ft前常用的是接触式或 非接触式扫描仪或数字化仪,来测量残肢阴模的形状或直接从 残肢上测量.第二部分是计算机辅助设计.根据残肢的形状来 设计接受腔的形状.第三部分是阳模的自动形成.将设计好的 接受腔的形状送到数控成型机床制成接受腔的阳模.第四部 分是接受腔的快速真空热成型同.为适应接受腔CAD/CAM技术 的发展,对残肢进行皮肤及骨骼测量,建立三维数字模型的研 作者简介:范晓遥,硕士研究生,高级工程师+主要从事医学实验仪器的 研究设计工作.本课由国家863计划项目(2002AA421130)资助. 究几趋重要. 目前提取患者残肢端部内外轮廓(皮肤及骨骼轮廓)数据 的方法主要包括计算机断层扫描(CT)技术I6,7]以及核磁共振 (MRI)扫描技术嘲,应用扫描方法虽然可以快速地提取残肢端 部皮肤,骨骼及软组织维数据,重构出残端三维轮廓模型, 但是,扫描价格昂贵,测量时间长.CT扫描在数据采集过程中 对人体还存在大量辐射.目前卜述2种扫描方法仅应用于医学 研究领域,还不能够真正膻用于假肢接受腔的生产加工领域. 本文将超声波图像数据采集原理应用于残肢端部内外轮 廓形状的提取19],设计开发出一套用于进行残肢内外轮廓测量 的超声波人体残肢数据采集系统.该系统应用成本低廉,操作 简单,无辐射,可提取患者下肢残端的内外轮廓图像数据,为 患者假肢接收腔的计算机辅助设计及制造(CAD/CAM)提供原 始数据. 2测量系统设计 2.1系统图像采集原理 超声波作为一种高频变化的压力,在进行人体组织 时,从超声探头发出的超声波以波动形式向人体(介质)内部 行进并带入声能,由于超声波携带声能,在其传播过程中必然 受到损失II,使声强逐渐降低,因此,其穿透力有限,并且在空 气和骨骼中衰减严重,难以穿透骨骼其后面的组织成像,同时 受超声探失尺寸局限,故单帧图像H携带被测量肢体的部分 骨骼和皮肤轮廓信息. 由丁超声波在空气中的衰减特别大,不能在空气中进行 测量,超声探头必须通过耦合介质对人体组织器官进行检测 成像.传统超声探查方式为在患者需检杏部位的皮肤上涂以 耦合剂,使探头与皮肤接触良好,两者间不存留空气,以免超 声衰减.使用该方式对患者进行检查,可获得人体内部组织器 官图像,由于探头的挤压使皮肤面产生变形无法获得皮肤 的真实轮廓.为获得残肢端部皮肤真实轮廓图像,要求超声探 医疗卫生装备?2006年第27卷第4期,)1 ChineseMedica『EquipmentJoumaI?2006Vol27NO4'-I 一 研究论着 :?:?4爿,:I卅:?.1=|?】: 头在进行图像截取时不能与残肢接触,需要采用水耦合非接 触式测量.耦合剂为水,测量时要求超声探头与被测残肢一同 放入水中进行图像采集 ,\ /箨未藉 被测物 .体截面 , \,\ 摊头旋, ,转中心1 7 I探头旋r #/ 探头测/ 量范围/ /? 图1旋转测量法原理图 为了获得患 者残肢?个截面 完整的超声信息 图像,需要对该截 面进行不同角度, 多帧的超声图像 采集.超声测晕系 统应用旋转测=最 法对残肢进行各 个截面的超声图 像获取…I.旋转测 量法工作原理如 图1所示:超声探 头与被测物体保 持垂直,以每.的间隔绕物体一周进行横向扫描,每旋转.即 采集一幅图像,共采集k=360..幅物体图像,从而获得该物体 截面完整图像信息.理论上越小所得图像的精度越高,f目测 最的时间越长. 2-2系统组成结构 整个超声波人体残肢测量系统结构如图2所示,主要由医 学影像工作站(GK一3ooOB),B型超声诊断仪(PL一2018),残肢 测量装置及工控机4大部分组成. 图2超声测量系统结构图 A.医学影像丁作站B.B型超声诊断仪C残肢测量装置DT控机 GK一3000B型医学影像工作站:由视频转换卡,工作站主 机,系统分析软件等组成.该仪器通过视频接口与B超相连,对 B超探测到的I利像进行全数宁捕捉,存储,并利用相关图形处 理软件对采集到的残肢图形进行处理,从而获得残肢任意截 面的内轮廓组织图像. PL-2018型B型超声诊断仪:主要用于对残肢进行横向断 面扫描,获得残肢的内外部组织图像. 工控机:主要用于对步进电机进行控制,保证超声测量的 位置精度. 残肢测量装置:为整个系统的重要部分,是残肢超声测量 的主要载体.其结构的合理性决定了残肢内外部结构测量效 果的好坏. 该装置运动过程为:储液桶盛满洁净温水;患者残肢浸没 ,),)医疗卫生装备-2006年第27卷第4期 —— ChineseMedicalEquipmentJoumaI?2006Vo1.27NO.4 在储液桶中,保持残肢位置不动;在直线运动部件带动下,经 密封防水处理的超声探头浸入桶中,以5ram垂直间隔在不同 的水甲而对残肢进行纵向扫描;在每一个水平面上,步进电机 (控制旋转运动),旋转传动装置以及回旋盘组成的控制旋转 部件,控制整个桶体作旋转运动,系统进行旋转定位,使超声 探又以每.的间隔绕着残肢进行横向扫描并抉得该角度截取 的残肢内外轮廓图像,在每一水平面上将得~lJ360./.帧图像. 将这些图像进行复合,获得这一截而的内外轮廓图像.对多幅 纵向扫描图像进行融合,就能得到残肢内外轮廓形状. 装置支架作为整个装置的承重载体,步进电机驱动器及 相应控制元件置丁其上,用于控制2个步进电机进行精确动 作,从而保证测量的精确性,残肢定位托盘用于承托患者残 肢,保证进行超声测量时残肢保持棚对位置不变,从而保汪测 量的准确性. 2.3测量设计 超声波人体残肢测量系统的工作运行路线如图3所示. ?阿形【.作 蚺,B超机【. 控帆&超卢 侧?蕞I址f 持机{7状岳 硅胜患者特硅 脏放^沣椭温 水的储醯椭中 蚌叫窟 触声撵头剥整 州拽肚辟需r 部作为洲咕虐 蚺位? _峒肯趔声断 仪使刚像清晰 嘲彤I.作站.配 取超声图像井 储存 lll厂__! 测蜮I.作结啦 患者残肢移出 在目*L作 理鞔什H缸雕 披'慷轩拼 接台也理计 {特桩挺啦 避打残肚端邬 的维置构 图3残肢测量工作运行图 测最从患者残肢膝盖上.方开始,测量时保证探头与被测 残肢部位均浸没在水中;每个测量层面,测量角度为9.,每个 测茸层而共截取图像40帧;每测量完一个层而,探头逆时针旋 转360.复位;各个测量层面间距设为2ram,每个层面测量完成 后,探头直线下降2ram,进行下一个残肢层面的测量;测量进 行至患者残肢端部结束;测捃的患者残肢层面约60层左右.测 量结束后进行图像复合,以获得残肢截面二维图像并用反求 技术重建残肢内外轮廓三维结构. 3结论 本文研发的人体下肢截肢端部超声测量系统,整个系统 生产维护成本低廉,操作简洁方便,对人体无辐射损害,通过 该系统口J获得残肢 患者下肢截肢残端箍茁 骨骼及皮肤的内外 轮廓图像,通过三维 重构可反求出截肢 残端的三维模型并 町直接应用十假肢 接受腔的计算机辅 助设汁及制造.图4图4截肢残端三维反求模型 为应用该系统获得的原始数据反(下转第65页) 1./一 ./, #\ , \ 时雎一一电测线制一时运一一,一相引位一一道肘拧一线皿一一削咖,一"时复 [通器竹朴l_L头亢[?I_L舢蚴 ,,一一,一,一,一,一一一一,一, 医械l临床…… I)PV,I)SV,I'VX,sPVX,Q}Jv,Qv均较术后2w高,但两者比较差 无{等~(t/ff分刖为0.449,0.804,0356,0.959,0.291,0.186, P>0.05)m液功J:参数表1. 表1PSE前与后肝硬化门静脉高压血流动力学参数(i士s) l圳1)I'V()I)SVfnln1)PVX(cm^) 水tiff1338~I4I1067+2301756t374 6q7~fll438~27IJ068~356 Q(1min) 7489i-6366 4o83~32l4 4I】4~3l25 (2)_jJ]静脉商JIij!器十【J芰症状的变化:15例术前有上消 化道tP.史,随1年尤复发18例术前有腹水的患者术后明 改蓠,lflll6例腹水消失 (3)心经PSE治,后十2W,4W,15W检测血清A,白蛋 白,胆红装发观肝功能好转率为36.7%,正常率为46.7%.肝炎 好转卒y,j53-3%,经统汁学处理,SPE治疗后肝功能较治疗前好 转棼显着(x2=4.10,}'<0.05),肝炎好转率较显着(x=5.97,P< 0.01)..J参数见表2. 表2门静脉高压症患者SPE前后不同 时间的ALT和白墨白变化情况(x?s) 椅删珩h;求水h2W术4W求I5W ^I10t5I368935~293584~3I3467~265 1lh?,I9t43323~32358十4436,4t49 x4I()l'f(I.(15.+X5971?<01)I 3讨论 门静脉血流量增加足 门静脉高形成的乇要原 闲之.脾静脉的血流是 组成门静脉血流的主要部 分脾静脉m流i}的变化对门静脉压力的高低有重要影响.刖: 硬化患胛静脉嗣?J静脉血流及其比值(QdQ.,)与肝脏储备 功能(:l1i1【I—I】ugh分级的系斜切相关{41,研究资料显示:随着 Q/Q的升高,硬化患青的月l功能断下降,QJQ能较准确 地提爪月lF硬化患斤的月f:功能状念,是冈为脾静脉是门静脉的1 个JE常璎的属支,者流动力学关系密切.正常情况下, fJ静脉低r脾静脉内压,故脾静脉的血流回流入?静脉, f:硬化时,山影响fJ静脉系统血流循环的肝脏病变长时 问停,脾静脉血流叫流阿1断增』Jf1,导致脾静脉血流量代 偿惮增JJlJ..义山fJ静脉内力持续升高,血流通过侧枝循环 分流增多,导致川静脉l0l流卜降,此,QJQ升高.随着肝 硬化患者肝功能损害的逐渐加重,脾静脉[仉流fl}^?静脉血 流量的比值越来越高,使得肝功能状?益化彩色彩普勒 超卢测量门静脉系统及其血流动力指怀比较简便,快速,准 确,无创伤,可反复操作,J}J'判断御化心的肝功能状 态足1个较好的临床手段.LinkI用数化『U说饼测定仪 VDT结合DSA监测,保证郜分脾动脉抢塞j的牌功脉{j}c量降 到基础量的50%,门静脉压J得到IJ』J降低我仃JI分柃褒牌 动脉后,通过彩色多普勒超声洲fJ静脉系统其血流动力 学证实门静脉血流动力学指标均r群,术ljifI七较差异有显 着性意义(P<0.OO1),术后4w)72W比较,苷_尢并件意义(}】> 0.05),肝功能指标ALT术后较术胁日月降低(P<0.05),门蚩白 较术前明显增加(P<O.O1).山此口J.知l能有效断邡分牌动 脉血流,减少脾脏供血量,降低fJ静脉,…此』冉敬地改 善门静脉高压患者临床症状及肝功能状况此,我1认为 PSE是肝硬化门静脉高压患者最有效的渝法之一,对床 症状和肝功能的改善具有重爱患义 参考文献 1Kaiho|r.MyazakiM,linumaK,ela1.Io/]g【rfJprognosisofidio pathieLhromh0c)r【0penjcpu~mratreate(Ilypartialsplenicem1)oliza— tion【J1.MpponGekaGakkaiZasshi,1993,94(3):383 2程水德,张正国,陶正龙,等.肝脾动脉似栓糍jnj发Jjf糖tf 的应用?.中华消化杂志,1995(2):121—123 3朱建新,侯淑琴.李彦豪.肝胰疾病介入治疗技术fM州:』'尔科 技出版社,1996.144~149 4QINYou--jttB.1't.Correlativestudybetweenhemodyuamk:sofIrIl veinsystemandChild—PLghinpal『1fHwitheirdmsisChinJClini Hepato1.February,2004,20(1):21~22 5王申德,吴福仓,陈巧直,等.部分性脾伶崔术刈fJ脉m流动力学的 定量观察fJ1.中国煤炭T业医学尔忐,2005,8(2):I76-177 6LinkDP,SerbertJA,GouldJ,eta1.(1inemunitoringutsequential bloodflowreducionduringsplenaieemboizat_IJI1….ActaHa(tiologi- ca,1988,30(5):101 (2095—08—25收稿2006—03一I7修|I51) +一十一十一+"+一十*+-+一+一+一+一+一+n+-+--1=+一+一+一-1=一+一+-+-+--1=一+一+一+一+一+一+一+-+一十一十一十"十"十一十一—r一十"—._—+一十十 (一?上接第22页??) 求…的患者敝H支戏端内外轮廓二维卡}l. 真实地反映了患者截肢 罔巾皮肤肢骨骼轮廓清晰光滑, 残端形状结十句埘过埘截肢患者哉肢残端的测量试验,明该 删盟系统廊用丁残且芷测切实可,为我国假肢行业的产业 化,现代化提供J一定的借鉴 参考文献 J十:I龙.康轻评定fE京:人比Eli版社,2000.220~225 2报蜓林,盒『,张宁光.人体下肢假肢发展概况.佳木斯大学 (f1然科版),2002,20(I):336~340 3服部郎,细JI『忠义,和才菇?甜.康复技术伞书.周天健译.北京:北 'j版礼,1989.335,369 4『喜太,f4和,杨鹏,等.似胜接受腔计算机辅助没计与制造系统 的研制.rf1哪临J束康复,2002,6:2998,2999 5张lIJj,麦".j达假肢接受腔的汁箅机辅助设计和庇力分析模型fJ]. 现代康复,2000,4(2):192,l93 6FaulknerV,WalshN,GallN.Cotnputerize({tomograpllyasallaidectJ prostheticsocketdesign[J].RehabilRcs1)tv,1986.24,28 7FaulknerVW,WalshNEComputerdesigne(1lJrostheties()('ketfroul analysisofcomputedtomographydatalJIIrosthetOrthot,1989(1):154, 164 8LeeVSP,SolomonidisSE,SpcnccW1)Magltetiere~soflaflceimaging l1fthetrans-femoralresidual1imb.Proc8thWornCongressoflSP0, 1995.127 9PingHe,KefuXue,QunChen,etalAPCbaseduhrasoniedata acquisitionsystemforcomputer-aidedprusthctit.SOl!kIfIkHign.IEEE Transaeti0nonRehabilitationEnginee)ing,I996,I4(2):I14-119 10OhergK.KofmanJ.KarissonA,eta1.TheCAI'ODsystemaSeandi navianCAD/CAMsvstettlr0rprost1)cti(-so(:kcls『Jf.t'rosthetOrthot, l989(1):139~48 1l周永昌.超声医学.北京:科学技术义献…版祉,J998.1512 (2005—06—03lI堑稿2006—02—27修l-f) 医疗卫生装备?2006年第27卷第4期 ChineseMedicalEquipmentJournal?2006Vol27No4uu :35 ,卯删一 ?一蚍吣一?