CN100363848C - 假肢接受腔快速成型装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种假肢接受腔快速成型装置，包括肢体残端数据测量装置、计算机、接受腔阳模加工装置。先将截肢者肢体残端的信息经肢体残端数据测量装置测量或扫描，并将测量或扫描的残端三维模型信息输入到计算机中，运用接受腔计算机辅助设计软件，根据残肢的形状、患者的舒适度以及残端的生物力学特征人机交互建立接受腔的模型，然后将接受腔模型数据输入到接受腔辅助制造软件中，驱动接受腔阳模加工装置加工假肢接受腔阳模。本发明综合利用了计算机辅助设计(CAD)技术、先进制造技术和生物医学技术，充分考虑了截肢者的穿戴舒适程度以及残端生物力学特点，克服了传统制作假肢接受腔时残肢形状信息易丢失或扭曲，配制的重复性差，存在测量误差等缺点，提高了假肢接受腔一次成功率，降低了成本，促进了假肢接受腔计算机辅助设计(CASD)和接受腔计算机辅助制造(CASM)在我国的应用。

Description

假肢接受腔快速成型装置

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，是一种借助于计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术来制作假肢接受腔的快速成型的制作方法，具体地说是指一种假肢接受腔快速成型装置。

背景技术

传统接受腔的制作是采用石膏绷带取形，手工修改，制作工艺相当复杂，残肢形状信息易丢失或扭曲，配制的重复性差，存在测量误差等缺点。

计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制作(CAM)的应用能够针对残肢的形状产生更好的设计，更快的制作时间以及运用计算机作为模型储存中心建立可重用模型，提高了假肢接受腔一次制作的成功率，降低了成本。

发明内容

本发明的目的是公开一种利用计算机辅助设计CAD和计算机辅助制造CAM技术制作假肢接受腔的医疗加工装置，即接受腔快速成型装置。本发明有效提高了假肢接受腔一次制作成型，解决了残端信息易丢失或扭曲，配制重复性差，测量误差等缺点，使假肢制作成功率得到提高，成本降低。

本发明的假肢接受腔快速成型装置，包括肢体残端数据测量装置、计算机、接受腔阳模加工装置，计算机安装在接受腔阳模加工装置上，肢体残端数据测量装置与计算机实现残端三维模型数据交换连接。计算机内安装有接受腔计算机辅助设计程序和计算机辅助制造程序，接受腔计算机辅助设计程序实现将由肢体残端数据测量装置测量或扫描的肢体残端信息重建成三维模型数据，并对其进行设计成符合生物力学特征的待加工模型；计算机辅助制造程序接受上述待加工模型数据，并根据接受腔的三维模型数据利用接受腔阳模加工装置控制加工过程。将残端三维模型数据输入到计算机中，运用接受腔计算机辅助设计程序设计接受腔的形状，然后将接受腔的残端三维模型数据输入到接受腔计算机辅助制造程序中，经其处理后，由运动控制卡驱动接受腔阳模加工装置加工假肢接受腔阳模。

本发明的假肢接受腔快速成型装置，充分考虑病人的穿戴假肢的舒适度以及生物力学特征，通过接受腔计算机辅助设计程序建立接受腔的模型。

本发明的假肢接受腔快速成型装置共建一个数据库，避免了数据文件的转换，保证了数据的一致性、安全性和保密性。

本发明的假肢接受腔快速成型装置统一规划接受腔阳模的加工路径，对加工过程进行仿真，缩短了产品的试制时间。

本发明的假肢接受腔快速成型装置综合利用了计算机辅助设计(CAD)技术、曲线曲面造型、生物医学以及先进制造技术等多门学科技术，充分考虑了截肢者的穿戴舒适程度以及残端生物力学特性，克服了传统制作假肢接受腔残肢形状信息易丢失或扭曲，配制的重复性差，存在测量误差等缺点，提高了假肢接受腔一次成功率，降低了成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明工件主轴组件装配图。

图3是本发明刀架组件装配图。

图4是本发明底座组件装配图。

图5是接受腔计算机辅助制造程序的加工流程图。

图中：         1.接受腔阳模加工设备               2.工件主轴组件3.刀架组件       4.底座组件        101.计算机       102.观察窗     103.空气弹簧104.隔板         105.导轨A         106.导轨B        107.导轨C      108.导轨D109.导轨E        110.框体          111.假肢毛坯201.电机A        202.电机座A       203.工件主轴套   204.主轴支架   205.主轴206.轴承A        207.电机轴A       208.三爪卡盘     209.轴承B301.电机B        302.电机座B       303.底板A        304.电机轴B    305.丝杠A306.联轴器A      307.轴承C         308.丝杠支架A    309.丝杠螺母A  310.螺母支架A311.拖板A        312.零位传感器A   313.限位开关A    314.电机C      315.电机座C316.底板B        317.电机轴C       318.丝杠B        319.联轴器B    320.轴承D321.丝杠支架B    322.丝杠螺母B     323.螺母支架B    324.拖板B325.零位传感器B  326.限位开关B     327.轴承E401.电机D        402.电机座D       403.底座         404.电机轴D    405.联轴器C406.丝杠C        407.轴承F         408.丝杠支架C    409.丝杠螺母C  410.螺母支架C411.拖板C        412.零位传感器C   413.限位开关C    414.毛坯支撑架415.滑板         416.刀具主轴      417.刀具

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的假肢接受腔的快速成型装置根据截肢者肢体的残端形状，建立合乎生理的接受腔模型，充分考虑病人的穿戴假肢的舒适度以及生物力学特性，利用计算机辅助设计(CAD)技术建立接受腔计算机辅助设计(CASD)的模型。本发明共建一个数据库，在辅助设计和辅助制造程序中均采用统一的该数据库，这样就避免了数据文件的转换，各部分的数据高度地集成和共享，保证了数据的一致性和安全性。假肢接受腔快速成型装置采用OpenGL库在VC++6.0环境下进行加工过程的模拟，从而判断加工轨迹是否正确，这样验证加工刀位点正确性以及加工参数的合理性，缩短了产品的试制时间，节省了人力、物力。计算机101内安装的程序具有友好的界面设计，***操作界面设计人性化，充分考虑了人的生理习惯。本***提高了假肢接受腔的一次制作的成功率，降低了成本，价格低，适合我国国情。

请参见图1～4所示，本发明是一种用于加工假肢用假肢接受腔快速成型装置，由三维激光测量仪、计算机101、接受腔阳模加工装置1构成，计算机101安装在接受腔阳模加工装置1的框体110左部分上，三维激光测量仪与计算机101通过数据线将实时采集的残端信息输入至计算机101，通过计算机101内安装的CASD和CASM程序实现残端三维模型重建工作和控制假肢接受腔的加工过程。

在本发明中，计算机101内安装有接受腔计算机辅助设计(CASD Computer AidedSocket Design)程序和接受腔计算机辅助制造(CASM  Computer Aided SocketManufacturing)程序。接受腔计算机辅助设计(CASD)程序实现将肢体残端数据测量装置测量或扫描的肢体残端信息重建成三维模型数据，并对其进行设计成符合生物力学特征的待加工模型；接受腔计算机辅助制造(CASM)程序接受上述待加工模型数据，并根据接受的三维模型数据对接受腔阳模加工装置1进行控制加工过程。

在本发明中，接受腔阳模加工装置1，由框体110、工件主轴组件2、刀架组件3、底座组件4构成。该框体110可设计成铝合金框架，其内设有隔板104，导轨，工件主轴组件2安装在隔板104内，即框体110的左部分内，其主轴支架204固定在底座403上，计算机101镶在框体110左上方，其框体110上还设镶有电源开关、电源指示灯按钮、刀具主轴416按钮以及急停按钮等。框体110的正面板上设有玻璃材质的观察窗102，观察窗102由空气弹簧103支撑，空气弹簧103的另一端固定在框体110上。

在本发明中，工件主轴组件2的电机A 201通过电机座A 202、工件主轴套203固定在主轴支架204上，轴支架204固定在底座403上，主轴205与工件主轴套203之间用轴承A 206、轴承B 209连接，工件主轴套203固定在主轴支架204上，主轴205一端与电机轴A 207连接，另一端连有三爪卡盘208，三爪卡盘208穿过隔板104与假肢毛坯111连接。这样电机A 201转动就可以通过主轴205带动三爪卡盘208旋转，三爪卡盘208旋转的同时假肢毛坯111也旋转，这样有利于对假肢毛坯111在计算机101的控制下进行加工。

在本发明中，刀架组件3的电机B 301通过电机座B 302固定在底板A 303上，底板A 303在导轨A105和导轨B106上滑动，电机轴B 304与丝杠A 305由联轴器A306连接，丝杠A 305通过轴承C 307、轴承E 327由丝杠支架A 308、丝杠支架D 328支撑，丝杠支架A 308、丝杠支架D 328固定在底板A 303上，丝杠螺母A 309与螺母支架A 310、拖板A 311固定在一起，拖板B 324上固定有刀具主轴416，刀具主轴416上固定有刀具417，这样电机带动丝杠螺母A 309移动，进而拖板A 311移动，拖板A 311移动刀具417就移动。丝杠A 305的一端装有零位传感器A 312，另一端装有限位开关A 313。当拖板A 311返回零位时，零位传感器A 312将信号输入到控制***，执行回零。当拖板A 311因某些原因出现超程时，限位开关A 313将超程信号传到控制***，执行停止。电机C 314通过电机座C 315固定在底板B 316上，电机轴C 317与丝杠B 318由联轴器B 319连接，丝杠B 318通过轴承D 320、轴承G 329由丝杠支架B 321支撑，丝杠支架B 321固定在底板B 316上，丝杠螺母B 322与螺母支架B 323、拖板B 324固定在一起，这样电机C 314带动丝杠螺母B 322移动，进而拖板B 324移动。丝杠B 318的一端装有零位传感器B 325，另一端装有限位开关B 326。当拖板B 324返回零位时，零位传感器B 325将信号输入到控制***，执行回零。当拖板B 324出现超程时，限位开关B 326将超程信号传到控制***，执行停止。

在本发明中，底座组件4的电机D 401通过电机座D 402固定在底座403上，电机轴D 404与丝杠C 406由联轴器C 405连接，丝杠C 406通过轴承E 407由丝杠支架C 408支撑，丝杠支架C 408固定在底座403上，丝杠螺母C 409与螺母支架C 410、拖板C 411固定在一起，这样电机D 401带动丝杠螺母C 409移动，进而拖板C 411移动。丝杠C 406的一端装有零位传感器C 412，另一端装有限位开关C 413。当拖板C 411返回零位时，零位传感器C 412将信号输入到控制***，执行回零。当拖板C 411因某些原因出现超程时，限位开关C 413将超程信号传到控制***，执行停止。毛坯支撑架414固定在与主轴支架204相对的底座403的一边上，底座403在导轨C107上滑动。

在本发明中，刀架组件3在导轨D 108和导轨E 109上作上下运动，在导轨A 105和导轨B 106上作前后运动，在导轨C 107上通过导轨A 105和导轨B 106用左右运动。

在本发明中，计算机101对接收的肢体残端数据信息进行程序处理，其接受腔计算机辅助设计和计算机辅助制造(CASD/CASM)程序的基本流程：建立病例档案-→采集残端模型数据-→接受腔三维模型建立-→确定加工路径-→仿真加工-→加工模块。其中，两大核心功能是：接受腔三维模型建立和确定加工路径的规划。

下面将以实例进行说明操作过程，实例不能用来限制权利要求所保护的内容。

肢体残端数据测量装置选取三维激光测量仪(IDEA335型测量仪，广州艾的数字技术有限公司生产)。通过三维激光测量仪采集残端的模型数据，通过线路或者网络(具备将数据移动转换到计算机内的工具均可以，如软盘、U盘、移动硬盘等)输入到计算机101中，在模型参考坐标系中，分别得到不同高度处的截面轮廓和围长等特征参数，用于后续重建。计算机101对数据模型存储采用旋转体矩阵方式。根据患者残端的特征尺寸和接受腔类型，从***单位模型DB中选出最为接近的原始模型。针对接受腔各部分(口型圈和接受腔主体)，按照实际病人的采样数据建立模型变换矩阵，完成三维建模。对模型进行交互修改，建立接受腔模型。接受腔三维模型建立后，由接受腔计算机辅助制造程序读取接受腔计算机辅助设计模型数据，规划加工路径，确定加工工艺参数，通过执行接受腔计算机辅助制造程序，得到加工节点数据文件。对模型数据进行分析、处理，为减少控制误差，对加工节点速度进行处理，生成速度文件。采用OpenGL对加工过程进行仿真，判断加工轨迹是否正确，这样验证加工刀位点正确性以及加工参数的合理性，缩短了产品的试制时间，节省了人力、物力。仿真后能够满足要求后，就可以进行接受腔的加工。

在本发明中，对录入患者残肢的形状数据针对不同的采集设备，如手工测量、激光测量、CT扫描等，其数据处理为：

手工测量：得到的残端截面围长数据。简单修正后直接用于后续重建。

激光测量：得到残端表面数据。在模型参考坐标系中，分别得到不同高度处的截面轮廓和围长等特征参数，用于后续重建。

CT扫描：得到残端切片数据。执行图像配准和轮廓提取，得到每张切片上的截面轮廓和围长，利用基于轮廓线的三维重建算法建立初始曲面，用于后续重建。

在本发明中的接受腔计算机辅助设计程序的特点是：(1)数据来源适应性广：手工测量、激光测量、CT扫描；(2)易于存档管理：利用DB实现患者信息、接受腔信息的可重复性；(3)提高配制自动化程度：自动建模、交互修改。

在本发明中的接受腔计算机辅助制造程序总体结构可分为上下位两部分，其中上位软件实现人机交互功能，下位软件实现PCI1240的控制及运动。其中，上层PC软件采用WINDOW2000操作***、C++语言，下层运动控制软件使用PCI1240控制卡专用语言。其基本流程是：(1)输入加工参数，包括加工时间，进给量、加工节点数等。(2)根据CAD模型数据，计算加工刀位点。(3)输入毛坯尺寸参数，选择毛坯。(4)对毛坯进行包容性检查，如果毛坯不能包容零件，则重新选择毛坯；否则执行下一步。(5)进入仿真加工模块进行加工过程的仿真，如果满足要求，执行下一步，否则重新输入加工参数，重复1～4步。(6)执行加工程序。请参见图5所示。

Claims (6)

1.一种用于加工假肢用假肢接受腔快速成型装置，包括肢体残端数据测量装置、计算机，其特征在于：还包括接受腔阳模加工装置(1)，计算机(101)安装在接受腔阳模加工装置(1)的框体(110)上，肢体残端数据测量装置与计算机(101)实现残端三维模型数据输入；

所述计算机内安装有接受腔计算机辅助设计程序(CASD)和接受腔计算机辅助制造程序(CASM)，接受腔计算机辅助设计程序实现将由肢体残端数据测量装置测量或扫描的肢体残端信息重建成三维模型数据，并对其进行设计成符合生物力学特征的待加工模型；接受腔计算机辅助制造程序接受上述待加工模型数据，并根据接受的三维模型数据对接受腔阳模加工装置(1)进行控制加工过程；

所述接受腔阳模加工装置(1)，由框体(110)、工件主轴组件(2)、刀架组件(3)、底座组件(4)构成，框体(110)内设有隔板(104)、以及供刀架组件(3)和底座组件(4)滑动的导轨，框体(1 10)上设有观察窗(102)，观察窗(102)由空气弹簧(103)支撑，空气弹簧(103)的另一端固定在框体(110)上；

所述工件主轴组件(2)的电机A(201)通过电机座A(202)、工件主轴套(203)固定在主轴支架(204)上，主轴支架(204)固定在底座(403)上，主轴(205)与工件主轴套(203)之间用轴承A(206)、轴承B(209)连接，工件主轴套(203)固定在主轴支架(204)上，主轴(205)一端与电机轴A(207)连接，主轴(205)另一端连接三爪卡盘(208)，三爪卡盘(208)穿过隔板(104)与假肢毛坯(111)连接；

所述刀架组件(3)的电机B(301)通过电机座B(302)固定在底板A(303)上，底板A(303)在导轨A(105)和导轨B(106)上滑动，电机轴B(304)与丝杠A(305)由联轴器A(306)连接，丝杠A(305)通过轴承C(307)、轴承E(327)由丝杠支架A(308)、丝杠支架D(328)支撑，丝杠支架A(308)、丝杠支架D(328)固定在底板A(303)上，丝杠螺母A(309)与螺母支架A(310)、拖板A(311)固定在一起，丝杠A(305)的一端装有零位传感器A(312)，另一端装有限位开关A(313)，电机C(314)通过电机座C(315)固定在底板B(316)上，电机轴C(317)与丝杠B(318)由联轴器B(319)连接，丝杠B(318)通过轴承D(320)、轴承G(329)由丝杠支架B(321)支撑，丝杠支架B(321)固定在底板B(316)上，丝杠螺母B(322)与螺母支架B(323)、拖板B(324)固定在一起，拖板B(324)上固定有刀具主轴(416)，刀具主轴(416)上固定有刀具(417)，丝杠B(318)的一端装有零位传感器B(325)，另一端装有限位开关B(326)；

所述底座组件(4)的电机D(401)通过电机座D(402)固定在底座(403)上，电机轴D(404)与丝杠C(406)由联轴器C(405)连接，丝杠C(406)通过轴承F(407)由丝杠支架C(408)支撑，丝杠支架C(408)固定在底座(403)上，丝杠螺母C(409)与螺母支架C(410)、拖板C(411)固定在一起，丝杠C(406)的一端装有零位传感器C(412)，另一端装有限位开关C(413)，毛坯支撑架(414)固定在与主轴支架(204)相对的底座(403)的一边上，底座(403)在导轨C(107)上滑动。

2.如权利要求1所述的假肢接受腔快速成型装置，其特征在于：刀架组件(3)在导轨D(108)和导轨E(109)上作上下运动，在导轨A(105)和导轨B(106)上作前后运动，在导轨C(107)上通过导轨A(105)和导轨B(106)用左右运动。

3.如权利要求1所述的假肢接受腔快速成型装置，其特征在于：接受腔计算机辅助设计程序和接受腔计算机辅助制造程序共建一个数据库。

4.如权利要求1所述的假肢接受腔快速成型装置，其特征在于：肢体残端数据测量装置是三维激光测量仪或者是CT扫描设备或者是手工测量工具。

5.如权利要求4所述的假肢接受腔快速成型装置，其特征在于：三维激光测量仪或者CT扫描通过数据线与计算机(101)连接，实现残端三维模型数据输入。

6.如权利要求1所述的假肢接受腔快速成型装置，其特征在于：肢体残端数据测量装置与计算机(101)通过网络实现将肢体残端信息数据输入。

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