[發(fā)明專(zhuān)利]基于糖尿病患者足部組織層次力學(xué)特性的個(gè)性化鞋墊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910154311.6
• 申請(qǐng)日: 2019-03-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109820281B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王芳;曹子君;張建國(guó)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): A43B17/00
• 分類(lèi)號(hào): A43B17/00;A43D1/02;B29C64/153;B33Y10/00
• 代理公司: 天津盛理知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 王倩

1.一種基于糖尿病患者足部組織層次力學(xué)特性的個(gè)性化鞋墊優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其特征在于：包括以下步驟：

【1】足底壓力測(cè)試及分析；

【2】有限元模型建立與仿真優(yōu)化；

【3】3D打印制作；

步驟【1】足底壓力測(cè)試及分析的具體過(guò)程為：

(1)實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作；所述的實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備工作包括：檢查患者的健康狀況，包括血糖指數(shù)、并發(fā)癥、慢性病、足部形態(tài)，確認(rèn)患者的身體條件適合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；對(duì)患者的基本身體參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，包括身高、體重、年齡，根據(jù)身高和體重計(jì)算患者的BMI指數(shù)；實(shí)驗(yàn)采用TT medilogic 5.8.1鞋墊式足底壓力檢測(cè)系統(tǒng)，并備有碼數(shù)齊全的平底布鞋及薄款棉襪，鞋內(nèi)分別置有相應(yīng)尺寸的足底壓力檢測(cè)鞋墊；

(2)實(shí)驗(yàn)時(shí)，令患者選擇合適碼數(shù)的鞋與鞋墊，鞋選用輕便的平底休閑鞋，鞋墊選用已知材料參數(shù)的EVA材質(zhì)的平板鞋墊，令用戶(hù)在10米范圍內(nèi)進(jìn)行靈活自由的直線(xiàn)行走，系統(tǒng)采集患者完整的步態(tài)周期參數(shù)，包括壓力分布面積、峰值壓力、各足區(qū)沖量百分比及壓力中心軌跡；

(3)測(cè)試系統(tǒng)將足底劃分為10個(gè)足區(qū)，分析時(shí)重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵解剖學(xué)區(qū)域，包括跖骨、趾骨、跟骨，建立足底壓力與鞋墊表面形狀的映射關(guān)系，確定需要減壓的區(qū)域位置及形狀、尺寸；

(4)分析患者雙足的壓力分布云圖，判斷患者足弓形態(tài)屬于正常、扁平還是過(guò)高，參考足底壓力中心軌跡，獲得患者步態(tài)周期內(nèi)重心的穩(wěn)定性及偏移特征，進(jìn)而通過(guò)在鞋墊不同區(qū)域增減矯形結(jié)構(gòu)改善步態(tài)穩(wěn)定性；

(5)基于壓力分布面積及峰值壓力的位置與大小，設(shè)計(jì)鞋墊減壓結(jié)構(gòu)的位置與尺寸；基于各足區(qū)沖量百分比，為相應(yīng)位置的鞋墊減壓結(jié)構(gòu)選擇合適性能的材料；

步驟【2】有限元模型建立與仿真優(yōu)化的具體過(guò)程為：

(1)使用3D掃描儀，取患者立姿跟骨中立位，對(duì)雙足進(jìn)行3D掃描，獲得患者足部外輪廓；

(2)根據(jù)掃描結(jié)果，利用CAD軟件分別建立左、右腳的定制鞋墊的初始模型，使鞋墊表面與足底輪廓相貼合；初始模型分兩層，上層采用較低密度材料，著重起到緩沖作用，以分散壓力分布；下層采用較高密度材料，著重起到支撐作用，以穩(wěn)定行走步態(tài)；

(3)使用3D掃描儀，對(duì)用戶(hù)在足底壓力測(cè)試中所穿著的試驗(yàn)用鞋進(jìn)行掃描，獲取試驗(yàn)用鞋的三維數(shù)據(jù)，建立試驗(yàn)用鞋的三維幾何模型；

(4)將由足底壓力測(cè)試獲得的足底壓力分布數(shù)據(jù)映射到定制鞋墊初始模型上，標(biāo)定高壓區(qū)域的位置、輪廓及尺寸，即需要進(jìn)行減壓處理的位置；將模型的相應(yīng)區(qū)域建立為獨(dú)立模塊，以便于進(jìn)行材料及尺寸方面的優(yōu)化調(diào)整；

(5)為了防止用戶(hù)足部的過(guò)度扭轉(zhuǎn)，在定制鞋墊初始模型的底層對(duì)應(yīng)足弓區(qū)域的部位添加包裹足弓的硬質(zhì)支撐片，支撐片的形狀貼合足弓輪廓，材質(zhì)選用TPU，將支撐片模型與定制基礎(chǔ)墊模型進(jìn)行裝配；

(6)令患者平躺，足部處于無(wú)載荷的中立位置，分別使用CT和MRI掃描獲取患者的足部數(shù)據(jù)影像；CT影像后續(xù)將主要用于進(jìn)行足部骨骼結(jié)構(gòu)的建模，MRI影像后續(xù)將主要用于輔助足部肌肉、韌帶及軟組織的建模；

(7)采用圖像分析技術(shù)、逆向工程技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)足的幾何構(gòu)形進(jìn)行三維建模；

(8)分別獲得足-試驗(yàn)用鞋的耦合模型以及足-定制鞋墊初始模型的耦合模型，通過(guò)有限元軟件將三維幾何模型轉(zhuǎn)換為三維有限元模型；模型的前處理、分析計(jì)算及后處理都在有限元分析軟件中進(jìn)行；

(9)在仿真計(jì)算過(guò)程中，將骨組織視為分布均勻且各向同性的均質(zhì)性彈性體材料，將軟組織視為非線(xiàn)性粘彈性材料，將關(guān)節(jié)面軟骨和韌帶視為超彈性材料，定制鞋墊選用具有不同屬性參數(shù)的EVA、PU、硅膠與Poron材料；邊界條件按照人體在正常行走狀態(tài)下足部所受外界約束的狀況進(jìn)行設(shè)置；

(10)選取足-定制鞋模型的耦合模型，模擬足部在步態(tài)周期的中立相下承受壓力的狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件及載荷，進(jìn)行仿真計(jì)算；

(11)從仿真結(jié)果中提取足底壓力數(shù)據(jù)；將計(jì)算結(jié)果與先前進(jìn)行的足底壓力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證足部模型的有效性；如果驗(yàn)證通過(guò)，則進(jìn)行后續(xù)步驟；如果驗(yàn)證不通過(guò)，則通過(guò)調(diào)整模型進(jìn)行修正，直到模型通過(guò)驗(yàn)證；

(12)足部模型驗(yàn)證通過(guò)后，選用足-定制鞋墊初始模型，模擬足部在步態(tài)周期的中立相下承受壓力的狀態(tài)，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件及載荷，進(jìn)行仿真計(jì)算；

(13)基于計(jì)算結(jié)果中的壓力分布情況，調(diào)整標(biāo)定壓力異常的部位，對(duì)上層低密度層、下層高密度層、減壓區(qū)域及足弓支撐部件的材質(zhì)和尺寸進(jìn)行調(diào)整，對(duì)于患有扁平足的患者，著重加強(qiáng)足弓位置的支撐，目的是使足底壓力分布均勻，避免出現(xiàn)過(guò)大的壓力區(qū)域；

(14)將調(diào)整后的有限元模型重新進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得足底壓力和人體各組織應(yīng)力數(shù)據(jù)，通過(guò)進(jìn)一步調(diào)整材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化；

(15)通過(guò)重復(fù)修改模型與計(jì)算驗(yàn)證，優(yōu)化鞋墊結(jié)構(gòu)，減緩人體足部?jī)?nèi)部組織受力，最終得到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)，輸出設(shè)計(jì)方案；

步驟【3】3D打印制作的具體過(guò)程為：

(1)基于輸出的設(shè)計(jì)方案，選用相應(yīng)的材料，利用3D打印，分別打印上層墊、下層墊、減壓片、支撐片各個(gè)部位；

(2)將各個(gè)部位通過(guò)粘合方法裝配成為完整的定制鞋墊模型；

(3)令患者穿著完整的定制鞋墊再次進(jìn)行足底壓力測(cè)試，分析足底壓力分布及壓力中心軌跡的改善，驗(yàn)證鞋墊效果：如果壓力分布均勻且無(wú)過(guò)高峰值壓力區(qū)域出現(xiàn)，則鞋墊方案通過(guò)；如果壓力分布仍然不均勻且存在過(guò)高峰值壓力，則返回以上步驟，通過(guò)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。