CN106372374B - 一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，先建立通用足部骨骼模型，然后采集病患足部的关键尺寸数据，对通用足部骨骼模型进行缩放，获得病患的个性化骨骼模型，再采集病患足部外表面形貌的三维数据，与个性化骨骼模型相耦合，在CAD软件中进行装配得到病患个性化的足部三维模型；然后在足部三维模型的基础上，根据足底形貌特征，建立与之完全贴合的糖尿病足鞋垫基础模型，将其与足部三维模型导入有限元分析软件中进行组配以及网格划分，获得足‑鞋垫的有限元模型，再分析计算应力分布结果，对糖尿病足鞋垫基础模型各区域的模量及结构进行修改，形成最终的糖尿病足鞋垫模型，本发明所设计鞋垫满足定制化需求，同时缩短了产品设计周期，降低了成本。

Description

一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法

技术领域

本发明属于一种鞋垫的设计方法，具体涉及一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法。

背景技术

糖尿病足作为一种糖尿病的常见并发症，其形成的重要诱因是在日常生活中病患足部所受压力不均，导致应力集中的部位易发生溃烂，进而恶化，最终导致截肢。因此，合适的糖尿病足鞋垫设计能有效提高足弓的支撑能力，改善患者足底的应力分布情况，从而对由于应力分布不均所导致的糖尿病足起到一定的预防以及辅助治疗的作用。然而，采用试模等传统方法获取患者足部数据仅考虑了病患足底的表面形貌特征，未考虑影响足底应力分布的足部骨骼系统和肌肉韧带系统以及不同步态下足底应力的变化，个性化设计不够充分。其次，传统设计方法仅考虑了设计与足底形貌贴合的产品去适应足底，而不是通过改变产品局部模量参数来优化足底应力分布。同时，现有从数据采集到设计鞋垫模型所需响应周期长，缺乏一种高效、快速、有力学依据的设计流程。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，所设计鞋垫满足定制化需求，同时缩短了产品设计周期，有效降低了个性化成本。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：建立通用足部骨骼模型；

步骤2：采集病患足部矢状面、冠状面以及横断面的关键尺寸数据，按照换算比例对步骤1所得的通用足部骨骼模型进行缩放，获得病患的个性化骨骼模型；

步骤3：采集病患足部外表面形貌的三维数据，与步骤2所得到的个性化骨骼模型相耦合，在CAD软件中进行装配，得到病患个性化的足部三维模型；

步骤4：在建立的足部三维模型的基础上，根据足底形貌特征，建立与之完全贴合的糖尿病足鞋垫基础模型，将其与足部三维模型导入有限元分析软件中进行组配以及网格划分，获得足-鞋垫的有限元模型，边界条件设置为足上端固定，力学输入采用所采集的病患步态数据或病患直立时足部承受体重的1/2；

步骤5：基于步骤4分析计算所得应力分布结果，对糖尿病足鞋垫基础模型各区域的模量及结构进行修改，通过增加多孔结构和改变鞋垫不同区域厚度，完成对糖尿病足鞋垫基础模型的优化，形成最终的糖尿病足鞋垫模型；

步骤6：输出糖尿病足鞋垫模型。

步骤1中所述的通用足部骨骼模型是通过影像学检查手段，对大量病患的足部骨骼、肌肉信息进行采集、分析和提取，形成集足部骨骼几何特征、骨骼-肌肉装配特征、韧带-骨骼装配特征、软骨特征为一体的病患足部参数化模型库，方便定制化鞋垫制造时的通用足部骨骼模型调用。

对步骤1中的通用足部骨骼模型按不同病患特征进行分类，方便步骤2缩放时的选型。

步骤2中的关键尺寸数据包括脚长、拇指里宽、第一跖趾里宽、腰窝外宽尺寸。

步骤3中对病患足部三维外形数据的采集，选取不同位置特征点并运用三维光学扫描系统手段采集数据，以确保病患足部软组织与骨骼的装配精度。

步骤4中糖尿病足鞋垫基础模型的材料不限于单一材料，或为不同材料复合。

步骤5中糖尿病足鞋垫基础模型的优化准则为：

1)足底应力峰值：优化结果应保证足底应力的峰值应小于人体发生足溃疡的压力阈值87.5N/cm²；

2)足底应力分布：优化结果应保证在足溃疡高发区域足跟与足趾处，足底应力不超过足底平均应力的±20％。

步骤5中优化过程具体为：

1)根据足底形貌特征，建立上表面与之完全贴合、下表面光滑平面的糖尿病足鞋垫基础模型；

2)提交算例；

3)读取计算结果中足部和糖尿病足鞋垫基础模型结合处的应力值，根据所提取的应力数据，减小高应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度，增大低应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度以达到二者接触面积的优化；在高应力区域增加多孔结构，通过改变多孔单元结构尺寸、增大孔隙率方法降低此区域模量，修正最大应力峰值；

4)在有限元软件中重新提交算例，检查每次计算结果是否满足优化准则，若不满足则重复步骤3)和4)，直至满足要求输出最终的糖尿病足鞋垫模型。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、通过影像学检查手段采集病患足部数据进行建模，不仅考虑足部外形，而且考虑了足部骨骼参数对设计结果的影响，保证了所建足部模型与病患足部的一致性，使所设计鞋垫满足定制化需求。

2、通过鞋垫的参数优化实现病患足底应力分布的优化，修正最大应力峰值及分布，从力学角度实现鞋垫产品的优化设计。

3、建立了病患足部参数化模型库并可根据不同类别患者进行快速调用，缩短了产品设计周期，有效降低了个性化成本，对普及糖尿病足鞋垫的使用提供了低成本高效率的设计方法和技术支持。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为患者的个性化骨骼模型。

图3为足-鞋垫模型有限元受力分析示意图。

图4为优化后的糖尿病足鞋垫模型中模量分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

本实施例进行的是从患者数据的采集到输出糖尿病足鞋垫模型的全过程，仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，包括以下步骤：

步骤1：大量采集病患的足部CT及MRI数据，采用Mimics(Version 16.0，Materialise，比利时)构建患者足内骨骼、韧带、肌肉等的参数化模型，形成集足部骨骼几何特征、骨骼-肌肉装配特征、韧带-骨骼装配特征、软骨特征为一体的病患足部参数化模型库，建立通用足部骨骼模型；

步骤2：通过X-ray射线采集病患足部矢状面、冠状面以及横断面的关键尺寸数据，计算脚长、拇指里宽、第一跖趾里宽、腰窝外宽尺寸，按照换算比例对步骤1中所得的通用足部骨骼模型进行缩放，得到病患的个性化骨骼模型，如图2所示；

步骤3：对病患足部不同位置进行特征点标记，运用光学Rexcan CS 3D扫描仪采集病患足部外表面形貌的三维数据，与步骤2所得到的个性化骨骼模型相耦合，在Solidworks(Version 2013，DassaultSystemesS.A，法国)软件中进行装配，通过标记的特征点确保病患足部软组织与骨骼的装配精度，得到病患个性化的足部三维模型；

步骤4：在建立的足部三维模型的基础上，根据足底形貌特征，建立上表面与之完全贴合、下表面平滑的糖尿病足鞋垫基础模型，将其与足部三维模型导入有限元分析软件ABAQUS(Version 6.12，Simulia，法国)中进行组合并进行网格划分，得到足-鞋垫的有限元模型，糖尿病足鞋垫基础模型材料取为热塑性聚氨酯(TPU)，弹性模量30MPa；足骨弹性模量设为7300MPa，泊松比设为0.3，软组织弹性模量设为0.45MPa，泊松比设为0.45，足底和糖尿病足鞋垫上表面的接触设置为绑定约束，边界条件设置为足上端固定，力学输入采用病患直立时足部承受体重的1/2，如图3所示，提交算例；

步骤5：基于步骤4分析计算所得应力分布结果，对糖尿病足鞋垫基础模型中各区域的模量及结构进行修改，通过增加多孔结构和改变鞋垫不同区域厚度，以满足优化准则，完成对糖尿病足鞋垫基础模型的优化。

糖尿病足鞋垫基础模型的优化准则为：

1)足底应力峰值：优化结果应保证足底应力的峰值应小于人体发生足溃疡的压力阈值87.5N/cm²，即0.875MPa；

2)足底应力分布：优化结果应保证在足溃疡高发区域足跟与足趾处，足底应力不超过足底平均应力的±20％。

优化过程具体为：

1)根据足底形貌特征，建立上表面与之完全贴合、下表面光滑平面的糖尿病足鞋垫基础模型；

2)提交算例；

3)读取计算结果中足部和糖尿病足鞋垫基础模型结合处的应力值，根据所提取的应力数据，减小高应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度，增大低应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度以达到二者接触面积的优化；在高应力区域增加多孔结构，通过改变多孔单元结构尺寸、增大孔隙率，从而减小此区域模量，修正最大应力；

4)在ABAQUS中重新提交算例，检查每次计算结果是否满足优化准则，若不满足则重复步骤5.3)和5.4)，直至满足要求输出最终的糖尿病足鞋垫模型，如图4所示。

步骤6：输出糖尿病足鞋垫模型。

Claims (7)

1.一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立通用足部骨骼模型；

步骤2：采集病患足部矢状面、冠状面以及横断面的关键尺寸数据，包括脚长、拇指里宽、第一跖趾里宽和腰窝外宽尺寸，依照这4个关键尺寸数据按照换算比例对步骤1所得的通用足部骨骼模型进行缩放，获得病患的个性化骨骼模型；

步骤3：采集病患足部外表面形貌的三维数据，与步骤2所得到的个性化骨骼模型相耦合，在CAD软件中进行装配，得到病患个性化的足部三维模型；

步骤4：在建立的足部三维模型的基础上，根据足底形貌特征，建立与之完全贴合的糖尿病足鞋垫基础模型，将其与足部三维模型导入有限元分析软件中进行组配以及网格划分，获得足-鞋垫的有限元模型，边界条件设置为足上端固定，力学输入采用所采集的病患步态数据或病患直立时足部承受体重的1/2；

步骤5：基于步骤4分析计算所得应力分布结果，对糖尿病足鞋垫基础模型各区域的模量及结构进行修改，减小高应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度，增大低应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度以达到二者接触面积的优化；在高应力区域增加多孔结构，通过改变多孔单元结构尺寸、增大孔隙率方法降低此区域模量以降低最大应力峰值，完成对糖尿病足鞋垫基础模型的优化，形成最终的糖尿病足鞋垫模型；

步骤6：输出糖尿病足鞋垫模型。

2.根据权利要求1所述的一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，其特征在于：步骤1中所述的通用足部骨骼模型是通过影像学检查手段，对病患的足部骨骼、肌肉信息进行采集、分析和提取，形成集足部骨骼几何特征、骨骼-肌肉装配特征、韧带-骨骼装配特征和软骨特征为一体的病患足部参数化模型库，方便定制化鞋垫制造时的通用足部骨骼模型调用。

3.根据权利要求1所述的一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，其特征在于：对步骤1中的通用足部骨骼模型按不同病患特征进行分类，方便步骤2缩放时的选型。

4.根据权利要求1所述的一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，其特征在于：步骤3中对病患足部三维外形数据的采集，选取不同位置特征点并运用三维光学扫描系统手段采集数据，以确保病患足部软组织与骨骼的装配精度。

5.根据权利要求1所述的一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，其特征在于：步骤4中糖尿病足鞋垫基础模型的材料不限于单一材料，或为不同材料复合。

6.根据权利要求1所述的一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，其特征在于，步骤5中糖尿病足鞋垫基础模型的优化准则为：

1)足底应力峰值：优化结果应保证足底应力的峰值应小于人体发生足溃疡的压力阈值87.5N/cm²；

2)足底应力分布：优化结果应保证在足溃疡高发区域足跟与足趾处，足底应力不超过足底平均应力的±20％。

7.根据权利要求1所述的一种针对糖尿病足鞋垫的个性化设计方法，其特征在于，步骤5中优化过程具体为：

1)根据足底形貌特征，建立上表面与之完全贴合、下表面光滑平面的糖尿病足鞋垫基础模型；

2)提交算例；

3)读取计算结果中足部和糖尿病足鞋垫基础模型结合处的应力值，根据所提取的应力数据，减小高应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度，增大低应力区域的糖尿病足鞋垫基础模型厚度以达到二者接触面积的优化；在高应力区域增加多孔结构，通过改变多孔单元结构尺寸、增大孔隙率方法降低此区域模量，修正最大应力峰值；

4)在有限元软件中重新提交算例，检查每次计算结果是否满足优化准则，若不满足则重复步骤3)和4)，直至满足要求输出最终的糖尿病足鞋垫模型。