進階搜尋


 
系統識別號 U0026-1207201014371200
論文名稱(中文) 真空成形殘肢模型於膝下義肢承筒之設計與製作
論文名稱(英文) Vacuum Forming Stump Model for the Design and Fabrication of Transtibial Socket
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 機械工程學系專班
系所名稱(英) Department of Mechanical Engineering (on the job class)
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生(中文) 紀傑騰
研究生(英文) Chieh-Teng Chi
學號 N1797111
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 91頁
口試委員 指導教授-許來興
口試委員-黃才炯
口試委員-徐中華
口試委員-尤春風
中文關鍵字 真空成形工具  膝下殘肢  快速成型  義肢承筒 
英文關鍵字 Vacuum forming tool  Below-knee stump  Rapid prototyping  Transtibial socket 
學科別分類
中文摘要 本研究設計製作真空成形工具,取得膝下殘肢模型,再使用光學掃描器掃描殘肢模型取得殘肢數位化點資料,並且以軟體輔助疊合數個相同殘肢之模型點資料,驗證本研究工具取得模型點資料之一致性與穩定性。本研究取模工具對模型形狀之重現性穩定,不必經過複雜的編修即可應用於RP 技術製作膝下義肢承筒。
以往在快速成型在膝下義肢承筒製作時之殘肢模型點資料主要獲得途徑有二:第一,採用傳統手工以石膏繃帶取得之石膏陽模,再以光學掃描系統掃描石膏陽模獲得殘肢模型點資料;此法時間冗長。第二,直接以手持式掃描器直接掃描殘肢獲得殘肢點資料;此法因殘肢晃動及軟組織下垂等因素,點資料後處理耗時,且不客觀。
使用本研究之真空成形工具取模,將義肢穿戴者之膝下殘肢放入乳膠腔體中,乳膠腔體抽真空硬化後,殘肢抽離即可獲得殘肢陰模;接著於此陰模注入聚苯乙烯粒,完成密封並抽真空來快速複製殘肢陽模,代替殘肢作為掃描用途。本研究取模製程,殘肢模型不必經過複雜的編修,即可以快速成型技術製作RP 承筒,供患者穿戴試驗。此高穩定性之殘肢模型點資料取得方法,能有效提昇快速成型在膝下義肢承筒製作上之實用性。
英文摘要 This research focused on the design and fabrication of a vacuum forming tool to produce below-knee stump model that is the basis of using rapid prototyping (RP) technology to fabricate a transtibial socket. The uncertainty of the shape of stump models either created by manual skill or directly scanning stump using a hand-held scanner is to be improved by the prototype of vacuum forming tool proposed in this thesis.
The proposed vacuum forming tool is composed of a vacuum pump, a latex chamber with plastic filling, a latex sleeve, a mandrel, a stack of silicon sand and a set of flexible tubes for the connection of the whole system. The steps of using the vacuum forming tool to produce a stump model include: inserting the below-knee stump into a latex chamber; vacuuming the internal air of the latex chamber under a pressure that the amputee can tolerate and the latex chamber can be solified; a cavity mold of stump shape created by extracting the stump; the negative mold filled with silicon sand and the mandrel inserted; sealing the latex sleeve containing mandrel and sand; connecting the flexible tubes to the mandrel; and then sucking the remaining air in the sleeve. A stump model is then created for the use of scanning process.
The stability and consistency of using this proposed vacuum forming tool to generate the stump model of a specific amputee has been verified by the function of registration of a CAD system. The stump model of a volunteer amputee generated by the vacuum forming tool has been employed to easily design a socket. The socket is then fabricated by using an RP machine and the experiments of motion analysis and trial use of the socket have been implemented.
This study demonstrated that the stable and consistent stump model generated by the vacuum forming tool can be employed to design a socket shape without complicated modification. This result will enhance the applicability of using RP technology in the production of prosthetic devices.
論文目次 考試合格證明 i
摘 要 ii
Abstract iii
誌 謝 iv
圖 目 錄 vii
表 目 錄 xii
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1截肢與義肢 2
1.2.2 下肢截肢的種類 3
1.2.3 膝下義肢之型式 4
1.2.4 膝下義肢承筒之製程 6
1.2.5 取型技術介紹 10
1.3 研究方法與目的 15
1.4 論文架構 16
第二章 真空技術介紹 17
2.1 真空的歷史發展 17
2.2 真空技術之原理 21
2.2.1 真空的定義 21
2.2.2 真空之氣體理論 23
2.3真空壓力之產生 26
2.3.1 真空之產生 26
2.3.2 真空壓力之量測 35
2.4真空之應用 39
第三章 真空成形膝下殘肢模型 42
3.1 真空成形膝下殘肢模型之原理 42
3.2真空成形工具設計與製作 42
3.3真空成形膝下殘肢模型資料數位化 60
3.4真空成形膝下殘肢數位化模型一致性之驗證 63
第四章 真空成形工具應用於義肢承筒製作實例研究 76
4.1 真空成形膝下殘肢模型與義肢承筒之製程 76
4.2 膝下義肢模型編修與製作 79
4.3 應用之評估 82
第五章 結論 84
5.1 研究結果與討論 84
5.2 未來展望 85
參考文獻 87
自 述 91 
圖 目 錄
圖 1-1 下肢截肢程度[曾 09] 4
圖 1-2 膝下截肢部位圖[Shur 90] 4
圖 1-3膝下義肢組成結構[Shur 90] 5
圖 1-4 殘肢著承筒示意圖[Seym 02] 5
圖 1-5 膝下義肢型式 6
圖 1-6 義肢承筒傳統製作與逆向工程方法流程圖[陳 06] 8
圖 1-7 沙模鑄造系統製作膝下義肢承筒 9
圖 1-8 傳統手工石膏模取殘肢模型[陳 06] 11
圖 1-9 CT掃描人體示意圖 12
圖 1-10 T-Scan與OMEGA T-Ring手持式掃描器掃描殘肢 12
圖 1-11 正壓石膏模取殘肢模型 13
圖 1-12 真空對合模系統取足部模型[Warr 45] 14
圖 2-1水壓力計(Water barometer)[Midd 64] 18
圖 2-2 汞壓力計 18
圖 2-3 大氣軌(Atmospheric Railway)[Midd 64] 20
圖 2-4 真空的定義概念圖[蘇 09] 22
圖 2-5 理想氣體想像圖[蘇 09] 24
圖 2-5 波義耳定理(Boyle's law)[蘇 09] 26
圖 2-6 真空幫浦之分類[周 09] 32
圖 2-7 真空幫浦的抽氣範圍[周 09] 34
圖 2-8 直接真空計之種類[周 09] 36
圖 2-9 間接接真空計之種類[周 09] 37
圖 2-10 水銀真空計[蘇 09] 38
圖 2-11 鮑登壓力計[蘇 09] 39
圖 3-1 真空幫浦ULVAC GVD-050A 43
圖 3-2 陽模管件 44
圖 3-3 陰模管件 45
圖 3-4 彈性布套 46
圖 3-5 殘肢石膏模型包覆塑膠袋 47
圖 3-6 陰模抽真空 47
圖 3-7 陰模模穴 47
圖 3-8 以矽砂填充陽模腔體 48
圖 3-9 陽模抽真空 48
圖 3-10 陽模抽真空 49
圖 3-11 陽模與陰模腔體緊密貼合 50
圖 3-12 真空腔體 51
圖 3-13 真空腔體填充材料 51
圖 3-14 陽模與陰模腔體3D圖形 52
圖 3-15 陽模與陰模腔體2D平面版型 52
圖 3-16 剪裁2D平面版型 53
圖 3-17 接合2D平面版型 53
圖 3-18 陽模與陰模腔體 53
圖 3-19 陰模腔體裝配真空管件 54
圖 3-20 殘肢穿戴陽模真空腔體 54
圖 3-21 陽模真空腔體標記 55
圖 3-22 量測紀錄殘肢尺寸 55
圖 3-23 陰模腔體抽真空 55
圖 3-24 陰模腔體與陽模腔體緊密貼合 56
圖 3-25 陽模與陰模腔體成形殘肢陰模 56
圖 3-26陽模腔體填充聚苯乙烯原料粒 56
圖 3-27 陽模腔體抽真空 57
圖 3-28 膝下殘肢模型 57
圖 3-29 真空成形工具 58
圖 3-30 真空成形工具取得膝下義肢殘肢模型 59
圖 3-31 殘肢模型與掃描系統之配置 60
圖 3-32 掃描環境光源設定 61
圖 3-33二殘肢模型面疊合 61
圖 3-34 設定【Define Rotation Axis Positions】視窗 62
圖 3-35 殘肢模型掃描完成 62
圖 3-36 後處理殘肢掃描結果 63
圖 3-37 陽模腔體上繪製標記線 64
圖 3-38 殘肢石膏模型穿戴陽模腔體 64
圖 3-37 真空成形工具複製殘肢石膏模型之模型 65
圖 3-40 量測位置 65
圖 3-41 CAD軟體系統介面 67
圖 3-42匯入二殘肢模型點資料 67
圖 3-43 執行「手動註冊」指令 68
圖 3-44 模型疊合視窗 68
圖 3-45 固定件與浮動件定義 69
圖 3-46 定義模型視角與顯示倍率 69
圖 3-47 殘肢模型初步疊合 70
圖 3-48 執行「全局註冊」指令 70
圖 3-49 設定參數,自動疊合 71
圖 3-50 計算二殘肢模型外形相對位置之偏差量 71
圖 3-51 殘肢模型相對位置偏差分析結果 72
圖 3-52 殘肢模型外形完全無疊合處 72
圖 3-53 S1-S2之分析結果(1) 73
圖 3-54 S1-S2之分析結果(2) 73
圖 3-55 S1-S3之分析結果(1) 74
圖 3-56 S1-S3之分析結果(2) 74
圖 4-1 快速成形技術製作膝下義肢承筒之製程 77
圖 4-2 真空成形工具整合快速成形技術製作膝下義肢承筒之製程 78
圖 4-3 匯入殘肢模型點資料檔[莊 10] 79
圖 4-4 點選特徵點位置[莊 10] 80
圖 4-5 輸入定位參數[莊 10] 80
圖 4-6 分層濾點[莊 10] 80
圖 4-7 建構承筒底座[莊 10] 81
圖 4-8 建構承筒膝部包覆[莊 10] 81
圖 4-9 承筒平滑化[莊 10] 81
圖 4-10 建構承筒實體模型[莊 10] 82
圖 4-11 FDM快速原型機製作RP承筒[莊 10] 82


表 目 錄
表 2-1 真空壓力單位之換算 23
表 2-2 真空度區分 23
表 2-3 真空技術之應用 41
表 3-1真空幫浦ULVAC GVD-050A 規格 43
表 3-2 陽模真空管件之組件 44
表 3-3 陰模真空管件之組件 45
表 3-5 殘肢模型相對位置偏差分析 (單位:mm) 75

參考文獻 [Bowk 92] Bowker, J. H., and Michael, J.W., Atlas of Limb Prosthetics:Surgical, Prosthetic, and Rehabilitation Principles, 2nd ED., Mosby-Year Book, pp. 453-470, St. Louis, USA, 1992.
[Crow 86] Crowley,T.E., Beam engines,Princes Risborough Shire,1986.
[Ferg 95] Fergason J, Smith D. G., Socket considerations for the patient with a transtibial amputation, Clinical Orthopaedics & Related Research, (361):76-84, 1999.
[Hann 84] Hannah R. E., Morrison J. B. , Chapman A. E., Prostheses alignment: effect on gait of persons with below-knee amputations., Archives of Physical Medicine and Rehabilitation, 65, 159-162, 1984.
[Icer 03] Iceross Seal-In—Hypobaric Sealing Membrane Technical Manual by Ossur,2003, Retrieved 2009 October, from the World Wide Web:http://www.ossur.com/?PageID=12705
[Midd 64] Middleton,W.E.K., The History of the Barometer, Johns Hopkins University. Baltimore, 1964.
[Sand 95] Sanders J.E., Interface mechanics in external prosthetics: review of interface stress measurement techniques. Medical & biological engineering & computing, 33: 509-516, 1995.

[Seym 02] Seymour, R., Prosthetics and Orthotics:Lower Limb and Spinal, pp. 4-14,2002.
[Shur 90] Shurr DG, Cook TM., Prosthetic and Orthotics., American Prosthetics Inc,1990.
[Syed 03] Syed Shikh, S. S., Abu Osman, N. A. and Latif , L. A. , Hydrostatic cast system:pressure mapping of the stump- water interface , The 3rd International Symposium on Biomedical Engineering(ISBME), 2008 .
[Torr 99] Torres-Morenos, R., and Jones, D., Magnetic Resonance Imaging of Residual Soft Tissues for Computer-Aided Technology Applications in Prosthetics-A Case Study, Journal of Prosthetics and Orthotics, Vol.11, No.1, pp. 6-11, 1999。
[Made 84] Madey, T.E., Early Applications of Vacuum, from Aristotle to Langmuir, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films, vol. 2, no. 2, pp. 110-117, 1984.
[Walk 82] Walker,J., Scientific American,p.46,1982.
[Wals 89] Walsh, N.E., Lancaster, J.L. , Faulkner, V.W. and Rogers, W.E., A computerized system to manufacture prostheses for amputees in developing countries, Journal of Prosthetics and Orthotics, Vol.1, No.3, pp. 165-181, 1989.


[Warr 45] Warren,J.M., and Belmont,M., Method for making and maintainin an impression of the shape of an object, United States patent number:2472754, 1945.
[Wu 03] Wu, Y., Casanova, H., Smith, W.K., Edwards, M., Childress, DC., CIR sand-casting system for trans-tibial sockets, Prosthet Orthot Int 27:146–152, 2003.
[于 97] 于邦基譯,Donald G.S.原著,義肢裝具學,合記圖書出版社,台北市,1997。
[林 05] 林罡生,膝下殘肢與義肢承筒在不同行走速度下之介面應力分析,國立成功大學機械工程系,碩士論文,2005。
[周 09] 周榮源,陳峰志,鄭鴻斌,張郁雯,半導體製造設備用真空幫浦技術,機械月刊,六月號,vol,pp. 412-425,1997.
[莊 10] 莊惟喬,全接觸式快速原型膝下義肢承筒網格化設計系統,國立成功大學機械工程系,碩士論文,2010。
[陳 06] 陳彥名,應用CAD軟體API與快速成型技術製作義肢承筒,國立成功大學機械工程系,碩士論文,2006。
[陳 10] 陳彥廷,單側膝下義肢使用者步態分析及承筒負重研究,國立成功大學機械工程系,碩士論文,2010。
[曾 09] 曾明基,下肢義肢介紹與應用,國立成功大學體育健康與休閒研究所專題討論,台南,第5頁,2009。
[澤 85] 澤村誠志著,蕭英宏譯,截肢義肢學,高雄縣私立樹人醫事職業學校復健技術教學委員會編印,1985。
[葉 01] 葉朝文,蔡銘昇,何靖國,王錦智, 林亮言,倪啟彬,半導體真空幫浦轉子之設計與模型製作,東南技術學院機械工程系,2001。
[葉 00] 葉哲政,真空系統金屬元件市場專題研究,金屬工業研究發展中心,金屬中心ITIS計畫,pp.34,2000。
[蘇 09] 蘇青森,真空技術精華Vacuum Technolgy,五南圖書,台北市,2009。
論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2010-07-19起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2010-07-19起公開。


  • 如您有疑問,請聯絡圖書館
    聯絡電話:(06)2757575#65773
    聯絡E-mail:etds@email.ncku.edu.tw