使用低成本3D打印機設計制造定制化膝關節(jié)矯形器

供稿人:湯磊 李滌塵

康復醫(yī)學中使用的矯形器現(xiàn)面臨著缺乏佩戴舒適感和難以適應使用者運動狀況的挑戰(zhàn),。 盡管定制化矯形器的出現(xiàn)能夠在一定程度上解決這些問題,，但其設計與制造過程存在著時間長、難度大,、成本高的問題,，難以大范圍的推廣應用。葡萄牙里斯本大學的研究者將3D掃描,、3D建模和3D打印技術相結合,，提出并評估了一種用于康復醫(yī)學的定制化產品的設計制造方法。該方法被應用于針對腦癱患者的定制化膝關節(jié)矯形器中,，研究者同患者一同開發(fā),，共設計并測試了4中不同的設計方案，證明了該技術在大規(guī)模工業(yè)化應用中的潛力,。

參與設計的患者被診斷為痙攣性雙腿癱瘓,，這種類型的腦癱的特征是四肢所有肌肉的張力都很高（其中腿部最為嚴重），過強的肌肉張力會導致人體正常運動姿態(tài)的變形,。為保證手術治療的效果,，需要為患者設計一款用于膝關節(jié)定位的矯形器，以防止膝關節(jié)的過渡彎曲以及在日常生活中關節(jié)出現(xiàn)的錯誤姿態(tài),。

定制化膝關節(jié)矯形器的設計制造主要有以下三個步驟：3D掃描,、3D建模和3D打印。第一步通過三維掃描儀獲取患者相應肢體區(qū)域的幾何形貌,，重建出患者肢體的數(shù)字模型（圖 1）,。第二步則是在此基礎上對肢體模型進行一定程度的圖像處理，并以此創(chuàng)建矯形器的三維模型,。第三部就是利用3D打印技術制造矯形器產品,。

圖 1 獲取肢體三維掃描數(shù)據(jù)

其中，在掃描的過程中,，用深色的薄絲襪覆蓋待掃描的區(qū)域以獲取準確的肢體形狀,，絲襪上隨機放置的標記點也能夠有效的提高掃描模型的精度。獲取到患者肢體的幾何模型之后，通過CAD工具對模型進行修補與光順,，并在肢體模型的基礎上通過表面偏移創(chuàng)建相應矯形器的幾何模型,。最后，將生成的矯形器模型文件導入到3D打印機中進行打印制造,，所用的材料為丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和熱塑性聚氨酯（TPU）,。矯形器制造完成之后在其內側貼有一層氯丁橡膠織物以提供更好的使用舒適度。

研究者們一共為患者提供了4中矯形器的設計制造方案,，患者使用過后最終選擇了方案4（圖 2）,。作出該選擇的主要原因有兩個因素，一是方案4能夠先松開上部綁帶,，然后彎曲膝蓋,，再松開下部綁帶,，穿脫更加方便,；二是相較于其他方案，方案4沒有鏤空結構,，支撐面積更大,，這樣在膝關節(jié)彎曲的時候不會在邊緣區(qū)出現(xiàn)高接觸壓力。同時,，患者表示與之前佩戴的矯形器相比,，以上所有的矯形器設計方案在總體上都有進步，因為它們更小更輕且易于攜帶,。

圖 2 4種3D打印矯形器以患者試用情景

目前該技術仍存在一些問題有待改進,。首先是需要簡化三維掃描獲取肢體形貌的流程。采用不需要造影劑或標記點的掃描儀,，縮短掃描的準備時間,。提高掃描儀的采集速率，縮短掃描時間,，避免患者因長時間保持肢體靜止不動而產生的不適,。其次是制造設備的問題，低成本的3D打印設備（FDM）通常有其尺寸的限制,，無法打印大尺寸的矯形器產品,，分開打印再拼接的方法勢必會造成產品強度的問題，因此,，大尺寸的專用打印設備是必需的,。關于制造的時間，研究者提到隨著該方法的工業(yè)化,，其設計與制造的時間將大大縮短,，最終的矯形器在不到48小時內就完成了整個設計制造流程，包括三維掃描（10min）、參數(shù)化建模（1~2h）和3D打�,。ù蠹s12h）,。如果能夠根據(jù)患者的三維圖像使用預先設計好的模板，還能夠更進一步的縮短設計制造的時間,，這與傳統(tǒng)的定制化矯形器制造方法相比是一個很大的優(yōu)勢,。

參考文獻：
Santos S , Soares B , Leite M , et al. Design and development of a customised knee positioning orthosis using low cost 3D printers[J]. Virtual and Physical Prototyping, 2017:1-11

供稿人:湯磊 李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室