使用低成本3D打印機(jī)設(shè)計制造定制化膝關(guān)節(jié)矯形器

供稿人:湯磊 李滌塵

康復(fù)醫(yī)學(xué)中使用的矯形器現(xiàn)面臨著缺乏佩戴舒適感和難以適應(yīng)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(shè)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(yīng)用,。葡萄牙里斯本大學(xué)的研究者將3D掃描、3D建模和3D打印技術(shù)相結(jié)合,，提出并評估了一種用于康復(fù)醫(yī)學(xué)的定制化產(chǎn)品的設(shè)計制造方法,。該方法被應(yīng)用于針對腦癱患者的定制化膝關(guān)節(jié)矯形器中，研究者同患者一同開發(fā),，共設(shè)計并測試了4中不同的設(shè)計方案,，證明了該技術(shù)在大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用中的潛力。

參與設(shè)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(yán)重）,，過強(qiáng)的肌肉張力會導(dǎo)致人體正常運動姿態(tài)的變形。為保證手術(shù)治療的效果,，需要為患者設(shè)計一款用于膝關(guān)節(jié)定位的矯形器,，以防止膝關(guān)節(jié)的過渡彎曲以及在日常生活中關(guān)節(jié)出現(xiàn)的錯誤姿態(tài)。

定制化膝關(guān)節(jié)矯形器的設(shè)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(yīng)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(chǔ)上對肢體模型進(jìn)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(shù)制造矯形器產(chǎn)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(zhǔn)確的肢體形狀，絲襪上隨機(jī)放置的標(biāo)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(jìn)行修補(bǔ)與光順，并在肢體模型的基礎(chǔ)上通過表面偏移創(chuàng)建相應(yīng)矯形器的幾何模型,。最后,，將生成的矯形器模型文件導(dǎo)入到3D打印機(jī)中進(jìn)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(nèi)側(cè)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(shè)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(jié)構(gòu),，支撐面積更大，這樣在膝關(guān)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(shè)計方案在總體上都有進(jìn)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(shù)仍存在一些問題有待改進(jìn)。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(biāo)記點的掃描儀,，縮短掃描的準(zhǔn)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(chǎn)生的不適。其次是制造設(shè)備的問題,，低成本的3D打印設(shè)備（FDM）通常有其尺寸的限制,，無法打印大尺寸的矯形器產(chǎn)品，分開打印再拼接的方法勢必會造成產(chǎn)品強(qiáng)度的問題,，因此,，大尺寸的專用打印設(shè)備是必需的,。關(guān)于制造的時間，研究者提到隨著該方法的工業(yè)化,，其設(shè)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(nèi)就完成了整個設(shè)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(yù)先設(shè)計好的模板,，還能夠更進(jìn)一步的縮短設(shè)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(xiàn)：
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(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室