基于3D打印最優(yōu)解決方法的康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究

張燁

摘 ? 要：科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使3D打印成為改變?nèi)藗兩a(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù)之一，并在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，3D打印技術(shù)最重要的體現(xiàn)便在于康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，通過對(duì)康復(fù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行深入研究，以此探尋3D打印的最優(yōu)解決方法，必將進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，從而使康復(fù)產(chǎn)品能夠?yàn)槿藗兊纳眢w健康提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。鑒于此，本文便以某康復(fù)矯形器的設(shè)計(jì)方案為例，對(duì)基于3D打印最優(yōu)解決方法的康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行深入的研究。

關(guān)鍵詞：3D打印 ?最優(yōu)解決方法 ?康復(fù)產(chǎn)品 ?產(chǎn)品設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0159-02

近年來，醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展，使越來越多的患者體會(huì)到康復(fù)產(chǎn)品所帶來的好處，這也使康復(fù)產(chǎn)品逐漸成為患者盡快恢復(fù)身體健康的必需品。與此同時(shí)，人們對(duì)康復(fù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量也越來越關(guān)注，康復(fù)產(chǎn)品不僅要具備能夠幫助病人恢復(fù)健康的相關(guān)功能，其產(chǎn)品外觀的美觀性也非常重要。長(zhǎng)期以來，由于康復(fù)產(chǎn)品在應(yīng)用過程中無法適用于所有的患者，這也使患者對(duì)康復(fù)產(chǎn)品的需求量并不大，部分康復(fù)產(chǎn)品如果使用不得當(dāng)，甚至還會(huì)給患者的身體造成一定的損害，這也使人們?cè)趯?duì)康復(fù)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，急需探尋最優(yōu)的解決方法。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為康復(fù)產(chǎn)品的個(gè)性化設(shè)計(jì)提供了可靠的技術(shù)保障，實(shí)現(xiàn)了對(duì)康復(fù)產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效解決了康復(fù)產(chǎn)品無法適用于所有患者的難題。鑒于此，以下便對(duì)基于3D打印最優(yōu)解決方法的康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的研究。

1 ?基于3D打印最優(yōu)解決方法的康復(fù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案分析

1.1 儀器與軟件

本文所設(shè)計(jì)的康復(fù)產(chǎn)品為上肢手腕部位的康復(fù)矯正器，該矯正器采用的儀器包括一臺(tái)Windows 7系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)的處理器采用英特爾E5-2650v4，其內(nèi)存為64G，處理器中的CPU主頻采用2.20GHz。在該計(jì)算機(jī)中安裝有容量為1TB的硬盤。在康復(fù)矯正器設(shè)計(jì)中，其模型構(gòu)建主要是通過Mimics19.0三維建模軟件與Geomagic Studio逆向工程建模軟件來完成的，并利用CAD軟件系列中的UG NX進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，采用Abaqus軟件進(jìn)行有限元分析，模型導(dǎo)入與添加則利用MakerBot Desktop軟件來完成。該康復(fù)矯正器利用3D打印機(jī)進(jìn)行輸出打印，其采用的打印材料為PLA熱塑材料，該材料具有綠色無毒的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，經(jīng)該3D打印機(jī)進(jìn)行打印輸出，能夠大幅提高康復(fù)矯正器的設(shè)計(jì)效率與生產(chǎn)精度。該康復(fù)矯正器的打印尺寸為30.5cm×30.5cm×45.7cm，該矯正器各個(gè)打印層之間的分辨率為100μm，打印噴嘴的直徑為0.4mm。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

該康復(fù)矯正器是為一名女性患者量身定做的，在對(duì)這名女性患者進(jìn)行康復(fù)產(chǎn)品定制設(shè)計(jì)時(shí)，其關(guān)鍵所在是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集，在數(shù)據(jù)采集中主要是利用Philips-Medical-Systems-Ingenia3.0對(duì)患者的上肢手腕部位進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，該名女性患者在數(shù)據(jù)掃描過程中保持仰臥體位，需要確?；颊哕|干的中軸線和掃描床的軸線相互平行，患者的上肢應(yīng)保持伸直狀態(tài)沿著頭頂?shù)姆较蛳蛏吓e，手部的狀態(tài)可看作其功能位，手腕部應(yīng)保持25°～30°的伸直，其姆指和食指以對(duì)掌位的方式向外伸展，掌指與近指關(guān)節(jié)的屈曲角度為45°，掌指與遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)的屈曲角度為10°～15°，各個(gè)手指關(guān)節(jié)有著較為相近的屈曲度數(shù)，并且各手指間應(yīng)較為分開，將橈骨的中段當(dāng)作數(shù)據(jù)掃描的中心，對(duì)患者的雙上肢進(jìn)行掃描，數(shù)據(jù)掃描模式采用T1-mDIXON-W，其層厚與層距分別是0.2cm與0.1cm，對(duì)矩陣進(jìn)行512重建，設(shè)置曝光間隔為1.5s，以此輸出MRI圖像。

1.3 康復(fù)產(chǎn)品模型的構(gòu)建與設(shè)計(jì)

對(duì)康復(fù)矯正器的設(shè)計(jì)主要是采用CAD軟件來實(shí)現(xiàn)的，通過CAD軟件來進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，并通過3D建模軟件進(jìn)行產(chǎn)品建模，然后運(yùn)用有限元分析軟件進(jìn)行產(chǎn)品分析。在對(duì)康復(fù)矯正器的模型進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，需要將掃描到的MRI圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Mimics軟件中，應(yīng)用Thresholding模塊來分割前臂與手臂閾值，對(duì)其分割的灰度值范圍確定為34～195，然后將分割好的手掌與前臂進(jìn)行初始蒙版儲(chǔ)存，并根據(jù)該蒙板，運(yùn)用Multiple Slice Edit與Masks這兩個(gè)模塊來修補(bǔ)破損與粗糙的位置，然后通過Smooth mask模塊來進(jìn)行光順處理，并通過Calculate 3D模塊進(jìn)行處理與計(jì)算，然后以STL格式進(jìn)行存儲(chǔ)。在對(duì)康復(fù)矯正器的產(chǎn)品模型進(jìn)行表面處理時(shí)，需要將之前計(jì)算獲得的手部與前臂STL格式的模型在Geomagic Studio軟件中導(dǎo)入，然后利用多邊型模塊來平滑處理模塊平面，使矯正器模型的厚度能夠加厚至2mm，以此確?；颊咴谂宕髟摮C正器時(shí)不會(huì)緊緊的貼附在其皮膚上，這樣在3D打印后可將襯墊添加至其中，便可減輕矯正器對(duì)患者橈骨部位進(jìn)行摩擦與擠壓時(shí)的痛感。利用軟件中的精確曲面模塊可對(duì)矯正器的輪廓線進(jìn)行依次檢測(cè)，并對(duì)其曲面片、格柵等進(jìn)行構(gòu)造，對(duì)曲面進(jìn)行擬合操作，分析模型偏差，在利用精確曲面模塊進(jìn)行處理后，即可構(gòu)建出該康復(fù)矯正器的NURBS曲面，通過對(duì)該曲面進(jìn)行最終擬合，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)康復(fù)矯正器的實(shí)體建模。在矯正器模型構(gòu)建后，將其在Abaqus軟件中導(dǎo)入，然后設(shè)置其特性，建立矯正器的裝配體，對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行劃分，確定其載荷邊界，然后對(duì)模型進(jìn)行后處理，這些操作都是有限元操作，通過這些操作可進(jìn)一步優(yōu)化矯正器的模型結(jié)構(gòu)，在3D打印過程中也能節(jié)約耗材，避免載荷低區(qū)域給矯正器產(chǎn)品的強(qiáng)度所帶來的不利影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)康復(fù)產(chǎn)品模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。