3D打印技術(shù)在康復(fù)矯形器研發(fā)中的應(yīng)用

（四川省康復(fù)輔具技術(shù)服務(wù)中心，四川 成都 610021）

3D打印技術(shù)，又稱快速成型技術(shù)，是指以計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像為基礎(chǔ)，使用液體、粉末等材料為打印原料，通過分層制造，逐層疊加等方式進(jìn)行實(shí)物增材制造的技術(shù)。3D打印技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)造型、機(jī)械制造、航空航天、軍事、建筑等領(lǐng)取得到了廣泛應(yīng)用。3D打印技術(shù)是我國“十三五”計(jì)劃重點(diǎn)支持、重點(diǎn)發(fā)展的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)之一，并被列入“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持的重大專項(xiàng)之一。衛(wèi)計(jì)委、工信部和國家食品藥品監(jiān)督總局等單位，出臺(tái)了一系列產(chǎn)業(yè)支持政策，并明確指出“3D打印技術(shù)在醫(yī)用方面的前景大、市場廣，工信部將加大扶持和協(xié)調(diào)力度”，3D打印醫(yī)療器械對(duì)促進(jìn)醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展，推進(jìn)國家的發(fā)展具有重要意義，為此，工信部等十二部委發(fā)布了關(guān)于印發(fā)《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》的通知。隨著我國康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,康復(fù)領(lǐng)域跨學(xué)科的合作日益增強(qiáng)，除了醫(yī)療的手段,康復(fù)工程技術(shù)的依存對(duì)全面康復(fù)、提高療效也是必不可少的。3D打印技術(shù)的發(fā)展、醫(yī)學(xué)成像技術(shù)和圖像處理軟件的提高，使3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用的廣度和深度方面都得到了顯著發(fā)展，特別是在康復(fù)矯形器的研發(fā)上，為個(gè)性化的定制創(chuàng)造了條件。

1 3D打印技術(shù)的引進(jìn)及應(yīng)用

針對(duì)傳統(tǒng)矯形器傳統(tǒng)制作方法存在的效率低、舒適性和經(jīng)濟(jì)性差、環(huán)境污染等問題，我中心一直試圖探索便捷高效的制作流程。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，以3D掃描、人工智能軟件和3D打印這三種技術(shù)相結(jié)合為突破口，通過精準(zhǔn)的定制設(shè)計(jì)和集成式設(shè)計(jì)，把3D打印技術(shù)引入到康復(fù)矯形器的研發(fā)中來，體現(xiàn)了康復(fù)醫(yī)學(xué)與3D打印技術(shù)的完美結(jié)合。當(dāng)前各種不同類型的3D打印技術(shù)基本原理一致，但根據(jù)成型方式與打印原料的不同可分為以下幾類：（1）選擇性激光燒結(jié)(SLS)：使用激光選擇性融結(jié)熱塑性顆粒材料、金屬粉末、陶瓷粉末等；（2）光固化成型(SLA)：使用紫外激光逐層掃描光敏聚合物，使其由液態(tài)堆積成型為固態(tài)；（3）熔融沉積成型( FDM) ：加熱后擠壓ABS、PLA 等熱塑型材料進(jìn)行逐層推積；（4）分層實(shí)體制造(LOM)：在薄片材料表面涂上熱熔膠后逐層切割粘貼成型；（5）激光選區(qū)熔化(SLM)：使用激光束熔融金屬粉末后凝固成型；（6）電子束選區(qū)熔化(EBM)：使用電子束熔融金屬粉末后凝固成型；（7）生物打?。褐饕陨锛?xì)胞為生物墨水，將其噴涂在生物支架后進(jìn)行誘導(dǎo)培養(yǎng)。圖1所示的3D打印機(jī)為Maker bot Z18，基于FDM打印技術(shù)，可以對(duì)不同材料的矯形器進(jìn)行研究。

圖1

1．1 數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)康復(fù)矯形器的制作主要通過手工取形采集數(shù)據(jù)，患者須得脫衣纏繞潮濕的石膏繃帶，心理和體感上都很不舒服。3D打印主要是基于不同方向的平面圖像構(gòu)建三維人體模型，也可以通過紅外線激光掃描儀掃描人體模型，與傳統(tǒng)的手工取形相比，掃描取形過程中患者不用脫去衣物，能最大程度的減少患者穿戴衣物的煩惱，且取形時(shí)間很短，掃描結(jié)束后，數(shù)據(jù)同步傳送到電腦上，用于建立患者數(shù)據(jù)庫和后期模型制作。3D掃描不用接觸患者就能取型，且模型數(shù)字化時(shí)間短，精準(zhǔn)度高，讓患者更舒適，在提供便捷舒適康復(fù)矯形器產(chǎn)品的同時(shí)，給予患者更有尊嚴(yán)的適配體驗(yàn)，圖2所示為我中心的3D鞋墊足底掃描儀，該掃描儀能準(zhǔn)確獲得患者足底的三維尺寸，并測(cè)量足部壓強(qiáng)分布，用以分析患者足部患疾原因，為患者量體裁衣，進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)。

1．2 矯形器的設(shè)計(jì)

矯形器制作師將掃描儀采集的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維設(shè)計(jì)軟件中，結(jié)合患者的CT、MRI圖像進(jìn)行矯形器的分析、設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的手工修形設(shè)計(jì)相比，矯形器制作師可以在三維設(shè)計(jì)軟件上根據(jù)患者的實(shí)際情況進(jìn)行不斷地適配模擬分析，直至找到最佳方案，可以最大限度地提高矯形器的一次成功率。圖3所示為矯形器制作師結(jié)合掃描照片為患者設(shè)計(jì)足部矯形器。針對(duì)矯形器的透氣性及減重性問題，設(shè)計(jì)了部分孔隙鞋墊及全孔隙鞋墊，并基于不同的孔隙結(jié)構(gòu)選擇，研究了不同多孔結(jié)構(gòu)鞋墊的力學(xué)性能及流體性能。

圖2

圖3

1．3 矯形器的制作

設(shè)計(jì)完成后，可以根據(jù)患者需求及實(shí)際情況，制作不同材料的矯形器，圖4所示為我中心使用3D打印機(jī)，基于FDM打印技術(shù)打印的矯形器以及使用德國GO-TEC公司的3D鞋墊智能加工中心系統(tǒng)加工的3D矯形鞋墊成品。

圖4

2 結(jié)語

康復(fù)矯形器研發(fā)與應(yīng)用是一個(gè)關(guān)系社會(huì)發(fā)展的普惠性工作，3D打印技術(shù)的應(yīng)用及不斷完善，基于個(gè)體特征數(shù)據(jù)打印制造矯形器將變得更加便捷，匹配度更高，能夠有效提高患者的舒適度及康復(fù)程度；同時(shí)，3D打印技術(shù)的應(yīng)用，有益于提高康復(fù)矯形器的設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低制造成本以及減少環(huán)境污染。作為一種精準(zhǔn)的快速成型技術(shù)，3D打印技術(shù)制造的康復(fù)矯形器投入臨床應(yīng)用前景可期，隨著3D打印技術(shù)的引進(jìn)，我中心也將繼續(xù)探索“醫(yī)工結(jié)合”新模式，為患者提供更加舒適、經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品和更為便捷、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，同時(shí)，制造產(chǎn)品的材料將更加健康環(huán)保，并具有更多的醫(yī)學(xué)功能，進(jìn)一步推動(dòng)康復(fù)矯形器行業(yè)由傳統(tǒng)手工制作向數(shù)字化、智能化發(fā)展。