試談3D打印技術(shù)在康復(fù)矯形器研發(fā)中的應(yīng)用

劉昊

摘要：當(dāng)今社會人口老齡化的程度越來越高，加上交通、生產(chǎn)等事故頻發(fā)，使得我國的殘疾人數(shù)量規(guī)模逐漸加大，而康復(fù)矯形器在社會中的需求量也逐年遞增。3D打印技術(shù)具備外表美觀、成本低以及較強(qiáng)耐用性等特征，其在康復(fù)矯形器研發(fā)中的應(yīng)用日益廣泛。本文將從3D打印技術(shù)的概述層面出發(fā)，對其定義、引進(jìn)與應(yīng)用加以介紹，進(jìn)而從多角度出發(fā)，對此項技術(shù)在康復(fù)矯形器研發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)行描述，以期為有關(guān)研發(fā)部門提供可靠參考。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);康復(fù)矯形器研發(fā);個性化設(shè)計;智能制造;材料優(yōu)化

在類型繁多的醫(yī)用器材當(dāng)中，康復(fù)矯形器占據(jù)著重要的地位，其主要是裝配在人體軀干、四肢等處的一類體外器具，在應(yīng)用過程中證明其能夠有效避免軀體、四肢等畸形發(fā)育。但是在康復(fù)矯形器被正式應(yīng)用前，通常都需要反復(fù)試穿，以便明確其是否與相應(yīng)要求相符合，掌握其動力裝置的可靠性，此過程不僅會消耗人們大量精力、時間，也使使用人員成本有所增加。而3D打印技術(shù)的基礎(chǔ)為數(shù)字模型文件，其在康復(fù)矯形器研發(fā)中的應(yīng)用除了能促使矯形器效果得到提升，更能夠有效節(jié)約相應(yīng)成本。

一、3D打印技術(shù)概述

（一）3D打印技術(shù)定義

所謂3D打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)，又被稱作積層制造與增材制造技術(shù)。此項技術(shù)的基礎(chǔ)主要是計算機(jī)數(shù)字圖像，其打印原料通常為粉末以及液體等，該技術(shù)經(jīng)由逐層疊加、分層制造等形式全面構(gòu)建實物模型[1]。相比于傳統(tǒng)打印機(jī)，3D打印技術(shù)在打印過程中擁有更好的效果、更快的速度、高的精準(zhǔn)度以及低的成本。因此，將優(yōu)勢眾多的3D打印技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)，不僅能夠有效推動醫(yī)療行業(yè)的快速發(fā)展，更能實現(xiàn)醫(yī)療產(chǎn)品的個性化設(shè)計。在我國整體康復(fù)醫(yī)學(xué)發(fā)展過程中，不僅需要重視醫(yī)療手段的先進(jìn)性，更需要注重療效的提升以及全面康復(fù)等。伴隨圖像處理技術(shù)、3D打印技術(shù)以及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的高速發(fā)展，讓3D打印技術(shù)愈發(fā)廣泛地被應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)當(dāng)中，尤其是被應(yīng)用于康復(fù)矯形器研發(fā)領(lǐng)域中。

（二）3D打印技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用

傳統(tǒng)康復(fù)矯形器不僅有著較低的研發(fā)效率、交叉的經(jīng)濟(jì)性以及舒適度，在研發(fā)以及應(yīng)用過程中甚至還會污染環(huán)境。在3D打印技術(shù)告訴發(fā)展的過程中，研發(fā)部門以3D打印、3D掃描以及人工智能軟件的充分融合作為研發(fā)方向，經(jīng)由集成式以及精準(zhǔn)定制的設(shè)計方式，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于康復(fù)矯形器研發(fā)工作當(dāng)中，這能夠充分結(jié)合3D打印技術(shù)以及康復(fù)醫(yī)學(xué)。

如今3D打印技術(shù)類型較多，但是其原理基本相同。然而按照不同的打印原料以及成型方式，可以將此項技術(shù)詳細(xì)劃分成以下幾種：（1）生物打印技術(shù)，其生物墨水主要是生物細(xì)胞，即把生物細(xì)胞噴涂于生物支架上，進(jìn)而展開誘導(dǎo)培養(yǎng)[2]。（2）SLS技術(shù)（選擇性激光燒結(jié)），借助激光的選擇性對陶瓷粉末、熱塑性顆粒材料或者金屬粉末等加以融結(jié)。（3）EBM技術(shù)（電子束選區(qū)熔化），借助電子束使金屬粉末熔融，隨后使其凝固，最終成型。（4）SLA技術(shù)（光固化成型），利用紫外激光對光敏聚合物展開逐層掃描，進(jìn)而使其從液態(tài)最終堆積為固態(tài)模型。（5）LOM技術(shù)（分層實體制造），將熱熔膠涂于薄片材料的表面，隨后逐層展開切割，最后粘貼成型。（6）FDM技術(shù)（熔融沉積成型），在進(jìn)行加熱之后，對PLA與ABS等熱塑型材料進(jìn)行擠壓，隨后逐層進(jìn)行堆積。（7）SLM技術(shù)（激光選區(qū)熔化），利用激光束對金屬粉末進(jìn)行熔融，繼而使之凝固成型。

二、3D打印技術(shù)在康復(fù)矯形器研發(fā)中的應(yīng)用

（一）康復(fù)矯形器模型的制造

在各類醫(yī)用器材當(dāng)中，康復(fù)矯形器屬于一類體外醫(yī)療器材，其最重要的功能便是矯正，例如骨骼矯正和牙齒矯正等。當(dāng)今市場中康復(fù)矯形器類型繁多，這些矯形器都有著各自對應(yīng)的矯形適用部位。研發(fā)人員需要借助3D打印技術(shù)對康復(fù)矯形器優(yōu)先展開三維建模，在此過程中對模型進(jìn)行分區(qū)，使之逐層成為截面，隨后經(jīng)由打印機(jī)逐層打印出來。需要注意的是，研發(fā)人員可以按照矯形部位復(fù)制人體部位，在3D打印技術(shù)當(dāng)中，這些復(fù)制部位能夠完全契合人體。

（二）處理模型截面

在借助計算機(jī)對模型進(jìn)行分區(qū)，使之逐層成為截面之后，3D打印機(jī)將會按照被系統(tǒng)分析過的文件當(dāng)中數(shù)據(jù)信息，逐層打印這部分截面，并且通過具備可粘合性材料，用多種方式粘合各層截面，最終制造出相應(yīng)實體。研發(fā)人員若想得到更有效的模型截面信息，應(yīng)該將打印機(jī)的打出厚度設(shè)置成0.1㎜;將相應(yīng)墨水水滴直徑成0.05㎜，以便使3D打印的時間被有效縮短。

（三）矯形器打印

在進(jìn)行矯形器打印時，應(yīng)該按照被分區(qū)三維模型相應(yīng)逐層截面來逐層進(jìn)行打印。研發(fā)人員在此過程中若想確保得到物品擁有較高的分辨率，應(yīng)當(dāng)在正式打印之前利用三維打印機(jī)將更大的物體打印出來，隨后對其表面稍微進(jìn)行打磨，從而使物品表面更為光滑，分辨率更高。

（四）3D打印技術(shù)在康復(fù)矯形器研發(fā)中的具體應(yīng)用

1.上肢矯形器

某研發(fā)部門為了幫助一名四肢麻痹癥病人可以用手指更為輕松地拿物品，為其設(shè)計研發(fā)了手指矯形器。

在設(shè)計階段，研發(fā)人員為病人手部優(yōu)先制作石膏模型，隨后對此模型展開三維掃描，進(jìn)而進(jìn)行三維建模。在進(jìn)行三維建模時，研發(fā)人員遇到的最大問題便是怎樣才能把此矯形器更有效地結(jié)合到病人的手部，因此研發(fā)人員嘗試多種方案。結(jié)合時需要使康復(fù)矯形器外殼緊貼病人手腕，同時用較小部件對手指部分進(jìn)行支撐，以此來對人手指關(guān)節(jié)進(jìn)行模仿。另外，研發(fā)人員還在其中添加了杠桿控制部件，結(jié)合3D打印部件，使病人借助杠桿控制部件來活動手指。該矯形器含有70多個3D打印部件，在完成裝配3D打印部件后，研發(fā)人員還將魔術(shù)貼添加其中，以便對此康復(fù)矯形器進(jìn)行固定。

2.下肢矯形器

在對支撐型矯形器進(jìn)行設(shè)計和研發(fā)的時候，研發(fā)技術(shù)人員一般會被個性化的結(jié)構(gòu)所束縛。這主要是由于材料厚度配置、形態(tài)以及功能等都需要與每一名病人實際需要相符合。如果要應(yīng)用一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，以往傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)很難確保其精準(zhǔn)性。除此之外，因為傳統(tǒng)制造工藝有著較高的成本，同時也很消耗時間，所以很少會存留現(xiàn)貨。某些研發(fā)人員為了能夠?qū)⒁陨蠁栴}順利解決，積極引進(jìn)了3D打印技術(shù)，通過借助這些先進(jìn)的3D打印技術(shù)以及相應(yīng)咨詢服務(wù)，從而實現(xiàn)按照每一名病人的實際需要定制個性化的康復(fù)矯形器。

某足部/踝關(guān)節(jié)康復(fù)矯形器設(shè)計了許多的透氣孔，整個腳面幾乎都被環(huán)狀封閉系統(tǒng)所覆蓋，能夠避免有出過多的汗。

在傳統(tǒng)的制造過程中，正如前文所言，制造出來的康復(fù)矯形器不同材料厚度以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)與當(dāng)前病人實際需求并不相符。而融合了許多功能的康復(fù)矯形器，往往需要制造方動用大量人力，以手動的形式組合各類單獨零部件，來完成對矯形器成品的生產(chǎn)，會消耗大量人力、物力和時間;對于患病兒童來說，由于其處于身體快速發(fā)育階段，因此更換康復(fù)矯正器的頻率較高，傳統(tǒng)制造工藝的靈活性很難符合此項要求。

在應(yīng)用3D打印技術(shù)后能夠發(fā)現(xiàn)，此項技術(shù)可以充分提升設(shè)計的自由度，同時也能實現(xiàn)集成一級復(fù)雜造型等功能。即使在相同類型的康復(fù)矯形器當(dāng)中，也能夠?qū)Ω黝惒牧系暮穸燃右詡€性化變換，進(jìn)而對特定部位硬度以及靈活性進(jìn)行加強(qiáng)。

研發(fā)人員為某病人設(shè)計了輕量化矯形器，該病人由于車禍只能依靠輪椅活動。研發(fā)人員借助3D打印技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)矯形器，在設(shè)計時，研發(fā)人員應(yīng)該優(yōu)先掃描病人的腿部，隨后設(shè)計具有個性化、同時符合病人需求的康復(fù)矯形器三維模型。該膝踝足康復(fù)矯形器的夾板有著較輕的重量，良好的透氣性，其支撐性也較強(qiáng)[3]。

三、結(jié)論

總體而言，對于整個社會來說，康復(fù)矯形器的有效研發(fā)和應(yīng)用都具有極為積極的影響，而廣泛應(yīng)用以及持續(xù)完善3D打印技術(shù)，則會使矯形器的研發(fā)、制造更為簡便，有效提升匹配度，同時提升使用人員的康復(fù)程度以及舒適度。另外，應(yīng)用此項技術(shù)后，還可以提升設(shè)計康復(fù)矯形器的整體質(zhì)量，進(jìn)而使研發(fā)、使用成本都得到有效降低，最終促進(jìn)康復(fù)矯形器朝著智能化和數(shù)字化的方向健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃楚紅，黃文華，黃國志.3D打印技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2020，35（01）：95-99.

[2]張強(qiáng)，曹杰，莫中軍.3D打印技術(shù)在康復(fù)矯形器研發(fā)中的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程，2019（22）：153-154.

[3]彭齊峰，廖文波.3D打印技術(shù)在康復(fù)工程中的應(yīng)用[J].按摩與康復(fù)醫(yī)學(xué)，2018，9（06）：3-5.