淺談3D 打印在足踝矯形領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

古慶悅，陳貝貝，張新，張賽博，李小海

(1.佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院；2.佳木斯大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

1 3D 打印技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用

3D 打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)或快速成型技術(shù)，出現(xiàn)在20 世紀(jì)90 年代中期，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”，是一種根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)，將金屬粉末、陶瓷、混凝土、光敏樹脂等可粘合材料逐層打印，最終累加為實(shí)體的工藝。3D 打印工藝主要有選擇性激光燒結(jié)技術(shù)、選區(qū)激光熔化技術(shù)和熔融沉積造型技術(shù)等。由于3D 打印技術(shù)具有個(gè)性化、精準(zhǔn)化、制作周期短等優(yōu)點(diǎn)，這種新型技術(shù)的出現(xiàn)，立刻引起了國(guó)內(nèi)外各領(lǐng)域?qū)＜业母叨戎匾暋?/p>

當(dāng)代社會(huì)，由于先天遺傳因素、環(huán)境及不正確的運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等，人類足踝部變形乃至畸形的發(fā)生率大幅增加。模型制造將3D 打印技術(shù)第一次引進(jìn)康復(fù)領(lǐng)域，通過(guò)使用三維掃描設(shè)備獲取患者肢體數(shù)據(jù)信息，使用數(shù)字化建模軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，所得數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)?D 打印設(shè)備，然后選取合適的材料進(jìn)行打印，即可得到定制化的矯形器具。這一技術(shù)使設(shè)計(jì)者有能力根據(jù)每個(gè)患者的特殊需要改變?cè)O(shè)計(jì)以提供極佳的舒適性與矯形效果，并有潛力緩解了我國(guó)在康復(fù)矯形器制造領(lǐng)域?qū)I(yè)人員緊缺的現(xiàn)狀。

2 3D 打印在足踝矯形領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 矯形鞋墊的研究進(jìn)展

足部畸形會(huì)致使足部壓力升高、生理結(jié)構(gòu)異常，造成患者足部疼痛甚至發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷。作為非手術(shù)治療足部畸形的一種方式，矯形鞋墊的制作過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，患者適應(yīng)性更強(qiáng)，用矯形鞋墊矯正足部畸形，恢復(fù)人體足部正常生理力學(xué)與動(dòng)力學(xué)功能，得到眾多醫(yī)生與患者。早在2008年，F(xiàn)austini 等就驗(yàn)證了使用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造出與傳統(tǒng)碳纖維足踝矯形器同樣形狀和功能的AFO(anklefoot orthosis)。Pallari 同樣使用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制造足部矯形器，并對(duì)患者進(jìn)行步態(tài)評(píng)估試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)患者表現(xiàn)出與之前規(guī)定使用的矯形鞋墊一樣的步態(tài)特征，驗(yàn)證了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)生產(chǎn)踝足矯形器的可行性。2011 年，Mavroidis 通過(guò)使用兩種不同的3D 打印材料打印制作踝足矯形器，結(jié)合受試者在踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)與生物力學(xué)方面的醫(yī)學(xué)專業(yè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)3D 打印技術(shù)制造的AFO 可以達(dá)到與傳統(tǒng)AFO 相似的矯形性能。2014 年，Harper 等人在上述基礎(chǔ)上利用3D 打印技術(shù)制作不同剛度的矯形器通過(guò)步態(tài)分析法，發(fā)現(xiàn)踝足矯形器的剛度與步態(tài)之間并無(wú)關(guān)聯(lián)性。經(jīng)過(guò)學(xué)者一系列的研究，可以證實(shí)3D 技術(shù)制造的踝足矯形器與傳統(tǒng)方法制作的在矯形功能、步態(tài)等方面表現(xiàn)基本一致。2016 年，Roberts 等在患者的矯形康復(fù)過(guò)程中進(jìn)行隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過(guò)三維激光掃描技術(shù)制造矯形器整體上并沒(méi)有表現(xiàn)出所期待的明顯的時(shí)間與質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)，歸結(jié)原因，是3D 打印的技術(shù)與生產(chǎn)工具還需改進(jìn)。

有了相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的支撐與肯定，學(xué)者們將研究重點(diǎn)向優(yōu)化踝足矯形器的制造方法與矯形效果方面轉(zhuǎn)移。Cha 等人針對(duì)如何縮短3D 打印技術(shù)制造AFO的時(shí)間設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件，經(jīng)過(guò)三維掃描得到的足部數(shù)據(jù)通過(guò)此設(shè)計(jì)軟件可直接生成用于3D 打印的STL 文件，降低了AFO 的制作時(shí)間與難度。劉震等通過(guò)有限元分析技術(shù)，從優(yōu)化3D 制造AFO 的結(jié)構(gòu)入手，對(duì)矯形鞋墊的填充率進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)降低了3D 打印AFO 的制造成本。在此基礎(chǔ)上，姜繆文進(jìn)一步給3D 打印制作AFO 增加設(shè)計(jì)了具有蜂窩結(jié)構(gòu)的足底墊片，通過(guò)臨床驗(yàn)證，整個(gè)鞋墊不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)足弓的完全支撐，并且墊片的設(shè)計(jì)對(duì)患者足底起到減震緩沖的作用。Schrank 等在2015 年開(kāi)發(fā)了一種新的建模方法，利用CAD 模型與有限元分析技術(shù)，通過(guò)與熔融沉積式技術(shù)的結(jié)合，突破實(shí)現(xiàn)了預(yù)測(cè)調(diào)整踝足矯形器彎曲剛度的目標(biāo)，并具有良好的尺寸精度和制造精度。醫(yī)生可以數(shù)字化上傳患者足踝部數(shù)據(jù)，通過(guò)該設(shè)計(jì)模型快速實(shí)現(xiàn)3D 打印技術(shù)定制化制作踝足矯形器的目的。Alberto 設(shè)計(jì)了一種定制3D 打印足踝矯形器的方法，對(duì)足部數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入與轉(zhuǎn)換后，使用SolidWorks 進(jìn)行參數(shù)化建模與優(yōu)化，最后，在FDM 打印機(jī)上進(jìn)行打印。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品完全貼合患者足部形狀，極大提高了患者足部的舒適性。從理論上看，此方法不需大量的人力物力成本，整體過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，可適用于各類患者身體的不同畸形部位。

從目前來(lái)看，3D 打印矯形器的制作較傳統(tǒng)矯形器的制作過(guò)程自動(dòng)化程度提高，降低了復(fù)雜傷患處矯形器的加工難度，產(chǎn)品設(shè)計(jì)定制化程度更高、適用范圍更廣，是有巨大潛力、值得推廣的治療足踝部畸形的方法。

2.2 3D 打印技術(shù)在臨床治療上的應(yīng)用

不同足部畸形的病因、癥狀不同，應(yīng)用3D 打印技術(shù)輔助治療的方式、效果也不同。陳薇薇等人對(duì)高危糖尿病足患者進(jìn)行自身穿戴3D 打印矯形鞋墊的對(duì)比試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一年的治療，穿戴打印矯形鞋墊患者的足部主要負(fù)重區(qū)域峰值壓強(qiáng)有所降低、足潰瘍的發(fā)生率明顯低于治療前。Xu Rui 研究了3D 打印定制鞋墊對(duì)扁平足患者足底壓力和舒適度的影響，發(fā)現(xiàn)定制的3D 打印鞋墊比預(yù)制鞋墊為平足患者分散了更多的足部集中壓力、提供了更好的舒適性，從而更大程度地減少了有癥狀的扁平足的傷痛。在對(duì)偏癱患者的治療中，結(jié)合大量研究表明，患者穿戴定制足踝矯形器可以改善運(yùn)動(dòng)時(shí)步態(tài)偏移與踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

對(duì)嚴(yán)重的的足、踝部畸形患者，專家需要借助3D 打印技術(shù)通過(guò)手術(shù)為患者提供治療幫助。高斌等人利用CT 斷層掃描技術(shù)采集了扁平足患兒的足踝部數(shù)據(jù)，通過(guò)3D 打印技術(shù)獲取足部模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行診治商討、手術(shù)規(guī)劃與模擬。最終手術(shù)進(jìn)展順利，患者術(shù)中進(jìn)展情況與術(shù)前3D 打印畸形模型的結(jié)構(gòu)變化相同。錢輝借助3D 打印技術(shù)對(duì)高足弓畸形患者進(jìn)行截骨手術(shù)的輔助，術(shù)前通過(guò)1:1 打印模型進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃與模擬，術(shù)中根據(jù)模擬信息精準(zhǔn)定位截骨位置指導(dǎo)手術(shù)順利進(jìn)行。拇外翻在臨床上十分常見(jiàn)，呂志宇等人同樣采用3D 打印技術(shù)構(gòu)建患者腳部拇外翻模型，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)精確定位截骨角度并模擬手術(shù)操作過(guò)程。3D 打印技術(shù)使臨床醫(yī)生根據(jù)術(shù)前模擬情形反饋進(jìn)行手術(shù)，這種治療方式可以提供立體化、可視化的模型，對(duì)不同患者提供更加個(gè)性化的手術(shù)治療方案，有針對(duì)性地解決問(wèn)題。同時(shí)可以為年輕醫(yī)生的成長(zhǎng)提供經(jīng)驗(yàn)幫助。

3 展望與發(fā)展

3D 打印技術(shù)推動(dòng)了矯形器從手工制模進(jìn)入計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)制造，初步實(shí)現(xiàn)了實(shí)體設(shè)計(jì)的自由?？偟膩?lái)看，3D 打印矯形器整體上優(yōu)于傳統(tǒng)矯形器，但并沒(méi)有在康復(fù)矯形領(lǐng)域得到全面應(yīng)用，主要原因有三：一是醫(yī)務(wù)人員對(duì)計(jì)算機(jī)工程軟件的使用流程不熟悉；二是3D 打印機(jī)打印速度較慢，造成了矯形器整體制造時(shí)間的延長(zhǎng)；三是成本問(wèn)題，特別是材料的使用量的問(wèn)題。

目前，3D 打印技術(shù)在矯形領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初步階段，需充分利用醫(yī)工結(jié)合優(yōu)勢(shì)，在臨床中不斷實(shí)踐進(jìn)步，提高生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)速度，降低成本、減少污染與浪費(fèi)，逐步實(shí)現(xiàn)3D 打印矯形器的普及，為康復(fù)矯形領(lǐng)域降低人工成本與壓力，為現(xiàn)代醫(yī)療提供便利。