使用低成本3D打印机设计制造定制化膝关节矫形器

供稿人:汤磊 李涤尘

康复医学中使用的矫形器现面临着缺乏佩戴舒适感和难以适应使用者运动状况的挑战。 尽管定制化矫形器的出现能够在一定程度上解决这些问题，但其设计与制造过程存在着时间长、难度大、成本高的问题，难以大范围的推广应用。葡萄牙里斯本大学的研究者将3D扫描、3D建模和3D打印技术相结合，提出并评估了一种用于康复医学的定制化产品的设计制造方法。该方法被应用于针对脑瘫患者的定制化膝关节矫形器中，研究者同患者一同开发，共设计并测试了4中不同的设计方案，证明了该技术在大规模工业化应用中的潜力。

参与设计的患者被诊断为痉挛性双腿瘫痪，这种类型的脑瘫的特征是四肢所有肌肉的张力都很高（其中腿部最为严重），过强的肌肉张力会导致人体正常运动姿态的变形。为保证手术治疗的效果，需要为患者设计一款用于膝关节定位的矫形器，以防止膝关节的过渡弯曲以及在日常生活中关节出现的错误姿态。

定制化膝关节矫形器的设计制造主要有以下三个步骤：3D扫描、3D建模和3D打印。第一步通过三维扫描仪获取患者相应肢体区域的几何形貌，重建出患者肢体的数字模型（图 1）。第二步则是在此基础上对肢体模型进行一定程度的图像处理，并以此创建矫形器的三维模型。第三部就是利用3D打印技术制造矫形器产品。

图 1 获取肢体三维扫描数据

其中，在扫描的过程中，用深色的薄丝袜覆盖待扫描的区域以获取准确的肢体形状，丝袜上随机放置的标记点也能够有效的提高扫描模型的精度。获取到患者肢体的几何模型之后，通过CAD工具对模型进行修补与光顺，并在肢体模型的基础上通过表面偏移创建相应矫形器的几何模型。最后，将生成的矫形器模型文件导入到3D打印机中进行打印制造，所用的材料为丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）和热塑性聚氨酯（TPU）。矫形器制造完成之后在其内侧贴有一层氯丁橡胶织物以提供更好的使用舒适度。

研究者们一共为患者提供了4中矫形器的设计制造方案，患者使用过后最终选择了方案4（图 2）。作出该选择的主要原因有两个因素，一是方案4能够先松开上部绑带，然后弯曲膝盖，再松开下部绑带，穿脱更加方便；二是相较于其他方案，方案4没有镂空结构，支撑面积更大，这样在膝关节弯曲的时候不会在边缘区出现高接触压力。同时，患者表示与之前佩戴的矫形器相比，以上所有的矫形器设计方案在总体上都有进步，因为它们更小更轻且易于携带。

图 2 4种3D打印矫形器以患者试用情景

目前该技术仍存在一些问题有待改进。首先是需要简化三维扫描获取肢体形貌的流程。采用不需要造影剂或标记点的扫描仪，缩短扫描的准备时间。提高扫描仪的采集速率，缩短扫描时间，避免患者因长时间保持肢体静止不动而产生的不适。其次是制造设备的问题，低成本的3D打印设备（FDM）通常有其尺寸的限制，无法打印大尺寸的矫形器产品，分开打印再拼接的方法势必会造成产品强度的问题，因此，大尺寸的专用打印设备是必需的。关于制造的时间，研究者提到随着该方法的工业化，其设计与制造的时间将大大缩短，最终的矫形器在不到48小时内就完成了整个设计制造流程，包括三维扫描（10min）、参数化建模（1~2h）和3D打印（大约12h）。如果能够根据患者的三维图像使用预先设计好的模板，还能够更进一步的缩短设计制造的时间，这与传统的定制化矫形器制造方法相比是一个很大的优势。

参考文献：
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:汤磊 李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室