巴西研究人员3D打印截肢病人用机械义肢

来源：中关村在线

巴西的研究人员发表了一项研究报告，旨在通过3D打印技术改善机器人机械假肢的特性和无障碍性。机械化假肢有可能为模拟残疾人丧失的功能提供一种可行的低成本替代方案。然而，它的高价值意味着这些设备的购买力很低，使其无法获得。

在他们的论文中，研究人员详细介绍了利用3D打印技术改进上肢机械假肢，通过编程实现的拟人化特征，同时重要的是，他们还重点介绍了该设备的财务成本较低。

真实模型（左）与这项工作中开发的模型（右）之间的比较。图片来自国际高级工程研究与科学杂志

利用3D打印技术提高医疗设备的可获得性
研究报告首先详细介绍了目前假肢市场的现状。虽然这种用于截肢者康复的假肢装置的发展一直在发展，但研究人员解释说，机械假肢在商业上有一个劣势。"这类假肢的价格高于很大一部分正在接受康复治疗的人群的购置条件。购置价值低的人购买假肢最终不具备可行性，因此，他们会选择机械控制和与使用者互动性较低的非自动化机制。"

鉴于这个问题，该研究随后将3D打印定位为设计有效的假肢的潜在技术，并将其定位为低成本的有效假肢技术："可以打印出具有与人类相似特征的模型，使其具有接近真实人体零件的资源性。"

事实上，3D打印已经被用于帮助提高全球各地截肢者的假肢等定制医疗设备的可获得性。最近在3D打印产业上，我们详细介绍了荷兰的非盈利组织3D Sierra Leone是如何为这个西非国家的患者提供定制化的3D打印假肢的。利用3D打印技术，3D塞拉利昂致力于改善塞拉利昂那些接受截肢手术但无法获得相关医疗服务的患者的生活。

在叙利亚，3D打印技术也被用于提供假肢，因为在持续的内战中，传统上制造的假肢设备已经很难找到。在叙利亚工作的英国慈善机构 "叙利亚救济组织"(Syria Relief)已经恳请英国国际发展部(DFID)为该国的儿童提供3D假肢资金。

在马桑加的3D打印假肢。图片来自3D塞拉利昂

3D打印的机械假体
在他们的工作中，研究人员介绍了具有拟人化特征和低经济成本的上肢假肢的开发和改进，研究人员使用3D打印的零件与肌电图（EMG）传感器和应变计力传感器一起使用。

该假肢的设计在AutoDesk CAD软件中建模，然后使用AnetA8 3D打印机进行3D打印。由于AnetA8是一个低成本的系统，它没有配备深度传感器来检测挤出机喷嘴接近台面的深度传感器，这可能会导致碰撞。因此，研究人员选择对该系统进行修改，通过实现感应式传感器来检测金属材料，并更新固件和校准。

假肢上的每一个部件都被设计成机械地相互作用，相当于人类手部组成中存在的骨质结构，由27块骨头组成。"因此，在结构建模结束时，相当于37块，所有的结构都是通过内部的电缆来完成手指的运动。"

假体的内部结构包括直径为2mm的穿孔，以使电缆能够通过装置。拳头用钢制螺钉固定在手和手指上，并利用硬铜连接手指链接。

用于电缆布线的结构。图片来源：国际高级工程研究与科学杂志。

研究人员选择PLA作为第一阶段3D打印的材料，因为它的熔点为190℃，所以研究人员选择了PLA作为3D打印的材料。使用Simplify3D V4.1软件建立了3D打印过程的参数，以确定所需的灯丝量和打印过程的长度。为了实现假肢手指的运动，在4.8V供电时使用了大扭矩13公斤/厘米的伺服电机，工作电压为4.8-7.2V。金属齿轮使手指运动过程中的磨损更小，扭矩也更可靠。为了测量手指在手掌表面的压力，采用了测量范围在100克到10kg左右的力传感器，检测面积为15mm的圆形，检测范围为15mm。

在测试该设备的能力时，研究人员解释说。"事实证明，鉴于假体和目标肌肉之间的测量结果，在假体和目标肌肉之间的测量结果被测量出来，并转化为设备的运动，因此，该传感应用是令人满意的。因此，力传感器能够停止运动，防止手指闭合时对假体的关节结构造成破坏。"

该项目的最终收购价值为2000雷亚尔（374美元），而目前市场上机械假体的平均价格约为20万雷亚尔（37408美元）。

在论文的最后，研究人员详细介绍了3D打印的机械假肢的研究如何推进平价机械假肢的研究。"针对未来涉及机械假体改进项目的研究，可能会提供可以模拟类似于人体皮肤表面触摸的传感器，以及插入新的力传感器和肌电图传感器，以更好地处理消散在肌室中的刺激信号。"