深度研究：3D 打印腰部健康护具设计研究

作者：姚翔翔，   姚翔翔，李至惟，马博文，刘一帆，黄睿资 （南京艺术学院）

1 3D 打印相关概述
被称为“第三次工业革命重要标志”之一的 3D打印技术，随着多年的不断摸索和发展与进步，其技术体系和材料创新时至今日更是层出不穷、日新月异，成为航天航空、汽车电子、生物医疗等专业领域的热门技术。而 3D 打印材料，包括可成型工艺更是凭借绝对的发展潜力，成为未来研发的热点[1]。传统 3D 打印材料（工程塑料、光敏树脂、生物医用高分子材料、金属材料、陶瓷材料等[2]）随着科技的快速发展，逐渐从单一转向多元复合，复合材料通过彼此性能上的取长补短，可产生协同效应，使综合优势更加突出[3]。

可成型工艺主要瞄准同一材料的构造变更，是针对同一材料的 3D 打印设计改良。持续的研究，比康奈尔大学的 3D 打印金属新技术研究、普渡大学的多激光 3D 打印研究、凯斯西储大学的类骨骼 3D 打印聚合物研究等，一直是近年来科学实验室的重点研究课题[4]。

对于以造型擅长的设计专业，工作坊课题研究的重点和难点放在了“设计改良”部分。相关材料和工艺的思考侧重于普材的适应性应用，选择了 3D 打印两项常规的快速成型技术：SLS（Selective Laser Sintering） 与 SLA（Stereo Lithography Appearance），即选择性激光烧结和光固化成型技术。其中，SLS 打印材料选择的是工程塑料中的结晶性高分子尼龙（PA），SLA选择的是高分子聚合物光敏树脂（UV 树脂）。SLS（Selective Laser Sintering）选择性激光烧结技术，是指以粉末为原料，通过对数据模型分层切片信息的激光扫描烧结，一层层堆积成型；待烧结完毕，去除掉未烧结的粉末，取得成品。优点在于速度快、精度高、材料适应性广，兼具柔韧性、自润滑性、耐磨性、耐化学性、气体透过性、耐油性以及容易着色等优点的尼龙（PA），是能够满足 SLS 加工成型要求，应用最为广泛的高分子材料种类[5]。

SLA（Stereo Lithography Appearance）光固化成型技术是指借助光敏树脂这一特殊的热塑性高分子聚合物的两大特性：基础控制条件下具有较好可塑性和流动性，以及在光照条件下可发生聚合或者固化进而体现出快速凝固的能力；打印系统包含单体、预聚物和光引发剂；通过紫外光斑扫描光敏树脂“凝固”成型。光固化 3D 打印流程见图 1，经过技术的不断更迭，SLA 现已是高精度人体组织工程、精密器械等的制造首选技术[6]。

图 1 光固化 3D 打印流程图

2 腰部健康护具市场需求分析
2.1 研发必要性
在日常生活中除了仰卧姿态，大部分时候人体的腰部都在承受着全身 60%以上的重量和压迫。在长时间的工作中，坐姿状态下腰部承受的压力更是站姿的1.5 倍以上。据资料显示，腰背疼痛影响着世界 60%~ 80%的人口，60 岁以上老人从未患过颈肩和腰腿痛的人几乎为零，其中约 20%终身难愈，西方总发病率为15.2%~30%，国内腰痛患病率达 42.7%~72%[7]。目前职场中人均每天工作 8.66 小时，各类腰部疾病已经成为常见的病痛之一[8]。除了工作劳累外，生活压力较大、不健康的生活方式、长时间开车、坐姿不正确以及缺乏有效锻炼等都是罹患慢性腰痛的因素。这些因素导致腰部相关疾病的发病率逐年上升，且病龄日趋年轻化[9]。进一步的数据信息显示，人体有 85%的疾病由脊椎关节错位而导致：正常脊柱如果失去力学动态平衡将会出现肩颈、腰腿疼痛等病症，而腰椎间盘是脊柱承受压力、维持稳定的主要部分，若腰部出现问题，将会导致脊柱更深层问题的出现[10]。

腰椎病患者长期处于病痛之中，势必对心理健康与生活品质产生诸多的负面影响。因而，在日常生活中需要借助外部稳定性因素——腰部健康护具来承托支撑腰部，缓解压力，减轻疼痛。2022SINC 第五届上海国际护理大会，朱晓颖[11]曾以腔镜外科医生为研究对象，通过实验对比，提出久坐人员佩戴预防性腰托能够更好地控制腰部疼痛症状，改善腰部功能，降低腰肌劳损发生率。一款品质设计优良的腰部健康护具，不但可以治疗、缓解并预防腰部脊椎相关疾病，改善疼痛症状，其本身的装饰、美化作用所带来的健康体验感，更可以减少因病痛而导致的心理负担与痛感恐惧。

2.2 市场现状
目前市面上的腰部健康辅助产品主要包含预防使用的腰靠、腰垫，以及以治疗、康复训练为主的鞍式腰托、药磁腰托两大类。

普通的腰靠、腰垫，因功能单一故而价格相对低廉。在材质上通常有羽绒、海绵、棉花、PP 棉、乳胶等类别可供选择；在制作工艺方面，常加工成曲线型以贴合腰部生理结构。在生产过程中，产品尺寸和指标通常依靠平均数据统一设计加工而成。标准化生产流程带来规格化的外观，虽然不可能完全贴合每个病患的腰部实际，适应性欠缺，但胜在功能要求不严，仅从使用体验来看，基本能够满足“根据不同环境挑选心仪产品”的需求。

鞍式腰托是一种医疗辅具，主要是由患者主控的“自主性被动锻炼”外固定器康复支具，通过自我锻炼的方式辅助治疗腰部疾病。此种腰托便携，使用方便，能够根据自我意愿随时固定或解除固定；在工艺上采用三点加压原理更具稳定性；能够反复使用，大大降低了治疗成本，制作流程见图 2。但其外部美观性与艺术性不足，产品也不能根据个人需要调节，提供不了更精准的辅疗效果。此外，石膏制作工艺复杂，制作时间长[12]。

药磁腰托可以改善腰部功能和日常生活对腰部的作用力，配合医生的疗法能有效缓解腰椎间盘突出症患者的疼痛，可以有效改善患者腰部功能及翻身、坐、站、行走等日常功能[13]。但药磁腰托的使用必须有医护人员的指导和帮助，否则较难完成；且其造价相对较高，一般在医院进行，方便性有所欠缺。与鞍式腰托一样，药磁腰托常规产品也不能根据个人需要进行调节，提供不了更精准的辅助效果。综上所述，目前市面上腰部健康辅助产品的缺陷集中表现在很难满足个性与适应性、艺术与功能性、单价与制造速度的平衡与协调三个方面。因此，抛却雷同，另辟蹊径才可能是设计有效的解决办法，3D打印可成型工艺研究（同一材料的 3D 打印设计改良），也许是一个可行的方向。

2.3 3D 打印护具前景
科技的进步让类外骨骼式的支撑护具设计呈现成为可能，随着 3D 打印技术与临床医学的跨界携手，实现了“医工结合”的跨学科交叉创新应用，取得了众多科研创新成果[14]，如图 3 和图 4。

图 2 鞍式腰托模具的制作流程

在制作工艺方面，3D 打印技术流程简便且快速、精准，工艺适用性强，能够满足复杂曲面、镂空等需求，如果设计合理可同时具备美观性。在材料选择方面，因腰部健康护具属于外部器材，不需要生物相容性，故而对材料的要求相对单纯，如上文所说，尼龙（PA）、光敏树脂（UV 树脂）非常适合作为支持此次设计实验的主材。

图 3 颈椎术后外固定支具

图 4 肢体术后外固定支具

如能通过对模型的特殊设计，将数字设计、仿生学、3D 打印技术进行有效融合，在满足传统支撑护具功能的基础上进一步扩展有益于人体健康的附加效用，以平均数据为基准设置个性变量，最终应当可打印、组合、制造出成型精度理想、外观效果良好、功能和适应性俱佳的 3D 打印产品。这样的护具产品穿戴舒适、制造简化、效果精准、结构轻便，同时满足了个性与适应性、艺术与功能性、单价与制造速度之间的平衡与协调，势必可以大幅提升产品的市场响应度

3 腰部健康护具的设计策略
3.1 设计原则
基于目前腰部健康护具的研发与市场现状，在产品的设计策略上，遵循有效、便捷、个性的设计原则。首先，产品须满足基本的腰背助力需求，以具有一定的创新性的功能设计，从而有效环节腰椎压力，达到用户康复治疗的目的；其次，产品须对人体腰背部结构具有贴附性，在满足穿脱便捷要求的基础上尝试添加尺寸调节或快速反应功能，以确保用户的穿戴体验；最后，基于基本功能要求与强度要求，倡导整“机”的结构轻量化、集约化和个性穿戴的视觉美观与时尚效果。

3.2 创意方向
目前市面上现有腰部护具的主要功能基本集中在支撑腰部肌肉方面，在该功能之上，尝试添加穴位按摩功能以增强产品的深入对点理疗性能。在穴位按摩方面，结合传统中医关于腰背穴位的相关理论与实践，以现代化电脉冲理疗仪的电脉冲装置为技术依托，根据不同的病状对不同的穴位进行电脉冲按摩。产品在满足治疗与康复功能的同时，也可以起到舒缓与预防的作用，使产品针对性的康复治疗或深入理疗成为可能。

针对目前市面上腰部护具产品存在的如产品规格固定化、治疗方式单一化等适应性缺陷，考虑结合3D 打印技术与中医穴位相关理论，在快速生产的基础上同时满足定制化与针对性的需求。在设计规格方面，根据不同用户的年龄、性别、体形等个体区别数据，在 MAYA 中对产品的形态进行整合归纳，并以此数据库为依据对不同用户的个体情况进行参量个性化微调；在设计功效方面，依据中医穴位理论对不同病状进行分类，并据此调整相应的电脉冲穴位点位，最终利用 3D 打印技术打印出定制化、针对性的腰托。

3.3 技术可行性
穴位电脉冲护理法早在 19 世纪便应用于医疗行业。开始多用电针治疗神经痛和风湿症，其后电疗法随之产生并渐渐成熟。至 20 世纪初，学者尝试将电疗法用于细胞研究，发现其能够使细胞膜通透性增加，其后电脉冲化学疗法被创立，开始将电脉冲与化疗药物相结合来治疗肿瘤。到了 21 世纪初，电脉冲逐渐被运用于理疗仪辅助临床治疗。电脉冲治疗根据频率可分为低频、中频和高频电疗法。其中理疗仪多采用低频周期信号调制中频双向脉冲的方式进行治疗。调制中频电疗法属于中频电疗法的一种，采用1~150 Hz 的低频周期信号调制中频脉冲。该方法兼具中频与低频的优点，且具有镇痛、促进血液循环、促进淋巴回流、锻炼骨骼肌、提高平滑肌张力、神经节段反射、调节自主神经功能、消炎等效果，临床应用于骨关节疾病、软组织疾病、NS 疾病、消化系统疾病、泌尿系统疾病等[15]。

现市面上的电脉冲理疗仪一般按照体量大小进行分类，大号理疗仪不易携带但功能较齐全，小号理疗仪多用于针对性病状。电脉冲与腰托的结合，原理上即是将电脉冲理疗仪的电极片连接至腰托上，在腰托的基础功能之上，增添电脉冲按摩功能。

《灵枢经》中提到：“膀胱足太阳之脉，起于目内眦……是动则病冲头痛，目似脱，项如拔，脊痛，腰似折，髀不可以曲，腘如结，踹如裂，是为踝厥。是主筋所生病者……项、背、腰、尻、脑、踹、脚皆痛，小指不用。为此诸病，盛则泻之，虚则补之，热则疾之，寒则留之，陷下则灸之，不盛不虚以经取之[16]。”不难看出，足太阳腧穴主治各种腰背部疼痛，而足太阳经一侧共 67 穴，其中有 39 穴分布于人体腰背部，见图 5。以此为依据，可于腰托内侧对电极片的点位进行布置，使腰托的电脉冲按摩更针对人体穴位，更加利于用户的康复治疗或理疗。

在满足传统腰部支撑护具使用功能的基础上，还可以选择性地增设技术细节。比如借鉴外骨骼研究成果，利用仿生学以及动力学原理，在护具中加入能够接受人体肌肉反应和生理信号的传感器，通过植入的传感芯片对人体日常运动过程中的信息进行捕获与感知，经由护具中芯片的数据捕捉、处理，以随时掌用户的肌体数据，进而对反馈数据给予相应的操作策略，见图 6，更有效地进行康复性复健保养。从前文的 3D 打印相关概述可知，3D 打印技术具备制备快、精度高、成材多、适性强等特点。近年来 3D 打印技术在医疗器械康复辅具领域被广泛运用。目前国内外相关研究的主要对象多为假肢、矫形器、外固定支具等辅具，且部分研究成果已成功地应用于临床康复治疗[19]。其种类繁多，且个体化差异较大，因此 3D 打印技术与个性化定制具有极高的契合度，这样使通过 3D 打印技术定制不同身体尺寸的腰托成为可能。

图 5 人体腰背部穴位分布图[17]

图 6 传感原理示意[18]

腰托的常规尺寸范围以上缘达肋下缘，下缘至髂前上棘，坐下时不碰到大腿为宜，松紧则以能塞进一个手指为宜。在定制时设计变量主要包括产品护腰长度、用户腰围长度、腰胁变化曲度等，材料选择兼顾透气性、舒适性与一定程度的形变性。在“骨架”等模型基础结构项不变的前提下，通过对参数和规格的调整，快速有效地对模型非基础项进行调整，在保证关联性的基础上，进一步实现协同设计，缩短设计周期，优化设计结果。

4 腰部健康护具的设计实践

4.1 信息整合
将前文所提及的身体相关数据以及社会调研得到的信息，结合身体结构、传统中医穴位等信息，筛选并整合成一套信息流程，并绘制树状图，见图 7。

4.2 仿生结构思考
肌纤维即肌细胞，呈长纤维状，每条肌纤维可有上百个细胞核。细胞质内有大量肌原纤维，肌原纤维之间有肌质网、线粒体、脂滴、糖原等，见图 8。肌纤维组成肌束，以肌束为单元的肌纤维集合所构成的空间结构具有稳定性与一定的韧性，能够维持身体肌肉结构稳定并适应各种肌肉的运动。仔细观察肌纤维的截面，借鉴类似泰森多边形的网状结构作为设计腰托的基础结构，在保证结构稳定与延展强度的同时，更加契合 3D 打印技术的特质且满足轻质化的新要求（见图 9）。在以上基础技术理论的支撑下，深入考虑产品人体工学与智能化相关的优化方法。首先，出于对最大化发挥支撑护具功能的考虑，在原型方案的基础上，参照肌肉在骨骼上的包裹方式（见图 10），整体体量收缩至包覆、紧贴状态，突出增强腰部支撑负荷力。

4.3 电脉冲设备植入
电脉冲设备的选择结合了路超于其论文《多功能电脉冲理疗仪的设计与实现》中的实验结果，实验以电脉冲模拟中医按摩手法，其结果对腰托的设计具有一定的参考价值。在其实验中以调制中频电疗法为基础，使用中频脉冲为 1~10 kHz 的双向对称脉冲，采用了六种 0.5~50 Hz 低频周期信号对中频脉冲幅值进行调制。根据隔离反激式开关电源原理，设计了输入

图 7 设计研究的信息流程

电压范围宽、稳定性好和效率高的±16.5 V 双路输出开关电源和 3.6 V 输出的 DC-DC 变换电源电路等。一方面，采用 MSP430F4250 单片机设计了包含按键

图 8 肌纤维结构分解示意[20]

处理、DAC 输出和 LCD 显示的控制电路；另一方面，采用 TDA2030A 设计了波形放大电路，保证不失真传输的同时提高驱动能力。实验证明，开关电源效率在 82%~87%，输出电压纹波系数为 3.18%，负载调整率为 3.45%，输出的波形与对应的低频调制波波形一致，并且具有明显的中医按摩效果[15]。目前市面上的电脉冲理疗仪多为一个主电机带转接线连接电极片的形式。由于该种理疗方式的理疗时常通常在 20 min 左右，且理疗时人体多处于静止状态，所以当考虑将电脉冲设备与腰托结合的时候，倾向于一种电极片与电机可分离的模式：当需要多功能模式理疗时，腰托可通过转接线连接上主电机进行

图 9 肌纤维-腰托结构示意[21]

图 10 人体脊柱、肌肉模型图示[21]

不同模式或档位的选择，例如针对不同病状或是不同力度；而在脱离主电机的状态下，腰托仍可以依靠两翼中间的自备电池进行简单理疗按摩并持续供热，以提供持续便捷的理疗体验，见图 11。

图 11 实验腰托电脉冲点位及隐形腰带示意

4.4 定制化分析
1）共性。生成的过程和基础数据不变，设置调节点以应对受用者不同身体数据的变化[22]，见图 12。

图 12 实验腰托基础参量电池组示意

2）个性。选取特定的个案，根据受试者身体信息调整相应的参数，生成个性模型[22]，见图 13。

4.5 数字模型构建
经过对患者自身数据的分析，结合仿生结构设计与电脉冲设备植入设计[23]，整合归纳为复杂的信息系统。通过三维软件 MAYA 以曲线的方式构建出符合人体工程学与生态学的数字化模型，在此基础上进一步优化，发展出符合身体结构的腰部健康护具形态[24]。设计模型草图，见图 14。

4.6 打印成型与整合
依前文所述，3D 打印选择了 SLS（Selective Laser Sintering）高分子尼龙(PA)与 SLA（Stereo Lithography Appearance)光敏树脂（UV 树脂），根据腰部疾病者和日常预防人群需求的不同，可灵活选择不同的材料，单独或组合拼装制作。针对有高质量、可循环使用、帮助治疗及日常恢复需求的患者，推荐弹性好、强度高、重量轻但价格相对较高的尼龙作为打印主材；对于以日常理疗、缓解疲劳、预防疾病为主的青少年，体重较轻、对强度要求不高的病患人群，推荐光敏树脂材料，虽然弹性与强度相对尼龙较差，但价格更为经济[25]。

图 13 实验腰托参量调整变化示意

图 14 实验腰托模型呈现

图 15 实验腰托模特佩戴图

在设计的过程中，整套电脉冲装置是根据受众个体的身体数据，直接并入腰托模型，最终一体化打印成型的。实验腰托模特佩戴图见图 15。

4.7 功效验证与测试
寻找了 12 位设计专业学生（长期电脑操作使用者），对两种不同材质（尼龙和光敏树脂）的打印产品功效进行了测试，测试结果见表 1 和图 16，基本达到了设计预期。

4.8 技术性特征总结
可成型工艺（同一材料的 3D 打印设计改良）配合人体仿生学成就了产品整体设计制作的完成。综合实验腰部护具的技术表现性，主体部分的技术性设计有 3 个关键点：

其一，生物定制化使产品主体部分能够调整至完美贴合腰部，并进行相应的支撑，分散压力，从而改善人体腰部的受力状况，并且可以根据用户的身体数据（年龄、高矮、胖瘦、性别等因素）调整腰托整体的弧度、宽度、高度数据，做到一对一个性化定制。

其二，产品置入传感与电脉冲设备，能够依据人体的坐姿、站姿等行为信息数据，对压力过大、不正确坐姿、压力时间过长等有损健康的行为进行提示；并可依据实时接收的感应数据，对适合部位进行穴位刺激，舒缓腰部肌肉，依托科技手段实现智能调整功能。

其三，产品的佩戴和使用方式有所创新，不仅可以用碳纤维绑带穿戴，还可以置于椅子上作为靠垫，能够满足不同人群对于产品的不同需求，见图 17。

表 1 3D 打印腰部护具测试记录表

图 16 实验腰托功效满意度

图 17 实验腰托的靠垫使用展示

5 结语
“3D 打印腰部健康护具设计研究”利用了 3D 打印技术的便捷性特点和可定制特点，为无障碍产品的研发和探索提供一种可定制化的产品导向。一方面3D 打印技术丰富了产品材料的多样性，如轻量化材料、拟真化材料，还有贴近人体皮肤的柔性材质等，产品风格也因此出现了个性化、多元化的趋势；另一方面，3D 打印产品零件可拆卸组装、可私人定制的特点，使护具得以满足更多样的功能需求，护具受众群体大大增加。3D 打印在造型上的自由度以及打印材料的多样性，是产品形式多样化的直接动因，在审美和视觉层面让护具这类易忽视形式美感的产品，如今能够做到科技、功能、审美三方面的统一[26]。未来的 3D 打印发展方向，材料研究仍将是重点，除了材料的多元化、智慧化，技术的互动、增效也必会更进一步刷新人类社会的制造观念，而这一切的“未来可期”，让我们拭目以待。

参考文献： 略