数字化技术可以为矫形和假体的设计和制造带来哪些改变？

来源：3DSystems

挑战：将数字化技术引入矫形和假体的设计和制造，从而支持数字化工作流程和工具的手工过程

解决方案：3D Systems的Geomagic Freeform自由造型有机设计软件利用Dynabot来自动执行步骤

成果：

• 使用自动化加速子任务建模
• 实现了可复制的结果，通过数字化和定义工作流程加强了标准化
• 提高矫形和假体设计制造的质量和速度，满足患者的个性化需求
  

矫形和假体（O&P）是为数不多还使用手工作为主导的行业。但是，随着3D打印和专用建模工具的出现，一场数字革命带来了帮助改善患者生活的新可能性。

Haussler医疗用品与德国乌尔姆应用科学大学的生物力学研究小组以及3D专家和经销商Antonius Koester携手合作，定义了新的数字化处理过程。

他们选择3D Systems的Geomagic Freeform有机工程设计软件和Touch触觉式力反馈设备作为工具。Geomagic Freeform中的Dynabot自动化工具可以帮助他们简化和加速建模过程，使他们能够精确地重现非常合适的矫形器和假肢。

Geomagic Freeform软件提供了矫形师和假肢师在石膏室所需的相同的选择和工具

如何将工艺与研究相结合？
Häussler是德国南部著名的医疗用品公司。由托马斯·奥斯特勒于1916年建立，是乌尔姆要塞主要军事医院的专门车间。从一开始，奥斯特勒就重视与医学科学的合作，并在医院车间工作。

1984年，Häussler在乌尔姆大学和康复诊所开设了一个临床讲习班，以加强医学科学和研究之间的联系。

Häussler不仅仅是一家普通的医疗用品公司。Häussler矫形师和义肢医师与乌尔姆应用科学大学密切合作，医学工程和生物机电专家教授菲利克斯·卡帕尼博士在那里工作并进行研究。斯蒂芬·马蒂塞克曾是卡帕尼教授的研究助理，现在管理着Häussler研发部门。除了指导学士和硕士论文，马蒂塞克将研究与商业实施联系起来。

“我们正致力于矫形和假体行业的变革，Geomagic Freeform软件是我们变革的基石。”——斯蒂芬·马蒂塞克

了解矫形和假体的传统制造流程
矫形师和假体修复师设计和制造定制的矫正器和假肢。矫正器的目的是稳定、支持、固定或放松身体或肢体的一部分，或纠正有缺陷的位置，而假肢则是替代缺失的身体部分或肢体。

矫正器和假肢都是由功能部件组成的，比如关节(大部分是工业制造的)，以及连接病人身体的区域。矫形师和假体修复师面临的两大挑战首先是产生正确的功能和患者的大小和力量比例的适宜性；第二，开发一种与人体接触的界面，能够在不引起摩擦或类似刺激的情况下传递和吸收力。

马蒂塞克提到：“矫形和假体制造有很多手工工艺。然而，随着数字化，我们的职业正在发生根本的变化。由于高度的手工工作和不同经验的矫形师和假肢进行工作，几乎不可能完全复制一样的产品;第二个假肢和第一个与第一个假肢会有区别。”将工艺过程部分数字化提供了一种消除不必要偏差的方法。他预测，3D打印技术在未来的矫形和假体制造中将扮演重要角色。“显然，3D数字模型是必不可少的。”

开启数字化的可能性
制作假体的传统流程是从用石膏塑造身体部分开始的。马蒂塞克表示，这种传统的方法比直接对患者肢体进行3D扫描有些许优势:“乍一看，从数字数据开始似乎是合乎逻辑的，但3D扫描只代表了肢体放松时的几何形状。首先使用石膏，我们可以压缩较柔软的区域，类似于最后的假肢。我们也可以直接在石膏模型中纠正缺陷部位。”

第二步是制作正面几何图形，可以使用传统的石膏，也可以使用数字3D数据研磨聚氨酯(PU)泡沫。然后真正的工作就开始了。利用经验和解剖学知识，义肢医师在不需要施加压力的地方添加材料，并在需要紧密连接的地方移除材料。这种适应的几何形状随后被用作设计假体的基础。

△Touch  X力反馈设备

马蒂塞克提到:“这是一个步骤，手工技能和工艺的假肢可以在这里发挥作用，这也是偏差发生的地方，使假肢更好或更差。出于这个原因，我们正在努力数字化过程中的这一步，以实现可再现的结果，并加速自动化建模子任务。3D打印元素为模具制作提供了全新的可能性。”

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在Geomagic Freeform自动设计数字石膏模型
这种设计的首选工具是带有Touch触觉装置的Geomagic Freeform。马蒂塞克解释说:“Geomagic Freeform提供了与我在石膏室相同的选项和工具。”此外，dynamabot宏功能在Geomagic Freeform允许我们自动化重复任务，并为用户每一步的过程提供正确的工具。这种定义好的工作流程会自动生成标准化。”

使用Geomagic Freeform一个很好的例子来自于研究生亚历山大·克里格的学士论文。克里格开发了一种前脚假体鞋，用于那些失去脚趾或或更多前脚的患者，这些患者走路困难。通常情况下，病人会穿一种特殊的鞋子或假体，其前部填充了泡沫，可以让脚穿过有弹性的鞋底。鞋底的特点必须精确地适应病人的体重和行走方式。找到合适的刚性和柔性的组合需要义肢医师的经验。

克里格使用运动分析和有限元(FE)模拟开发了一个规则集，可以计算出适合每个患者的适配鞋底。他使用了Geomagic Freeform中的Dynabot功能来实现。克里格解释说:“这是支持缺乏经验的Geomagic Freeform用户的最佳解决方案。“使用Geomagic Freeform Dynabot，我可以为用户的每个子任务提供合适的工具，并指导用户完成整个过程。Geomagic Freeform Dynabot还能停止，允许用户执行手动建模任务，并可以再次启动下一步。不需要用户输入的操作会自动运行，这使得处理速度更快。”

这就是克里格的dynabt如何引导用户完成制作前脚假肢的过程。参数化建模在Geomagic Freeform广泛使用，与用户直接修改假肢的几何输入。这是3D打印的基础。当前原型的一个有趣的细节是内胆，这是病人把他们的脚插入其中的部分。这是一件用3D打印模具制成的硅树脂铸件。假体的其余部分大部分是预先确定的，只有大小和硬度需要适配患者。

△在Geomagic Freeform中铸型衬板的数字视图

△透明的铸型半视图

△内胆铸造模具:半模和铸造型芯

△3D打印的半模

将数字化融入教育
卡帕尼教授认为教学是一种义务:“大型整形外科公司已经为整形外科业务提供了一个生产某些整形外科辅助设备的数字平台。然而，这些都是工业公司，其技术人员和工程师对矫形和假体贸易和工程有深入的了解。传统的整形公司通常没有后者。像GeomagicFreeform这样的数字工具的使用要求用户具有一定的技能，因此必须整合到整形外科技术人员的培训中。这一方面包括使用数字设计工具和为骨科技术量身定制的设计原则，另一方面包括材料及其生产技术的知识，例如用于3D打印的塑料。”

将数字技术整合到作业流程中需要团队合作。马蒂塞克指出:“我们正在与其他医疗用品公司、乌尔姆应用科学大学、3DSystems和我们的合作伙伴Antonius Koester合作，定义更多的工作流程，并将其实现到Geomagic Freeform Dynabots中。他补充说:“Koester和他的员工在模具制作、使用Geomagic Freeform建模和3D打印方面有丰富的经验。”当我们陷入困境时，Koester总是知道如何有效地实现我们的目标。他们用学士学位和硕士学位论文支持我们。”

缩小工艺和数字化之间的差距
马蒂塞克总结道:“GeomagicFreeform是一个非常强大的工具，它提供了我们需要建模的任何自由度。触觉设备提供反馈，缩小了传统工艺和数字模式之间的差距。Geomagic Freeform dynabbots允许我们简化Geomagic Freeform中的丰富功能，在正确的时间为用户提供正确的工具。”

“Geomagic Freeform提供了与我在石膏室相同的选项和工具。”
——史蒂芬·马蒂塞克

卡帕尼教授认为这对患者有好处:“例如，对于某些矫形器，不需要石膏，因为所需的数据是通过3D扫描技术获得的，然后使用基于软件的处理打印出来。此外，数字化开辟了“构建”先前无法实现的几何图形的可能性，并使其适应患者在功能和美学方面的个人愿望。已经设计好的辅助设备只要按一下按钮就可以重新制造出来。”

马蒂塞克总结说:“数字技术不会取代我们今天使用的技术，但会补充它们，使我们的工作更有效率。标准化也有助于保持我们的产品质量始终如一。3D打印为我们提供了全新的定制机会。我们正致力于矫形和假体行业的革命，而Geomagic Freeform是这场变革的重要组成部分和基础。”