3D打印技術(shù)影響下對殘疾人的輔助設(shè)計

趙一凡

摘要：近年來，對3D打印技術(shù)的研究越來越多，隨著對3D打印機打印算法不斷提高和打印材料的不斷更新，3D打印已經(jīng)可以應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域了。而這其中應(yīng)用最多的領(lǐng)域和發(fā)展最迅速的領(lǐng)域要數(shù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。基于醫(yī)療的3D打印可以幫助各種殘疾人進行骨骼修復(fù)和個體化假肢定制等，發(fā)展前景很廣泛。

關(guān)鍵詞：3D打印；殘疾人；輔助

3D打印技術(shù)又稱為快速成型技術(shù)，就是指3D打印技術(shù)可以通過計算機制定的模型進行精確的制造，這是目前3D打印技術(shù)樹的應(yīng)用領(lǐng)域。而這項技術(shù)對殘疾人輔助作用的提高可以說前景廣泛。我們可以通過精確的計算對殘疾人量身定做合理的假肢或者輔助器械，由于3D打印成本低廉、制造模型由電腦控制、精準(zhǔn)無誤、材料選擇可以對人體無害等，越來越多的打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到實踐中，發(fā)展前景十分廣泛。

1 3D打印的原理和過程

1.1 3D打印的原理

傳統(tǒng)的模型構(gòu)建需要經(jīng)過圖像分割、幾何重建、網(wǎng)格生成和材料的選擇等。而3D打印技術(shù)基本上可以分為以下幾步：首先是進行三維模型的設(shè)計，即在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域我們通過會患者進行斷層掃描技術(shù)進行立體的分層掃描，以便獲取需要進行構(gòu)建部位的立體信息，然后對掃描得到的信息進行數(shù)據(jù)分析，通過相應(yīng)的輔助設(shè)計軟件進行設(shè)計，從而得到需要建模物體的立體數(shù)據(jù)和三維模型。第二個步驟則是進行切片處理，即通過對物體3D模型的斷層分析實現(xiàn)對需要打印物品的數(shù)字化，以便打印機能夠讀取識別模型。最后一步則是實施3D打印的操作，即將所需要的材料的數(shù)字格式輸入到3D打印機，打印機可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)選擇相應(yīng)的材料進行精準(zhǔn)的逐層打印，所打印出的物體和模型物體能夠達到一致。

1.2 3D打印的方法

3D打印技術(shù)根據(jù)耗材和技術(shù)原理的不同，可以分為熔融沉積法、激光燒結(jié)法和光固定法等方式

1）熔融固定法是指利用高溫將打印材料在高溫下融化成液體的狀態(tài)，這些經(jīng)過高溫加熱后的液體通過打印機的噴嘴口噴出之后會迅速的冷卻然后固化。固化后的材料外層再繼續(xù)打印固化，通過層層的疊加不斷地打印最終能夠形成符合要求的實物。這種方式打印的優(yōu)點就是可以使用多種材料進行打印，而且對打印機工作的環(huán)境要求也不高，常溫常壓下即可進行打印操作。其缺點是成型的材料受到溫度和環(huán)境以及其他因素影響較多，因為表面會比較粗糙，甚至?xí)c模型有一定誤差，而且如果打印大型材料則需要支撐。

2）激光粉末燒結(jié)法則是將需要打印的材料平鋪在打印成型臺上，然后通過高強度的激光掃描在平臺上掃描出打印模型的截面，然后再進行平鋪粉末和打印截面操作，如此反反復(fù)復(fù)，最終能夠打印出需要的材料。這種打印方式同樣適用于多種材料，而且可以打印特殊復(fù)雜的模型。而且通過這種方式可以一次形成多個模型。缺點是容易產(chǎn)生粉塵。

3）光固定法則是指通過利用光敏材料進行打印。這種方式是在打印平臺周圍設(shè)置一個液體的凹槽，里面裝滿了光敏材料，即通過紫外線照射可以固化的液體。每一層固化之后則將平臺向下移動然后進行下一層的固化，如此反復(fù)。這種方式類似于激光法，同樣可以打印復(fù)雜的材料，而且精度高。但缺點是材料選取單一，而且材料價格昂貴。

可以說3D打印技術(shù)通過不斷發(fā)展和完善，已經(jīng)可以應(yīng)用不同的打印材料和打印方法進行不同方式的打印，隨著技術(shù)的發(fā)展和打印算法的完善，我們可以在時間和成本可控的情況下打印需要的材料，具有十分廣泛的發(fā)展前景。

2 3D打印對殘疾人的輔助作用

2.1身體殘缺處的彌補

利用3D打印技術(shù)對人體內(nèi)需要修補和替換的骨骼部位進行修復(fù)已經(jīng)是目前常見的醫(yī)療方式了。因為骨骼沒有生命力，形狀固定，因此比較容易通過人工材料進行合成，是目前最適合進行3D打印的方式。目前3D打印假肢是國際上公認(rèn)的合理的應(yīng)用方式。由于殘疾人的病變部位和殘缺部位都不會完全相同，因此很難生產(chǎn)統(tǒng)一的模型進行修改，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一難題。我們可以通過傳統(tǒng)醫(yī)療的斷層掃描技術(shù)得到的患者病變的圖像進行分析，然后通過分析數(shù)據(jù)得到每個患者各自的所需要的打印部位的精確數(shù)據(jù)。我們只需要選取合適的材料，將得到的打印數(shù)據(jù)進行精確地打印即可得到適合患者的殘缺部位替代品。

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在臨床上引用到了手術(shù)的輔助治療。并研究了如何將CT三維重建設(shè)計和3D打印的導(dǎo)板應(yīng)用到手術(shù)中，這種方式可以提升手術(shù)的安全性。目前3D打印在個性化骨科植入手術(shù)和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)等都已經(jīng)采取了臨床的應(yīng)用。傳統(tǒng)的置換手術(shù)通過手術(shù)器械進行定位，這樣的定位方式即使是經(jīng)驗豐富的醫(yī)生也難免會產(chǎn)生誤差，而利用計算機輔助定位可以將誤差大大減小。此外3D打印技術(shù)也成功應(yīng)用于兒童假肢的制作，這種方式能夠滿足兒童假肢的特殊性和良好固定性以及輕便性質(zhì)。2014年科學(xué)家和醫(yī)生通過共同的努力成功將通過3D打印的假肢應(yīng)用到一名5歲先天性殘缺手臂的女童上。

2.2貼身護具的制作

殘疾人可以通過護具和衣服等貼身用品實現(xiàn)對身體殘缺部位的彌補和保護。傳統(tǒng)的殘疾人采用石膏進行骨折后部位的固定，采用護膝等就行關(guān)節(jié)的輔助保護。而這些器械如果采用3D打印技術(shù)進行掃描和制造，不但能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)保護器具更加精確、更加適合患者的保護用具，而且材料的選擇可以更加廣泛。我們可以根據(jù)不同的患者和不同的部位以及病變的嚴(yán)重情況選擇合適的材料進行打印。目前很多公司正在研究不同的新型打印材料和打印算法，以便產(chǎn)生更加精確和更加適合殘疾人的3D打印技術(shù)。

2.3殘疾人周邊生活用品的制造

殘疾人對于其使用的商品通常具有特殊的要求。而針對這一類患者往往很少有公司和制造商為其制造特殊的用具，而3D打印技術(shù)發(fā)展之后我們可以用十分低廉的價格生產(chǎn)適應(yīng)不同殘疾人的生活用品。例如對于手臂有問題的殘疾人客戶，我們可以通過制造帶有弧度或者加長的勺子讓其方便使用。而對于手部操作困難的用戶，我們可以通過生產(chǎn)具有豐富紋理的碗等用具或者生產(chǎn)符合每個殘疾人使用尺寸的產(chǎn)品來提高殘疾人的生活質(zhì)量。這些方式在以前如果實現(xiàn)定制，需要一個生產(chǎn)商特殊的定制，十分困難而且價格昂貴。而3D打印可以使這些東西簡單廉價的生產(chǎn)。

此外我們還可以定制適合殘疾人的其他用品，如床、桌子和廚具甚至地板等。有了3D打印技術(shù)，這些商品都可以根據(jù)實際需要進行定制和生產(chǎn)。傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)需要設(shè)計師進行模型的設(shè)計并輸入機器，然后在生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，如果不是批量投入生產(chǎn)，需要占用特殊的生產(chǎn)線進行生產(chǎn)，代價十分高。而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)可以很輕易的實現(xiàn)模型的設(shè)計和生產(chǎn)，只需要3D打印機簡單的工作幾分鐘，便可以得到需要的用具。

3 3D打印技術(shù)對殘疾人輔助作用的發(fā)展前景

3D打印目前不僅僅可以通過以上輔助措施幫助殘疾患者更好的生活。在現(xiàn)在的研究中3D打印技術(shù)已經(jīng)向著生物3D打印技術(shù)領(lǐng)域進行該研究。如進行細胞3D打印的研究，目前已經(jīng)可以打印出有著高達90%存活率的細胞進行長達四個月的生存，這一技術(shù)應(yīng)用廣泛，如再生醫(yī)學(xué)、組織工程和癌癥的研究等都提供了新的發(fā)展方向。

3D打印技術(shù)還有一個重要的應(yīng)用發(fā)展方向就是人體組織器官的研究，可以通過打印人體器官，為構(gòu)建和修復(fù)組織器官提供技術(shù)支持。現(xiàn)在的醫(yī)療條件下，平均100名需要進行器官移植的患者只有一個人能夠等到可用的符合患者的供體。而有了3D打印技術(shù)，用其來打印器官，不但能夠解決供體不足的問題，還能夠避免了器官之間的排異現(xiàn)象的發(fā)生。隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展，未來人們通過更換器官進行病變的治療就成了可能。

再生醫(yī)療是一個飛速發(fā)展的科技領(lǐng)域，是未來醫(yī)療發(fā)展的一個重要方向。但由于人體器官的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能，以往的技術(shù)難以制造出功能完善的替換器官。雖然諸如牙齒、髖關(guān)節(jié)等骨科替換產(chǎn)品已經(jīng)相當(dāng)完善，但是由于特種陶瓷和鈦合金等沒有排異反應(yīng)的生物相容性材料加工難度很高，所以相關(guān)的人體器官置換費用高昂。對于含有豐富血管和神經(jīng)組織的器官，現(xiàn)階段還只能依靠異體器官移植來解決，遠不能滿足實際需要，并且涉及倫理和法律方面的諸多問題。而3D打印技術(shù)的發(fā)展不僅解決了生物相容材料的加工問題，同時也開始向著直接打印復(fù)雜生物組織的方向發(fā)展。近年來已經(jīng)有研究團隊通過3D打印技術(shù)，配合人體干細胞的研究實現(xiàn)了諸如腎臟等主要器官的制做。2010年澳大利亞Invetech公司和美國Organovo公司合作.嘗試以活體細胞為“墨水”打印人體的組織和器官。在可以預(yù)見的未來，我們可以通過3D打印技術(shù)將我們自身的干細胞制成沒有任何排異反應(yīng)的替換器官，并且可以完美的還原我們自身的器官形態(tài)，這將使人類醫(yī)療史和生物工程史上的巨大進步。

4結(jié)論

目前的3D打印技術(shù)有優(yōu)勢也有劣勢，所以將其成功地應(yīng)用于骨科的各個領(lǐng)域仍有很長的一段路要走，而一旦成功應(yīng)用，將具有傳統(tǒng)手術(shù)方法無法比擬的優(yōu)越性。隨著其技術(shù)的發(fā)展，在不久的將來很可能會逐步實現(xiàn)組織工程支架、植入物、人工關(guān)節(jié)、假肢等的私人定制，甚至可以使基于3D打印技術(shù)的生物組織、器官再生成為可能，3D打印技術(shù)給人類帶來無盡的想象和可能。

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