3D打印在腦卒中偏癱患者輔助支具制作中的應用

陸春華 王凱

摘 要 3D打印具有個體化、精準化等優點，但其用于腦卒中偏癱患者輔助支具的制作現還處于研究階段。本文概要介紹近年來國內外在這一方面的研究情況。

關鍵詞 3D打印 腦卒中 輔助支具

中圖分類號：R743.3； R493 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1533（2019）13-0016-04

Application of the auxiliary braces made by 3D printing after stroke*

LU Chunhua**， WANG Kai***

（Department of Neurological Rehabilitation， Shanghai 4th Rehabilitation Hospital， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT 3D printing technology has the advantages of individualization and precision， and its application in the field of auxiliary brace after stroke is still in its infancy. This paper summarizes the relevant researches at home and abroad in recent years.

KEy WORDS 3D printing； stroke； auxiliary brace

腦卒中偏癱患者因肌張力增高，常導致出現患側上肢垂腕、掌指或指間關節屈曲攣縮、下肢踝關節下垂和足內翻等并發癥，成為影響患者功能恢復的主要障礙之一[1]。研究證實，腦卒中偏癱患者佩戴上肢或下肢輔助支具治療可起到穩定、支持和保護患側上肢或下肢關節及矯正和代償肢體運動功能等作用，有效減輕患者患側肢體肌張力和肌痙攣，減少患肢軸向負荷，預防或糾正患側掌指關節、腕關節和踝關節等畸形的發生，是降低腦卒中偏癱患者患肢肌張力、糾正其痙攣狀態的重要治療方法[2-3]。目前，腦卒中偏癱患者常用的輔助支具主要包括固定性腕部矯形器、分指板、內收肌外展矯形器、充氣壓力矯形器和足踝矯形器等。隨著計算機輔助設計和3D打印技術的發展，將3D打印與數字化醫療相結合，應用生物力學分析原理，現已可進行個體化的輔助支具的設計和制作，并開始在臨床上得到應用[4]。

1 3D打印的原理及特點

3D打印是一種基于數字模型文件的快速成型制作技術[5]。與傳統制造業的規模化生產模式不同，3D打印使用黏合劑材料（如粉狀、液態金屬或塑料），通過逐層打印，快速制作出個體化產品[6]。繼用于軍事領域、汽車行業等后，因個體化定制特點，3D打印也受到醫療領域的重視，在醫療模型、醫學植入物等的制作方面具有很好的應用前景[7]。

應用3D打印制作輔助支具的工作流程[8]為：①確定輔助支具的具體要求；②采集患者的3D數據，通常可使用3D掃描儀進行非接觸式3D掃描，也可應用CT、MRI等影像學方法獲取患者組織（器官）的解剖形態及周圍環境；③輸入3D數據，讓計算機輔助設計系統設計適合患者個體的輔助支具；④3D打印及后期處理；⑤反饋及調整。輔助支具的用途不同，打印材料可能不同，對應的打印設備和打印技術也可能不同，其中打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠、金屬和陶瓷等，打印技術包括立體光固化技術、激光燒結技術、熔融沉積成型技術和三維印刷技術等[9]。

2 3D打印制作腦卒中偏癱患者上肢的輔助支具

腦卒中患者常出現上肢偏癱及其肌張力增高，導致上肢屈曲攣縮，尤其是手部關節活動受限、疼痛、水腫、痙攣和攣縮等，嚴重影響患者的日常生活和功能恢復[10]。因此，根據病情選用合適的矯形器是腦卒中偏癱患者治療的關鍵[11-12]。傳統上輔助支具通常根據患者的一般分類進行設計和生產，產品尺寸和規格均有限。而3D打印制作的矯形器能完美貼合患者的尺寸，所耗時間也短[13]。

Wang等[14]通過掃描、建模、3D打印為15例在院腦卒中后手部肌張力Ashworth評級2級以上的患者定制了3D打印分指板，并分別讓患者佩戴3周和3個月。結果顯示，多數患者佩戴后感覺舒適、手指疼痛未加重、皮膚無過敏反應，且握力、關節活動度均有不同程度的提高。研究者認為，3D打印分指板具有精準和個體化的特點，可用于預防和治療腦卒中患者的手指痙攣。王凱等[15]進行了一項隨機、對照研究，給30例腦卒中后手指痙攣患者分別佩戴3D打印分指板和傳統分指板。結果顯示，佩戴3D打印分指板患者的佩戴時間更長、耐受性更好且無過敏反應等不良反應，佩戴過程中也未出現3D打印分指板破損現象，3D打印分指板的強度能滿足患者治療的需求。研究還發現，佩戴3D打印分指板患者的手握力提高、手肌張力降低、手部運動功能改善，療效優于佩戴傳統分指板患者。腦卒中后動態康復治療裝置是一個新的研究領域。Abdallah等[16]提出了一種腦卒中偏癱患者手運動功能障礙康復治療的新方法，應用3D打印技術制作手部外骨骼，后者能依據肌電圖信號發現手的開合意圖并據此驅動每個手指的運動。測試結果表明，使用3D打印的手部外骨骼治療可降低患者的手肌張力，提高其手指運動范圍，從而完成一些簡單任務。

目前，有關3D打印制作腦卒中偏癱患者上肢輔助支具的研究報告較少，但3D打印制作其他疾病康復治療用上肢矯形器的研究則較多。Portnova等[17]為2例C5 ～ C7脊髓損傷后手運動功能障礙患者制作了3D打印的腕驅動矯形器，結果發現患者佩戴舒適，佩戴后手握力顯著提高。3D打印用于上肢假肢制作也有優勢。Germany等[18]應用3D打印的上肢假肢，初步建立了肌電假體控制系統。Kim等[19]應用3D打印和注塑技術制作了一種腕部矯形器，該矯形器具有強度適中、透氣性好、重量輕等優點。這些研究的對象雖不是腦卒中后康復治療用上肢矯形器，但對3D打印用于腦卒中偏癱患者上肢輔助支具的制作仍有很大的借鑒和促進作用。

3 3D打印制作腦卒中偏癱患者下肢的輔助支具

腦卒中偏癱常影響到下肢，這類患者即使可以行走，也會有足下垂和內翻，出現偏癱步態[20]。下肢矯形器是矯正腦卒中偏癱患者足踝畸形、協助其步行的主要治療方法，常用的有踝足矯形器、膝踝足矯形器等，其中佩戴傳統的踝足矯形器具有改善腦卒中患者偏癱步態、提高其步行能力的作用[21]。但傳統的踝足矯形器是由石膏或熱塑性材料等制作的，如矯形器受損或患者病情發生變化，矯形器需重新制作。而3D打印因能存儲設計數據，故可重復制作并易根據患者的需求調整矯形器尺寸[22]。不過，目前有關3D打印制作腦卒中偏癱患者下肢輔助支具的研究報告較少。劉震等[23]使用Artec尺寸掃描儀對存在踝關節背伸功能障礙的腦卒中患者的小腿、踝和足等部位進行掃描，所獲數據（STL文件）經Instep軟件轉換為STP文件后，再通過Evolve軟件優化踝足矯形器模型結構，最后交3D打印機打印出適合患者的踝足矯形器。該研究展現了3D打印制作踝足矯形器的實際過程，證實3D打印制作踝足矯形器可行，有助于推動3D打印踝足矯形器的臨床應用。

亦有3D打印制作下肢矯形器用于其他疾病康復治療的研究報告。Cha等[24]使用3D掃描儀采集腓神經損傷患者立位和坐位時的小腿、踝關節、足的三維數據，應用計算機輔助設計軟件設計并用熱塑性材料3D打印制作踝足矯形器。測試結果顯示，佩戴這種踝足矯形器后，患者的步幅長度和步速顯著增加，并有較傳統的踝足矯形器重量輕、使用便利等優點。孟強等[25]應用Kinect系統和Geomagic Studio軟件對一踝關節易內翻扭傷成年男子的踝關節進行掃描并建立三維數字模型，然后應用3D打印技術制作非對稱結構的踝護具。測試結果表明，佩戴這種踝護具有防止該男子發生踝關節內翻的作用，同時舒適性也高。

矯形鞋墊也是一種足矯形器，具有緩沖、減震和正畸等作用，廣泛用于腰痛、膝骨關節炎、足部畸形、運動損傷等疾病的預防和治療[26]。研究證實，穿戴矯形鞋墊治療可提高腦卒中偏癱患者的平衡功能和步行能力[27]。郭宇等[28]的研究發現，穿戴國際生物力學學院的矯形鞋墊后，腦卒中偏癱患者的平衡功能和步行能力均獲顯著提高。目前，國內外尚無3D打印制作腦卒中偏癱患者用矯形鞋墊的研究報告，但已進行過不少3D打印的個體化矯形鞋墊用于糖尿病足、運動損傷、平足等預防和治療的研究。Telfer等[29]的研究顯示，穿戴3D打印制作的矯形鞋墊可降低糖尿病足患者的足底壓力峰值。Dombroski等[30]以1例無下肢損傷的平足患者為對象，采用足弓高度指數（arch height index）測量并比較了石膏和3D掃描、打印制作的矯形鞋墊的內側足弓，發現3D打印矯形鞋墊的內側足弓略有增加。

4 存在的問題及結語

迄今為止，有關3D打印制作腦卒中偏癱患者輔助支具的研究多為個例報告，缺乏大樣本量數據的支持和評估。另外，在應用3D打印方面也存在一些亟待解決的問題，如3D打印的材料是金屬、陶瓷、塑料等，沒有生物相容性；3D打印的輔助支具缺乏生物力學實驗數據的支持，機械強度、韌性、耐久性等要求亦沒有統一的標準。

隨著康復醫學的發展，精準康復治療和個體化醫療成為趨勢。與傳統的矯形器相比，3D打印制作的輔助支具完全適合患者個體康復治療的需求，且外型也更美觀，在臨床中的應用定會越來越廣泛。

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