3D打印技術在康復矯形器研發中的應用

（四川省康復輔具技術服務中心，四川 成都 610021）

3D打印技術，又稱快速成型技術，是指以計算機數字圖像為基礎，使用液體、粉末等材料為打印原料，通過分層制造，逐層疊加等方式進行實物增材制造的技術。3D打印技術已經在工業造型、機械制造、航空航天、軍事、建筑等領取得到了廣泛應用。3D打印技術是我國“十三五”計劃重點支持、重點發展的新興戰略產業之一，并被列入“十三五”國家重點研發計劃支持的重大專項之一。衛計委、工信部和國家食品藥品監督總局等單位，出臺了一系列產業支持政策，并明確指出“3D打印技術在醫用方面的前景大、市場廣，工信部將加大扶持和協調力度”，3D打印醫療器械對促進醫療事業的發展，推進國家的發展具有重要意義，為此，工信部等十二部委發布了關于印發《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》的通知。隨著我國康復醫學的發展,康復領域跨學科的合作日益增強，除了醫療的手段,康復工程技術的依存對全面康復、提高療效也是必不可少的。3D打印技術的發展、醫學成像技術和圖像處理軟件的提高，使3D打印技術在醫療行業應用的廣度和深度方面都得到了顯著發展，特別是在康復矯形器的研發上，為個性化的定制創造了條件。

1 3D打印技術的引進及應用

針對傳統矯形器傳統制作方法存在的效率低、舒適性和經濟性差、環境污染等問題，我中心一直試圖探索便捷高效的制作流程。隨著3D打印技術的發展，以3D掃描、人工智能軟件和3D打印這三種技術相結合為突破口，通過精準的定制設計和集成式設計，把3D打印技術引入到康復矯形器的研發中來，體現了康復醫學與3D打印技術的完美結合。當前各種不同類型的3D打印技術基本原理一致，但根據成型方式與打印原料的不同可分為以下幾類：（1）選擇性激光燒結(SLS)：使用激光選擇性融結熱塑性顆粒材料、金屬粉末、陶瓷粉末等；（2）光固化成型(SLA)：使用紫外激光逐層掃描光敏聚合物，使其由液態堆積成型為固態；（3）熔融沉積成型( FDM) ：加熱后擠壓ABS、PLA 等熱塑型材料進行逐層推積；（4）分層實體制造(LOM)：在薄片材料表面涂上熱熔膠后逐層切割粘貼成型；（5）激光選區熔化(SLM)：使用激光束熔融金屬粉末后凝固成型；（6）電子束選區熔化(EBM)：使用電子束熔融金屬粉末后凝固成型；（7）生物打印：主要以生物細胞為生物墨水，將其噴涂在生物支架后進行誘導培養。圖1所示的3D打印機為Maker bot Z18，基于FDM打印技術，可以對不同材料的矯形器進行研究。

圖1

1．1 數據采集

傳統康復矯形器的制作主要通過手工取形采集數據，患者須得脫衣纏繞潮濕的石膏繃帶，心理和體感上都很不舒服。3D打印主要是基于不同方向的平面圖像構建三維人體模型，也可以通過紅外線激光掃描儀掃描人體模型，與傳統的手工取形相比，掃描取形過程中患者不用脫去衣物，能最大程度的減少患者穿戴衣物的煩惱，且取形時間很短，掃描結束后，數據同步傳送到電腦上，用于建立患者數據庫和后期模型制作。3D掃描不用接觸患者就能取型，且模型數字化時間短，精準度高，讓患者更舒適，在提供便捷舒適康復矯形器產品的同時，給予患者更有尊嚴的適配體驗，圖2所示為我中心的3D鞋墊足底掃描儀，該掃描儀能準確獲得患者足底的三維尺寸，并測量足部壓強分布，用以分析患者足部患疾原因，為患者量體裁衣，進行個性化設計。

1．2 矯形器的設計

矯形器制作師將掃描儀采集的模型數據導入到三維設計軟件中，結合患者的CT、MRI圖像進行矯形器的分析、設計。與傳統的手工修形設計相比，矯形器制作師可以在三維設計軟件上根據患者的實際情況進行不斷地適配模擬分析，直至找到最佳方案，可以最大限度地提高矯形器的一次成功率。圖3所示為矯形器制作師結合掃描照片為患者設計足部矯形器。針對矯形器的透氣性及減重性問題，設計了部分孔隙鞋墊及全孔隙鞋墊，并基于不同的孔隙結構選擇，研究了不同多孔結構鞋墊的力學性能及流體性能。

圖2

圖3

1．3 矯形器的制作

設計完成后，可以根據患者需求及實際情況，制作不同材料的矯形器，圖4所示為我中心使用3D打印機，基于FDM打印技術打印的矯形器以及使用德國GO-TEC公司的3D鞋墊智能加工中心系統加工的3D矯形鞋墊成品。

圖4

2 結語

康復矯形器研發與應用是一個關系社會發展的普惠性工作，3D打印技術的應用及不斷完善，基于個體特征數據打印制造矯形器將變得更加便捷，匹配度更高，能夠有效提高患者的舒適度及康復程度；同時，3D打印技術的應用，有益于提高康復矯形器的設計質量、降低制造成本以及減少環境污染。作為一種精準的快速成型技術，3D打印技術制造的康復矯形器投入臨床應用前景可期，隨著3D打印技術的引進，我中心也將繼續探索“醫工結合”新模式，為患者提供更加舒適、經濟的產品和更為便捷、優質的服務，同時，制造產品的材料將更加健康環保，并具有更多的醫學功能，進一步推動康復矯形器行業由傳統手工制作向數字化、智能化發展。