淺談3D 打印在足踝矯形領域的應用進展

古慶悅，陳貝貝，張新，張賽博，李小海

(1.佳木斯大學機械工程學院；2.佳木斯大學康復醫學院，黑龍江 佳木斯 154007)

1 3D 打印技術的引進與應用

3D 打印技術又稱為增材制造技術或快速成型技術，出現在20 世紀90 年代中期，被譽為“第三次工業革命的重要標志”，是一種根據計算機數據，將金屬粉末、陶瓷、混凝土、光敏樹脂等可粘合材料逐層打印，最終累加為實體的工藝。3D 打印工藝主要有選擇性激光燒結技術、選區激光熔化技術和熔融沉積造型技術等。由于3D 打印技術具有個性化、精準化、制作周期短等優點，這種新型技術的出現，立刻引起了國內外各領域專家的高度重視。

當代社會，由于先天遺傳因素、環境及不正確的運動習慣等，人類足踝部變形乃至畸形的發生率大幅增加。模型制造將3D 打印技術第一次引進康復領域，通過使用三維掃描設備獲取患者肢體數據信息，使用數字化建模軟件對數據進行優化處理，所得數據信息傳輸到3D 打印設備，然后選取合適的材料進行打印，即可得到定制化的矯形器具。這一技術使設計者有能力根據每個患者的特殊需要改變設計以提供極佳的舒適性與矯形效果，并有潛力緩解了我國在康復矯形器制造領域專業人員緊缺的現狀。

2 3D 打印在足踝矯形領域的應用進展

2.1 矯形鞋墊的研究進展

足部畸形會致使足部壓力升高、生理結構異常，造成患者足部疼痛甚至發生嚴重損傷。作為非手術治療足部畸形的一種方式，矯形鞋墊的制作過程相對簡單，患者適應性更強，用矯形鞋墊矯正足部畸形，恢復人體足部正常生理力學與動力學功能，得到眾多醫生與患者。早在2008年，Faustini 等就驗證了使用選擇性激光燒結技術制造出與傳統碳纖維足踝矯形器同樣形狀和功能的AFO(anklefoot orthosis)。Pallari 同樣使用選擇性激光燒結技術制造足部矯形器，并對患者進行步態評估試驗，發現患者表現出與之前規定使用的矯形鞋墊一樣的步態特征，驗證了選擇性激光燒結技術生產踝足矯形器的可行性。2011 年，Mavroidis 通過使用兩種不同的3D 打印材料打印制作踝足矯形器，結合受試者在踝關節運動學與生物力學方面的醫學專業數據，發現通過3D 打印技術制造的AFO 可以達到與傳統AFO 相似的矯形性能。2014 年，Harper 等人在上述基礎上利用3D 打印技術制作不同剛度的矯形器通過步態分析法，發現踝足矯形器的剛度與步態之間并無關聯性。經過學者一系列的研究，可以證實3D 技術制造的踝足矯形器與傳統方法制作的在矯形功能、步態等方面表現基本一致。2016 年，Roberts 等在患者的矯形康復過程中進行隨機對照試驗，發現通過三維激光掃描技術制造矯形器整體上并沒有表現出所期待的明顯的時間與質量上的優勢，歸結原因，是3D 打印的技術與生產工具還需改進。

有了相關實驗結論的支撐與肯定，學者們將研究重點向優化踝足矯形器的制造方法與矯形效果方面轉移。Cha 等人針對如何縮短3D 打印技術制造AFO的時間設計開發了一種自動化設計軟件，經過三維掃描得到的足部數據通過此設計軟件可直接生成用于3D 打印的STL 文件，降低了AFO 的制作時間與難度。劉震等通過有限元分析技術，從優化3D 制造AFO 的結構入手，對矯形鞋墊的填充率進行改進，實現輕量化設計的同時降低了3D 打印AFO 的制造成本。在此基礎上，姜繆文進一步給3D 打印制作AFO 增加設計了具有蜂窩結構的足底墊片，通過臨床驗證，整個鞋墊不僅實現對足弓的完全支撐，并且墊片的設計對患者足底起到減震緩沖的作用。Schrank 等在2015 年開發了一種新的建模方法，利用CAD 模型與有限元分析技術，通過與熔融沉積式技術的結合，突破實現了預測調整踝足矯形器彎曲剛度的目標，并具有良好的尺寸精度和制造精度。醫生可以數字化上傳患者足踝部數據，通過該設計模型快速實現3D 打印技術定制化制作踝足矯形器的目的。Alberto 設計了一種定制3D 打印足踝矯形器的方法，對足部數據進行導入與轉換后，使用SolidWorks 進行參數化建模與優化，最后，在FDM 打印機上進行打印。通過實驗測試，發現該產品完全貼合患者足部形狀，極大提高了患者足部的舒適性。從理論上看，此方法不需大量的人力物力成本，整體過程容易實現生產設計的自動化，可適用于各類患者身體的不同畸形部位。

從目前來看，3D 打印矯形器的制作較傳統矯形器的制作過程自動化程度提高，降低了復雜傷患處矯形器的加工難度，產品設計定制化程度更高、適用范圍更廣，是有巨大潛力、值得推廣的治療足踝部畸形的方法。

2.2 3D 打印技術在臨床治療上的應用

不同足部畸形的病因、癥狀不同，應用3D 打印技術輔助治療的方式、效果也不同。陳薇薇等人對高危糖尿病足患者進行自身穿戴3D 打印矯形鞋墊的對比試驗，經過一年的治療，穿戴打印矯形鞋墊患者的足部主要負重區域峰值壓強有所降低、足潰瘍的發生率明顯低于治療前。Xu Rui 研究了3D 打印定制鞋墊對扁平足患者足底壓力和舒適度的影響，發現定制的3D 打印鞋墊比預制鞋墊為平足患者分散了更多的足部集中壓力、提供了更好的舒適性，從而更大程度地減少了有癥狀的扁平足的傷痛。在對偏癱患者的治療中，結合大量研究表明，患者穿戴定制足踝矯形器可以改善運動時步態偏移與踝關節不穩定現象。

對嚴重的的足、踝部畸形患者，專家需要借助3D 打印技術通過手術為患者提供治療幫助。高斌等人利用CT 斷層掃描技術采集了扁平足患兒的足踝部數據，通過3D 打印技術獲取足部模型，并在此基礎上進行診治商討、手術規劃與模擬。最終手術進展順利，患者術中進展情況與術前3D 打印畸形模型的結構變化相同。錢輝借助3D 打印技術對高足弓畸形患者進行截骨手術的輔助，術前通過1:1 打印模型進行手術規劃與模擬，術中根據模擬信息精準定位截骨位置指導手術順利進行。拇外翻在臨床上十分常見，呂志宇等人同樣采用3D 打印技術構建患者腳部拇外翻模型，在此基礎上準精確定位截骨角度并模擬手術操作過程。3D 打印技術使臨床醫生根據術前模擬情形反饋進行手術，這種治療方式可以提供立體化、可視化的模型，對不同患者提供更加個性化的手術治療方案，有針對性地解決問題。同時可以為年輕醫生的成長提供經驗幫助。

3 展望與發展

3D 打印技術推動了矯形器從手工制模進入計算機設計制造，初步實現了實體設計的自由?？偟膩砜矗?D 打印矯形器整體上優于傳統矯形器，但并沒有在康復矯形領域得到全面應用，主要原因有三：一是醫務人員對計算機工程軟件的使用流程不熟悉；二是3D 打印機打印速度較慢，造成了矯形器整體制造時間的延長；三是成本問題，特別是材料的使用量的問題。

目前，3D 打印技術在矯形領域的應用還處于初步階段，需充分利用醫工結合優勢，在臨床中不斷實踐進步，提高生產質量與生產速度，降低成本、減少污染與浪費，逐步實現3D 打印矯形器的普及，為康復矯形領域降低人工成本與壓力，為現代醫療提供便利。