試析3D打印在假肢矯形器技術領域的應用

張平

摘? 要：3D打印技術，能夠在充分了解患者身體數據的基礎上進行設計，精確地應用解剖結構相關原理，根據不同年齡、身高等信息進行個性化定制，精確復制患者關節及肢體位置的解剖結構，相較于傳統石膏矯正器有著明顯的應用優勢。3D打印數字化制作的假肢矯正器，其設計的靈活性更高，舒適性及安全性更符合患者的個性化需求，有著廣闊的發展前景。

關鍵詞：3D打印技術;假肢矯形器;個性化;應用前景

中圖分類號：R496? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0172-02

Abstract： 3D printing technology can be designed on the basis of fully understanding the patient's body data， to accurately apply the relevant principles of anatomical structure and make personalized customization according to different age， height and other information. Besides， it can accurately reproduce the anatomical structure of the patient's joints and limbs， compared with the traditional plaster appliance has obvious application advantages. The prosthetic appliance made by 3D printing digitally has higher design flexibility， comfort and safety， which is more in line with the individual needs of patients and has a bright development prospect.

Keywords： 3D printing technology; prosthetic appliance; personalized; application prospect

當前骨科醫生的診斷方法包括MR、x線診斷、CT等，影像診斷方式往往缺乏立體的視觸感，而將虛擬的影像轉換成三維實體，同時以打印的材料結構與患者需求為基礎，結合病變位置的解剖學信息，能夠提供骨科疾病患者更優化的診斷及治療方案，當下三維組裝細胞及生物打印技術已經在矯形器領域有初步應用，打印3D實體精度高、速度快，有廣闊的發展前景[1]。

1 假肢矯正器領域3D打印技術應用現狀

假肢矯正器是一種通過手工制作完成取模、修模及成型等多項加工手段后，應用3D打印設備獲得肢體的方式，在完成初步設計后，通過相關軟件完成修改，最后打印成型。傳統的骨科器械制備方式無法滿足患者的個性需要，其舒適性以及佩戴后的康復效果也相對不佳，而通過3D打印技術，能夠在充分了解患者身體數據的基礎上進行設計，精確地應用解剖結構相關原理，根據個性化信息，應用增材制作的數字化流程，將制造矯正器的時間縮短，同時精確復制患者關節及肢體位置的解剖結構，相較于傳統石膏矯正器有著明顯的應用優勢。3D打印數字化制作的假肢矯正器，其設計技術水平更高，更符合患者的個性化需求，有著廣闊的發展前景。在制作假肢矯正器時，將CT掃描數據重建稱三維信息向打印機發送，隨后輸入1：1制作實物模型指令，能夠將患者的病變信息及病狀直觀呈現。

3D打印能夠構建組織工程支架，可以促進骨肌組織再生修復，所應用的材料包括聚合物質、天然材料等生物活性物質，實現復雜組織超微結構仿真構建，能夠提供支架材料力學性能、降解性能優勢，為細胞提供更加適宜的生長空間[2]。3D打印技術應用與仿生肌電手的制作，能夠通過對肌膚表面電信號的抓取，完成信號過渡。假肢的外殼方面也有定向制作流程，在進行假肢的安裝時，能夠根據3D打印設備進行定制，根據患者的肢體及價值數據在計算機中進行處理，完成信息對比疊加等，保證假體的最佳舒適性，患者根據自己的喜好進行3D假肢外殼款式打印，其個性化符合程度更高，整體的美觀性、實用性更強[3]。

有研究報道指出，對于患有四肢麻痹的患者，通過3D打印設計手指矯形器，能夠更加輕松地抓取物品，打印材料的應用也更加合理，如在脊柱側彎矯正中應用尼龍材料，在佩戴后，其透氣性更高，可以完全隱藏在衣物中。部分矯正器還存在傳感設備，能夠根據患者穿戴的時間進行壓力點檢測，保證其舒適性及功能優化，通過動態APP進行個性化調整[4]。在矯形鞋墊方面應用3D打印技術經濟性更高，能夠節約更多的溝通成本及時間成本，3D打印能夠應用聚合物凝膠足部掃描設備，在短時間內獲得客戶的實體數據，同時即時將鞋墊打印出來。

近些年來我國的假肢矯正企業發展迅速，輔助用具應用3D打印技術實現數字化平臺操作，提供更加先進的輔助器具的制作工藝。如部分技術中心研發出具有更高透氣性的3D一體化小腿假肢、脊柱矯形器等，3D打印技術為殘疾人提供了更高的便利[5]。如表1傳統假肢矯正器制作與3D打印技術比較。

2 假肢矯正領域3D打印技術存在的問題

2.1 法律規范及政策問題

當前假肢矯正領域的相關法規政策仍停留在傳統的制作工藝水平，設定的行業規范不符合市場發展需要，3D打印技術對于專業及場地均有更高的要求，需要進行矯正器的臨床裝配，得到政府的資質認證。當前的行規標準不適應于現有的3D打印公司，所應用材料的內部結構、力學性能等無適用的假肢矯正操作標準，打印出的材料無可控范圍效果不能保證，因而需要在原有標準基礎上進行調整，將國家標準作出統一設定[6]。

2.2 專業技術問題

當前3D打印領域缺乏專業的軟件支持，所需要的軟件盡管有成熟的零件構造技術，但針對一系列結構優化及曲面設計軟件無專業軟件，且假肢矯正器的模型不符合標準化需求，整體設計過程較為復雜，研發成本較高，軟件設計難度及經濟成本都較高。因為技術材料等方面的限制，當前3D打印技術相較于傳統的假肢矯正器制作效率更低，無法完成獨立的假肢制作，需要與傳統工藝配合應用，如在完成小腿假肢的3D打印后，應該根據打印的整體結構，應用石膏修模進行內襯套制作，所需要的制作及裝配時間更長[7]。

2.3 材料問題

3D打印技術對于材料有著更高的要求，當前的許多材料通用性較差，其力學性能、精度及加工性能無法滿足假肢矯正器的相關需要，耐熱性、耐磨性、抗腐蝕能力不達標，因而在打印出產品后需要進行進一步強化[8]。

2.4 成本及人力資源問題

3D打印技術當前批量生產無法高效實現，所需要的設備及成本較高，因而3D假肢矯正器的售價也較高，無法滿足廣大患者的需要，受眾群體較小，因而需要在性價比方面進一步優化。當前我國專業假肢矯正領域的人才匱乏，部分優秀人才更加偏重于臨床器械的裝配方面能力提升，對于計算機設計方面缺乏重視，實際操作能力水平不高，而專業的計算機人才又缺乏假肢矯正行業的理論知識。企業在考慮人才招聘時，需要綜合假肢矯正器裝配技術能力及計算機設計操作能力，同時與現有的人才進行配合接洽，所需要的時間成本較高，工作效率低下[9]。且當前我國在教育培訓和社會推廣方面未形成“數字化設計”、“批量個性化生產”等理念認知，先進制造理念缺乏，未能站在戰略高度對3D打印技術重視，因為打印機的價格及應用范圍問題，部分企業未能購置足量的打印設備，且我國課程體系中相關知識內容缺乏，假肢矯正裝配、康復等課程量較少，缺乏專業教育導致人才的綜合數量及素質受到限制，學生僅停留在興趣研究層次。針對假肢矯形器方面的推廣培訓體系也尚未建立[10]。

3 假肢矯正領域3D打印技術改善措施

對于假肢矯正領域3D打印技術存在的問題，首先應該設定符合當前假肢矯正領域的相關法規政策，調整用材料的內部結構、力學性能等無適用的假肢矯正操作標準，將國家標準作出統一設定[11]。同時投入更多的成本在專業化軟件設計方面，設計出針對一系列結構優化及曲面設計軟件，提高打印的效率。材料涉及成品優化方面，需要在進行新材料的選用時，需要考慮技術的發展趨勢，形成與技術相互依賴支持的局面，促進材料研發及3D打印技術的共同前進。

4 結束語

當前隨著社會發展，我國康復行業的規模逐漸擴大化，產品的類型多樣，其服務的質量有顯著提升，但仍然存在一系列問題，未來需要通過不斷優化改善當前存在的短板及缺陷，開拓3D打印技術在假肢矯正器行業發展前景。

參考文獻：

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