基于3D打印技術的康復支具設計與應力應變分析

李素麗　馬愷悅　石洪寶

摘 要：為探究3D打印技術在個性化康復支具創新設計中的具體應用方法，采用人體建模軟件，通過掃描患者CT數據，建立了三維數字化人體模型。以成年男子的腰腹康復支具為研究對象，根據人體軀干數據，采用人體建模軟件分別建立了實體式、矩形式、鏤空式3種康復固定支具模型，并對其進行劃分網格，分別賦予材料（ABS材料）后在有限元軟件中進行了靜力學分析。通過對3種康復固定支具模型的應力應變數據的對比，發現實體式康復固定支具應力應變最小;矩形孔式康復固定支具應力應變次之;鏤空式康復固定支具應力應變最大，但都滿足要求，但鏤空式康復固定支具具有透氣性好、貼合性好、美觀、輕便等優勢，此研究結果可為醫生的選擇提供參考。

關鍵詞：3D打印;康復固定支具;靜力場;應力分析;應變分析

中圖分類號：TG 44

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7312（2022）03-0291-07

Design and Stress-Strain Analysis of Rehabilitation Brace

Based on 3D Printing Technology

LI Suli，MA Kaiyue，SHI Hongbao

（College of Mechanical Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to explore the specific application method of 3D printing technology in the

innovative design of personalized rehabilitation braces，a three-dimensional digital human body

model was established by scanning CT data of patients and using modeling software.Taking adult

men’s waist and abdomen rehabilitation brace as the research object，according to the data of

human torso，three kinds of rehabilitation fixed brace models of solid type，rectangular type and

hollow type were established respectively by using human body modeling software，and they were

divided into grids.After assigning the material（ABS material）separately，the static analysis

was carried out in the finite element software.By comparing the stress-strain data of the three

rehabilitation fixation brace models，the results show that the stress and strain of the solid

rehabilitation immobilization brace is the smallest;the stress and strain of the rectangular

hole rehabilitation immobilization brace is the second;the hollow-out rehabilitation fixation

brace has the largest stress and strain，but all meet the requirements.However，the hollow-out

rehabilitation fixation brace has the advantages of good ventilation，good fit，beauty，and

lightness. The research results will provide a reference for doctors to choose.

Key words：3D printing;rehabilitation fixation brace;static field;stress analysis;strain

analysis

0 引言

康復固定支具目的是給傷殘人士提供幫助而出現的一種輔助道具，又被稱為矯正器，也是一種可以減輕身體功能障礙的體外裝置，它使骨頭以及關節損傷后的功能恢復成為可能。3D打印可以滿足患者更多的要求，能夠為患者提供一個穩固、輕便的個性化康復支具。在完全了解患者機體功能的情況下，特別是關節活動度以及其肌力的測定結果，康復支具可以做較為準確的使用效果評定[1-2]。

已有學者將3D打印應用于康復固定支具的設計。例如，吳帆等（2015）采用3D打印技術，打印出了一種個性化矯形康復支具，該支具不但具有確切的生物力學性能指標，還具有透氣、穿戴舒適、美觀等優勢，解決了石膏固定透氣性差、高分子繃帶固定不牢靠、夾板固定壓迫邊緣皮膚的缺陷[3]。陸亮亮等（2017）研究一種符合人體手部生物力學的個性化、不等剛度的彈性支具，該支具不但具有確切的生物力學性能指標，還具有透氣、穿戴舒適、美觀等優勢[4]。XU等（2017）認為新型3D打印的假肢比傳統定制的假肢對于那些有創傷性截肢兒童的貧窮家庭來說更好，是一種發展中國家或缺乏保健機構地區家庭實用且能負擔得起的替代辦法[5]。CHEN等（2017）開發了一種患者專用的3D打印鑄造技術，研究了3D打印矯形鑄造在骨折治療中的應用[6]。SZOJKA等（2017）設計了3D打印多卡丙酮支架，用以重塑半月板外基質的形狀和結構成份，為完整的基于細胞的半月板再生提供模板和結構支持[7]。ZAID等（2017）認為3D打印和3D掃描可以用來進行患者特定的3D掃描和3D打印抗菌多丙酮傷口敷料[8]。廖政文等（2018）基于3D打印技術開展了個性化康復矯正器的數字化設計制作研究[9]。VAZ V等（2021）全面介紹了3D打印在心血管醫學中的技術和應用，分析了該技術在提升心臟介入療效和安全性方面的效果，促進了精確醫療的實現[10]。MOHAM MA等（2018）設計了一種緊湊和精簡的軟外骨骼手套，能夠幫助手功能障礙患者進行正常的生活活動，并且幫助患者手部功能的康復[11]。KEUN HL等（2019）設計和制造了一個病人特定的輔助優化設備后，通過3D打印技術估計了患者殘疾狀態與腦損傷并通過3D打印技術為殘疾患者提供低成本、定制化的輔助設備[12]。以上專家學者們已經從醫學角度進行了不同部位康復支具的設計及分析，為本文奠定了一定的理論基礎。為此，主要從結構入手，采用人體建模軟件，基于三維數字化人體模型及數據，主要針對腰胸康復支具進行創新設計，并對3種不同的支具模型進行對比分析，且總結出了3D打印技術在個性化康復支具創新設計中的應用方法，為醫生進行手術提供參考。

1 康復固定支具模型的建立

1.1 患者身體模型的建立

相比較傳統的康復固定支具，3D打印康復固定支具可以更加貼合患者的受傷組織，原因在于3D打印康復支具能夠根據患者實時身體數據進行建模。

通過提取患者軀干CT-DICOM數據，調整閾值將需要提取的部分進行標注，對CT圖像進行蒙版分割，如圖1所示。其中藍色部分為人體蒙版，紅色部分為需要分割掉的蒙版，選擇分割并刪除掉紅色部分保留藍色部分。

分割完蒙版后，選擇分離后的人體軀干蒙版，生成初步提取的人體軀干模型如圖2所示。此模型為后面的腰胸固定支具的建模提供了詳細的人體模型數據。

1.2 建立支具模型

人體模型包裹外殼（圖3）為一個面且厚度較薄，需要進行再加工，使其多余的或者損壞的邊得到修復最終得到圖4。本文在結構的設計上共使用了3種方案。

1.2.1 實體式康復固定支具

圖5為實體式康復固定支具，根據人體軀干數據直接生成的一個外部包裹支具，厚度為5 mm。在結構設計上沒有做過多的更改，且其質量是3種方案中最大的，同時強度也最高，此處主要作為其他2種方案的比對對象。

1.2.2 矩形孔式康復固定支具

如圖6為矩形孔式康復固定支具模型，這是一個在原有固定支具初始模型上，設計了多條長方形孔，以及在側面開出4個矩形小孔的模型，和初始固定支具相比，其透氣性會更好并且質量也會更小，但這個康復固定支具模型的強度，以及應力應變都要通過分析來對比。

1.2.3 鏤空結構康復固定支具

圖7為鏤空結構康復固定支具模型，厚度為5 mm，在初始康復固定支具模型基礎上，設計了大小不同的圓孔，使其形狀類似蜂窩狀，是3種方案中質量最輕的一款模型，并且透氣性最好。

人體腰部載荷是個相當復雜的問題，表1為一個成年男性在不同姿勢及手持重物情況下的腰椎載荷。從表1可以看出，人體腰椎在不同姿勢下載荷差距很大，載荷最低的正坐放松姿勢只有380 N，而站立以最大努力將軀干后彎姿勢載荷則可以達到5 050 N。其他姿勢所產生對腰部的載荷最大為2 350 N?？紤]患者在受傷情況下不可能劇烈運動，選用一個成年男性腰部載荷的中值，即選用2 350 N的力來分析康復固定支具的應力應變及最大形變，為其他患者提供參考[13]。

2 康復固定支具的應力應變及變形分析

目前基于3D打印康復支具主要采用的材料為ABS[14]，表2可以看出在ABS材料的許用應力限定在6.11 MPa時，其使用壽命為1 000 h，限定在3.8 MPa時，其使用壽命為5 000 h，而將其許用應力限定在3.78 MPa時，其許用應力不再對其壽命進行影響，所以對康復固定支具進行分析時對其許用應力限定在3.78 MPa。

2.1 不同康復固定支具應力應變分析

選用2 350 N的均布載荷，分別選用時間為0 s、0.5 s、1 s的整體圖進行應力應變分析。

2.1.1 實體式康復固定支具應力分析

圖8為實體式康復固定支具加載2 350 N時的應力云，從其應力云圖可以看出當時間為0.5 s時，實體式康復固定支具的應力云圖主要呈藍色到綠色，對應的應力大小為0～3 355.2 Pa。圖8（b）為1 s時其應力云圖，紅色區域為應力最大區域其應力達到10 066 Pa。

可見支具模型中分布最多的區域為

黃色和淺綠色分別為6 710.4 Pa及5 592 Pa，

由表2可以得出ABS材料在不影響其壽命的情況下其許用應力為3.78 MPa，實體式康復固定支具的應力遠小于其許用應力。

2.1.2 矩形孔式康復固定支具應力分析

圖9為矩形孔式康復固定支具施加2 350 N時的應力云圖，圖9（a）為當時間為0.5 s時，矩形孔式康復固定支具的應力云圖，可以看出這個時刻其應力云圖主要呈藍色到綠色，對應的應力大小為1 242.6～6 736.4 Pa。圖9（b）為1 s時其應力云圖，紅色區域為應力最大區域，應力達到11 132 Pa，應力最小區域為1 242.6 Pa且位于矩形孔康復固定支具左側上方，支具模型中分布最多的區域為黃色和淺綠色分別為7 835.2 Pa及6 736.4 Pa，由表2可以看出，矩形孔式康復固定支具承受的應力遠小于其許用應力。

2.1.3 鏤空式康復固定支具應力分析

圖10鏤空式康復固定支具應力云，圖10（a）為時間為0.5 s時矩形孔式康復固定支具的應力云圖，可以看出這個時刻其應力云圖主要呈藍色到綠色其對應的應力大小為0～5 984 Pa。圖10（b）為1 s時其應力云圖，紅色區域為應力最大區域，其應力達到13 464 Pa，應力最小區域為0，位于矩形孔康復固定支具右后方，

支具模型中分布最多的區域為黃色和淺綠色分別為8 976 Pa及7 480 Pa

，由表2可以得出鏤空式康復固定支具的應力遠小于其許用應力。

2.2 應變分析

2.2.1 實體式康復固定支具應變分析

圖11實體式康復固定支具應變云，圖11（a）為0.5 s時實體式康復固定支具的應變云圖，可看出這個時刻其應力云圖主要呈藍色到綠色其對應的應變大小為0～

2.239。圖11（b）為1 s時其應變云圖，紅色區域為應力最大區域其應變為5.039，在模型上出現區域十分小，應變最小區域為深藍色為0位于模型側方，模型分布最廣泛的為淺黃色和淺綠色，應變為3.359和2.799，可以看出其應變主要分布在2.9左右。

2.2.2 矩形孔式康復固定支具應變分析

圖12矩形孔式康復固定支具應變云圖，圖12（a）為0.5 s時，實體式康復固定支具的應變云圖，這個時刻其應力云圖主要呈藍色到綠色，其對應的應變大小為0～2.846。圖12（b）為1 s時其應變云圖，紅色區域為應力最大區域其應變為5.566，在模型上出現區域十分小，應變最小區域為深藍色為0.670，位于模型側后方，模型分布最廣泛的為淺黃色和淺綠色，應變為3.934和2.846，可以看出其應變主要分布在3.5左右。

2.2.3 鏤空式康復固定支具應變分析

圖13鏤空式康復固定支具應變云圖，圖13（a）為時間為0.5 s時，鏤空孔式康復固定支具的應變云圖，從其可以看出這個時刻主要呈藍色到綠色的變化，對應的應力大小為0～2.992。圖13（b）為1 s時其應變云圖，紅色區域為應力最大區域其應變為6.732，在模型上出現區域十分小，應變最小區域為深藍色為0，位于模型正后方，模型分布最廣泛的為淺黃色和淺綠色，應變為4.48和3.74，可以看出其應變主要分布在3.7左右。

2.3 不同結構應力應變對比分析

圖14不同康復固定支具應力分析，總結了3種康復固定支具的應力情況，其中應力最小的為實體式康復固定支具，鏤空式康復固定支具最大應力和主要應力相對于其他2種支具略微高出一些，但其應力為

13 464 Pa，遠小于ABS材料的許用應力3.78 MPa，因此在應力方面3種支具都是完全合格的。

通過分析不同康復固定支具的應變云圖（圖15），鏤空式康復固定支具的應變最大為6.73，實體式康復固定支具的應變最小為5.04。最小應變除了矩形孔外，其余2個康復固定支具都為0，實體的康復固定支具的主要應變最小，鏤空式最大達到了3.7，但在合格范圍之內。

3 結論

1）通過對人體軀干進行CT掃描并進行人體建模，對人體模型進行設計，設計出了3種不同結構的康復固定支具，并進行網格劃分，賦予不同材料后，進行靜力結構力學分析。

2）力學分析表明，實體式康復固定支具的形變為3種支具中最小的，但其重量最大;與傳統的石膏相比，實體式康復固定支具，在包裹性和透氣性上與傳統石膏差異性不大。

3）矩形孔式康復固定支具設計不甚合理。在應力應變分析中，矩形孔式定支具右后方受力較為集中，并且在方孔附近型變嚴重，可能對患者的受傷部位不能起到很好的保護作用。

4）鏤空式康復固定支具在3個支具中的應用效果最優。在質量上，鏤空式康復固定支具應用了最少的材料，并且由于其表面布滿了大大小小的圓孔，因此具有良好的透氣性，而且應力應變方面也是合格的。

參考文獻：

[1] 賴炎鑫，朱鵬志.“3D打印”在醫療器械領域中的現狀及前景展望[J].中國醫療器械信息，2017，23（10）：112-114.

[2]董文興，劉斌.3D打印技術在骨科醫療器械的應用現狀分析[J].生物骨科材料與臨床研究，2014，11（04）：39-41.

[3]吳帆，王立軍，崔慧先.3D打印技術在創傷骨科中的應用進展[J].臨床誤診誤治，2015，28（10）：113-116.

[4]陸亮亮，史廷春，于云，等.3D打印指骨骨折支具的研究[J].航天醫學與醫學工程，2017，30（04）：263-269.

[5]XU G S，GAO L，TAO K，et al.Three-dimensional printed upper limb prosthesis for a child with traumatic amputation of right wrist：a case report [J].Medicine，2017，96（52）：94-98.

[6]CHEN Y J，LIN H，ZHANG X D，et al.Application of 3D printed and patient-specific cast for the treatment of distal radius fractures：initial experience[J].3D Printing in Medicine，2017，3（01）：102-110.

[7]SZOJKA A，LALH K，ANDREWS S，et al.Biomimetic 3D printed scaffolds for meniscus tissue engineering[J].Bio Printing，2017（08）：1-7.

[8]ZAID M，ALVARO G，VIVIENNE C，et al.Patient-specific 3D scanned and 3D printed antimicrobial polycaprolactone wound dressings[J].International Journal of Pharmaceutics，2017，527（01-02）：161-170.

[9]廖政文，莫詒向，張國棟，等.3D打印個性化康復矯形器的設計制作[J].中國醫學物理學雜志，2018，35（04）：470-477.

[10]VAZ V M，KUMAR L.3D Printing as a promising tool in personalized medicine[J].AAPS Pharm Sci Tech，2021，22（01）：105-109.

[11]MOHAMMA A，LAVRANOS J，CHOONG P，et al.Flexo-glove：a 3D printed soft exoskeleton robotic glove for impaired hand rehabilitation and assistance[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology Society Annual Conference，2018.

[12]KEUN H L，DONG K K，SANG J K.Personalized assistive device manufactured by 3D modelling and printing techniques[J].Disability and Rehabilitation：Assistive Technology，2019，14（05）：110-118.

[13]李曉紅，陳志平，孫國有，等.丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物管許用應力的確定[J].青海大學學報（自然科學版），2003（06）：34-37.

[14]宗學文，王磊，王小麗，等.3D打印產業鏈式創新分析與服務能力研究[J].技術與創新管理，2020，41（05）：432-442.

（責任編輯：張 江）

收稿日期：2022-03-04

基金項目：國家重點實驗室開放課題研究基金項目（SKLMS2021016）

作者簡介：李素麗（1981—），女，山西陽泉人，博士，副教授，主要從事機械設計、增材制造方面的教學和研究工作。