3D打印技术在康复矫形器研发中的应用

（四川省康复辅具技术服务中心，四川 成都 610021）

3D打印技术，又称快速成型技术，是指以计算机数字图像为基础，使用液体、粉末等材料为打印原料，通过分层制造，逐层叠加等方式进行实物增材制造的技术。3D打印技术已经在工业造型、机械制造、航空航天、军事、建筑等领取得到了广泛应用。3D打印技术是我国“十三五”计划重点支持、重点发展的新兴战略产业之一，并被列入“十三五”国家重点研发计划支持的重大专项之一。卫计委、工信部和国家食品药品监督总局等单位，出台了一系列产业支持政策，并明确指出“3D打印技术在医用方面的前景大、市场广，工信部将加大扶持和协调力度”，3D打印医疗器械对促进医疗事业的发展，推进国家的发展具有重要意义，为此，工信部等十二部委发布了关于印发《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》的通知。随着我国康复医学的发展,康复领域跨学科的合作日益增强，除了医疗的手段,康复工程技术的依存对全面康复、提高疗效也是必不可少的。3D打印技术的发展、医学成像技术和图像处理软件的提高，使3D打印技术在医疗行业应用的广度和深度方面都得到了显著发展，特别是在康复矫形器的研发上，为个性化的定制创造了条件。

1 3D打印技术的引进及应用

针对传统矫形器传统制作方法存在的效率低、舒适性和经济性差、环境污染等问题，我中心一直试图探索便捷高效的制作流程。随着3D打印技术的发展，以3D扫描、人工智能软件和3D打印这三种技术相结合为突破口，通过精准的定制设计和集成式设计，把3D打印技术引入到康复矫形器的研发中来，体现了康复医学与3D打印技术的完美结合。当前各种不同类型的3D打印技术基本原理一致，但根据成型方式与打印原料的不同可分为以下几类：（1）选择性激光烧结(SLS)：使用激光选择性融结热塑性颗粒材料、金属粉末、陶瓷粉末等；（2）光固化成型(SLA)：使用紫外激光逐层扫描光敏聚合物，使其由液态堆积成型为固态；（3）熔融沉积成型( FDM) ：加热后挤压ABS、PLA 等热塑型材料进行逐层推积；（4）分层实体制造(LOM)：在薄片材料表面涂上热熔胶后逐层切割粘贴成型；（5）激光选区熔化(SLM)：使用激光束熔融金属粉末后凝固成型；（6）电子束选区熔化(EBM)：使用电子束熔融金属粉末后凝固成型；（7）生物打印：主要以生物细胞为生物墨水，将其喷涂在生物支架后进行诱导培养。图1所示的3D打印机为Maker bot Z18，基于FDM打印技术，可以对不同材料的矫形器进行研究。

图1

1．1 数据采集

传统康复矫形器的制作主要通过手工取形采集数据，患者须得脱衣缠绕潮湿的石膏绷带，心理和体感上都很不舒服。3D打印主要是基于不同方向的平面图像构建三维人体模型，也可以通过红外线激光扫描仪扫描人体模型，与传统的手工取形相比，扫描取形过程中患者不用脱去衣物，能最大程度的减少患者穿戴衣物的烦恼，且取形时间很短，扫描结束后，数据同步传送到电脑上，用于建立患者数据库和后期模型制作。3D扫描不用接触患者就能取型，且模型数字化时间短，精准度高，让患者更舒适，在提供便捷舒适康复矫形器产品的同时，给予患者更有尊严的适配体验，图2所示为我中心的3D鞋垫足底扫描仪，该扫描仪能准确获得患者足底的三维尺寸，并测量足部压强分布，用以分析患者足部患疾原因，为患者量体裁衣，进行个性化设计。

1．2 矫形器的设计

矫形器制作师将扫描仪采集的模型数据导入到三维设计软件中，结合患者的CT、MRI图像进行矫形器的分析、设计。与传统的手工修形设计相比，矫形器制作师可以在三维设计软件上根据患者的实际情况进行不断地适配模拟分析，直至找到最佳方案，可以最大限度地提高矫形器的一次成功率。图3所示为矫形器制作师结合扫描照片为患者设计足部矫形器。针对矫形器的透气性及减重性问题，设计了部分孔隙鞋垫及全孔隙鞋垫，并基于不同的孔隙结构选择，研究了不同多孔结构鞋垫的力学性能及流体性能。

图2

图3

1．3 矫形器的制作

设计完成后，可以根据患者需求及实际情况，制作不同材料的矫形器，图4所示为我中心使用3D打印机，基于FDM打印技术打印的矫形器以及使用德国GO-TEC公司的3D鞋垫智能加工中心系统加工的3D矫形鞋垫成品。

图4

2 结语

康复矫形器研发与应用是一个关系社会发展的普惠性工作，3D打印技术的应用及不断完善，基于个体特征数据打印制造矫形器将变得更加便捷，匹配度更高，能够有效提高患者的舒适度及康复程度；同时，3D打印技术的应用，有益于提高康复矫形器的设计质量、降低制造成本以及减少环境污染。作为一种精准的快速成型技术，3D打印技术制造的康复矫形器投入临床应用前景可期，随着3D打印技术的引进，我中心也将继续探索“医工结合”新模式，为患者提供更加舒适、经济的产品和更为便捷、优质的服务，同时，制造产品的材料将更加健康环保，并具有更多的医学功能，进一步推动康复矫形器行业由传统手工制作向数字化、智能化发展。