成都东呈模型-一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

时间:2018年04月01日 12:28   编辑:吧

一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

3D科学谷 2019-08-26 13:11:26

提到3D打印个性化假肢,我们更容易想到的是各种充满个性化元素的假肢外壳。

一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

3D打印假肢外壳。来源:福睿德

3D打印技术的确为假肢外壳的个性化定制带来了灵活的解决方案,为假肢定制锦上添花,使冰冷的假肢有“温度”。但其实下肢假肢之所以有定制的概念,主要是由于假肢的接受腔部分是需要个性化定制的。

假肢接受腔是个高度定制化的产品,需要与人体残肢进行贴合、匹配。在3D打印技术进入到假肢接受腔制造领域之前,假肢接受腔定制的实现方式包括石膏模具、模型制作、机械加工等流程,3D打印技术使假肢接受腔的设计、制造流程向数字化转变,摆脱对于人工经验的过度依赖的同时也使得定制流程简单、快速,更具有意义的是,3D打印技术能够制造更为复杂的设计,如轻量化的一体化下肢假肢,这为假肢产品的设计升级带来了新的可能。

一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

3D打印假肢接受腔。来源:ProsFit

促进假肢制造转型升级

无论是上肢和下肢的假肢通常都包括假肢接受腔、校准系统和诸如膝盖、脚或手的功能部件。假肢接受腔是对接、匹配人体残肢与假肢功能部件的重要连接部件。由于它直接与残肢接触、容纳残肢并包容残肢的软组织,匹配性不佳的假肢接受腔往往易对佩戴者造成二次伤害。因此,接受腔的匹配程度会影响到假肢的穿戴安全性、舒适性及使用功效。

每个佩带者的肢体残端形状、硬度各不相同,假肢接受腔的形状和硬度也是因人而异的,所以假肢接受腔是一种需要定制的产品。

根据3D科学谷的市场研究,已有康复辅具企业、机构应用了3D打印技术,具体涉及到假肢的三维扫描、设计软件、3D打印假肢接受腔的设计结构以及生产工艺。本期,3D科学谷对于国内外部分应用进行了整理。

具有形变调控功能的假肢接受腔

国家康复辅具研究中心采用基于熔融沉积工艺的3D打印技术和智能可变形材料制造假肢接受腔的外腔和内腔,并按照佩戴者残肢的三维形貌数据、肌骨生物力学特征等参数逐层打印具有人体生物力学性能的刚柔耦合的假肢接受腔。

在进行假肢接受腔设计时,采用三维数值建模软件,根据三维扫描获取的佩戴者残肢的三维点云数据,人体肌骨刚度测量设备记录的佩戴者残肢肌骨的刚度变化特征数据,以及核磁共振成像数据、MIMICS软件设计的佩戴者残肢肌骨生物力学模型,设计出与佩戴者残肢肌骨模型相适配的假肢接受腔三维结构模型。

假肢接受腔内腔中不同区域的智能可变形材料在变形程度、变形速率和变形方向上,可以按照佩戴者残肢肌骨刚度特征和肌肉萎缩(或增生)的变化趋势进行预编程,形成可供打印机打印的假肢接受腔模型。在此过程中,设计师需利用有限元数值模拟软件,计算佩戴者坐立位、站立位及不同行走步速加载情况下残肢肌骨模型与假肢接受腔间的界面压力分布,优化界面压力分布后获取假肢接受腔内腔变形情况并结合佩戴者肢体残端骨骼截面和肌肉萎缩状况,形成与佩戴者残肢肌肉变形萎缩(或增生肿胀)大小、分布位置及硬度相匹配的假肢接受腔最终适配三维形状。

一体化小腿假肢

还有的企业通过选区激光烧结(SLS)与尼龙、尼龙玻纤、尼龙碳纤维等粉末材料制造假肢接受腔。例如,湖北省康复辅具技术中心研发的3D打印透气性接受腔一体化储能仿真小腿假肢。

一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

3D打印透气性接受腔一体化储能仿真小腿假肢。来源:湖北省康复辅具技术中心

这款产品包括小腿残肢接受腔、承重部分和假脚。小腿残肢接受腔与患者的小腿相对应,承重部分设置在小腿残肢接受腔和假脚之间的位置上,小腿残肢接受腔包含口型、腔体和排汗通道,腔体由内接受腔与外接受腔组成,内外接受腔采用加强筋连接。腔体内部、承重部分和假脚内部均有排汗通道,排汗通道与假脚下部的排汗孔相连接。

更轻、更紧凑的接受腔

假肢接受腔制造也是惠普的多射流熔融(Multi Jet Fusion,MJF)3D打印技术及PA 12尼龙材料的应用方向。

一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

3D打印假肢接受腔。