基于解剖形態(tài)學(xué)的3D打印四肢康復(fù)矯形器的數(shù)字化設(shè)計制作.pdf

1、目的:
　　探討基于解剖形態(tài)學(xué)及有限元分析基礎(chǔ)的3D打印個性化四肢康復(fù)矯形器數(shù)字化設(shè)計制作的方案，使得基于該方案設(shè)計制作的3D打印康復(fù)矯形器能夠達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料、增加透氣性;進(jìn)一步探討基于該設(shè)計方案設(shè)計制作的3D打印康復(fù)矯形器佩戴者的滿意度，從而驗證該方案的設(shè)計的3D打印康復(fù)矯形器的實用性。
　　方法:
　　(1)用Philips-Medical-Systems-Ingenia3.0T MRI的T1-mDIXON

2、-W系列的掃描模式，分別掃描上肢及下肢，采集上肢肘以下部分和下肢膝以下部分，輸出保存為DICOM格式影像數(shù)據(jù)，然后利用Mimics19.0軟件分別重建對應(yīng)部位皮膚的輪廓模型保存為STL文件，利用Geomagic studio軟件進(jìn)行模型的表面優(yōu)化、網(wǎng)格劃分、精確曲面等處理，進(jìn)而構(gòu)造NURBS曲面，建好有限元的實體模型，然后用Abaqus有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化，設(shè)置10個不同的優(yōu)化數(shù)值(5％、10％、15％、20％、25％

3、、30％、35％、40％、45％、50％)分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，從而找到合適的優(yōu)化數(shù)值，實現(xiàn)模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果圖和應(yīng)力云圖，指導(dǎo)模型的挖孔設(shè)計，實現(xiàn)矯形器的通風(fēng)透氣;(2)把基于該方案設(shè)計的3D打印康復(fù)矯形器，通過MakerBot Replicator Z18和EOS3D打印機(jī)通過FDM（熔融沉積的方式）用PLA（聚乳酸）和尼龍材料打印出來，然后通過30個志愿者[男15人，女15人，年齡(24.26±2.38)歲，體質(zhì)量(59.6

4、7±10.63)kg]佩戴該方案設(shè)計制作的3D打印個性化矯形器，早期由于組織腫脹，患者先用石膏固定復(fù)位，消腫后佩戴3D打印矯形器，4周后收集志愿者填寫的魁北克輔助科技使用者滿意度評估問卷2.0版，該問卷是由加拿大、美國、荷蘭等國科學(xué)家共同開發(fā)，是國際公認(rèn)用來評估新制造的設(shè)備是否可以用來康復(fù)治療的方法。表格中有12指標(biāo)，分別是:1.尺寸，2.重量，3.容易調(diào)整，4安全性，5.耐用性，6.容易使用，7.舒適性，8.有效性，9.周期，10.維

5、護(hù)，11.專業(yè)服務(wù)，12.后續(xù)服務(wù)，根據(jù)志愿者填寫的問卷結(jié)果，用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，計算得到各項指標(biāo)的滿意度，從統(tǒng)計數(shù)據(jù)中評估該方案設(shè)計制作的3D打印康復(fù)矯形器的實用性。
　　結(jié)果:
　　(1)該方案設(shè)計的3D打印個性化康復(fù)矯形器，用有限元分析軟件進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)的分析優(yōu)化，上肢經(jīng)過30次，下肢經(jīng)過42次的循環(huán)迭代計算后，得到優(yōu)化控制在10％～20％，模型的生物力學(xué)性能影響較小，進(jìn)而指導(dǎo)矯形器的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了3

6、D打印康復(fù)矯形器模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、減少體積、增加透氣性，同時也節(jié)省大量的材料。(2)分析30個志愿者填寫的魁北克輔助科技使用者滿意度評估量表2.0版，從量表的數(shù)據(jù)分析中，1.尺寸，2.質(zhì)量，3.容易調(diào)整，4.安全性，5.耐用性，6.容易使用，7.舒適性，8.有效性，9.周期，10.維護(hù)，11.專業(yè)服務(wù)，12.后續(xù)服務(wù)全部均呈現(xiàn)出顯著性(P＜0.05），意味著矯形器這些指標(biāo)有著統(tǒng)計意義上的差異。從矯形器的尺寸來看，樣本中有超過6成的樣本選擇

7、為“5”也就對3D打印矯形器的尺寸非常滿意;矯形器的重量中超過7成樣本選擇“5”即非常滿意，可見志愿者對矯形器的重量非常滿意;從矯形器的容易調(diào)整分布上，大部分樣本為“4”，比例是76.7％;從矯形器的安全性分布來看，樣本大部分為“4”，共有22個，占比為73.3％;矯形器的耐用性中超過5成樣本選擇“4”;從矯形器的容易使用來看，樣本中有超過7成的樣本為“4”;舒適性分布來看，樣本大部分為“4”，共有21個，占比為70.0％;有效性分布來

8、看，樣本大部分為“4”，共有22個，占比為73.3％，樣本中選擇“4”的比例為60.0％;從維護(hù)來看，樣本中有超過7成的樣本為“4”;從專業(yè)服務(wù)分布上，大部分樣本為“4”，比例是80.0％，已經(jīng)達(dá)到了八成，可見在志愿者對專業(yè)水準(zhǔn)的服務(wù)是認(rèn)可的;從后續(xù)服務(wù)來看，樣本中有超過6成的樣本為“4”，說明我們的后續(xù)服務(wù)還得加強(qiáng)。
　　結(jié)論:
　　(1)基于解剖形態(tài)學(xué)及有限元分析的3D打印設(shè)計制作的矯形器，制作流程簡單，不需要傳統(tǒng)的機(jī)床

9、加工，在一定程度上降低制作加工矯形器的難度;同時3D打印數(shù)據(jù)采集無輻射，矯形器的質(zhì)量可控，可以實現(xiàn)個性化私人定制;3D打印的矯形器外表美觀，顏色可選，棄用率低;有限元分析的優(yōu)化率在10％～20％，生物力學(xué)性能影響較小，能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。(2)依據(jù)解剖形態(tài)學(xué)，在整體及特殊部位（尺骨莖突，內(nèi)外踝）往外偏移2mm，避免皮膚卡壓和摩擦，提高矯形器的舒適性;根據(jù)應(yīng)力圖，布局3mm通風(fēng)孔的位置，通風(fēng)透氣，既節(jié)省材料，又降低皮膚問題的發(fā)生率。(3)在矯