试谈3D打印技术在康复矫形器研发中的应用

刘昊

摘要：当今社会人口老龄化的程度越来越高，加上交通、生产等事故频发，使得我国的残疾人数量规模逐渐加大，而康复矫形器在社会中的需求量也逐年递增。3D打印技术具备外表美观、成本低以及较强耐用性等特征，其在康复矫形器研发中的应用日益广泛。本文将从3D打印技术的概述层面出发，对其定义、引进与应用加以介绍，进而从多角度出发，对此项技术在康复矫形器研发中的应用进行描述，以期为有关研发部门提供可靠参考。

关键词：3D打印技术;康复矫形器研发;个性化设计;智能制造;材料优化

在类型繁多的医用器材当中，康复矫形器占据着重要的地位，其主要是装配在人体躯干、四肢等处的一类体外器具，在应用过程中证明其能够有效避免躯体、四肢等畸形发育。但是在康复矫形器被正式应用前，通常都需要反复试穿，以便明确其是否与相应要求相符合，掌握其动力装置的可靠性，此过程不仅会消耗人们大量精力、时间，也使使用人员成本有所增加。而3D打印技术的基础为数字模型文件，其在康复矫形器研发中的应用除了能促使矫形器效果得到提升，更能够有效节约相应成本。

一、3D打印技术概述

（一）3D打印技术定义

所谓3D打印技术，即快速成型技术，又被称作积层制造与增材制造技术。此项技术的基础主要是计算机数字图像，其打印原料通常为粉末以及液体等，该技术经由逐层叠加、分层制造等形式全面构建实物模型[1]。相比于传统打印机，3D打印技术在打印过程中拥有更好的效果、更快的速度、高的精准度以及低的成本。因此，将优势众多的3D打印技术应用于医疗行业，不仅能够有效推动医疗行业的快速发展，更能实现医疗产品的个性化设计。在我国整体康复医学发展过程中，不仅需要重视医疗手段的先进性，更需要注重疗效的提升以及全面康复等。伴随图像处理技术、3D打印技术以及医学成像技术的高速发展，让3D打印技术愈发广泛地被应用于医疗行业当中，尤其是被应用于康复矫形器研发领域中。

（二）3D打印技术的引进与应用

传统康复矫形器不仅有着较低的研发效率、交叉的经济性以及舒适度，在研发以及应用过程中甚至还会污染环境。在3D打印技术告诉发展的过程中，研发部门以3D打印、3D扫描以及人工智能软件的充分融合作为研发方向，经由集成式以及精准定制的设计方式，将3D打印技术应用于康复矫形器研发工作当中，这能够充分结合3D打印技术以及康复医学。

如今3D打印技术类型较多，但是其原理基本相同。然而按照不同的打印原料以及成型方式，可以将此项技术详细划分成以下几种：（1）生物打印技术，其生物墨水主要是生物细胞，即把生物细胞喷涂于生物支架上，进而展开诱导培养[2]。（2）SLS技术（选择性激光烧结），借助激光的选择性对陶瓷粉末、热塑性颗粒材料或者金属粉末等加以融结。（3）EBM技术（电子束选区熔化），借助电子束使金属粉末熔融，随后使其凝固，最终成型。（4）SLA技术（光固化成型），利用紫外激光对光敏聚合物展开逐层扫描，进而使其从液态最终堆积为固态模型。（5）LOM技术（分层实体制造），将热熔胶涂于薄片材料的表面，随后逐层展开切割，最后粘贴成型。（6）FDM技术（熔融沉积成型），在进行加热之后，对PLA与ABS等热塑型材料进行挤压，随后逐层进行堆积。（7）SLM技术（激光选区熔化），利用激光束对金属粉末进行熔融，继而使之凝固成型。

二、3D打印技术在康复矫形器研发中的应用

（一）康复矫形器模型的制造

在各类医用器材当中，康复矫形器属于一類体外医疗器材，其最重要的功能便是矫正，例如骨骼矫正和牙齿矫正等。当今市场中康复矫形器类型繁多，这些矫形器都有着各自对应的矫形适用部位。研发人员需要借助3D打印技术对康复矫形器优先展开三维建模，在此过程中对模型进行分区，使之逐层成为截面，随后经由打印机逐层打印出来。需要注意的是，研发人员可以按照矫形部位复制人体部位，在3D打印技术当中，这些复制部位能够完全契合人体。

（二）处理模型截面

在借助计算机对模型进行分区，使之逐层成为截面之后，3D打印机将会按照被系统分析过的文件当中数据信息，逐层打印这部分截面，并且通过具备可粘合性材料，用多种方式粘合各层截面，最终制造出相应实体。研发人员若想得到更有效的模型截面信息，应该将打印机的打出厚度设置成0.1㎜;将相应墨水水滴直径成0.05㎜，以便使3D打印的时间被有效缩短。

（三）矫形器打印

在进行矫形器打印时，应该按照被分区三维模型相应逐层截面来逐层进行打印。研发人员在此过程中若想确保得到物品拥有较高的分辨率，应当在正式打印之前利用三维打印机将更大的物体打印出来，随后对其表面稍微进行打磨，从而使物品表面更为光滑，分辨率更高。

（四）3D打印技术在康复矫形器研发中的具体应用

1.上肢矫形器

某研发部门为了帮助一名四肢麻痹症病人可以用手指更为轻松地拿物品，为其设计研发了手指矫形器。

在设计阶段，研发人员为病人手部优先制作石膏模型，随后对此模型展开三维扫描，进而进行三维建模。在进行三维建模时，研发人员遇到的最大问题便是怎样才能把此矫形器更有效地结合到病人的手部，因此研发人员尝试多种方案。结合时需要使康复矫形器外壳紧贴病人手腕，同时用较小部件对手指部分进行支撑，以此来对人手指关节进行模仿。另外，研发人员还在其中添加了杠杆控制部件，结合3D打印部件，使病人借助杠杆控制部件来活动手指。该矫形器含有70多个3D打印部件，在完成装配3D打印部件后，研发人员还将魔术贴添加其中，以便对此康复矫形器进行固定。

2.下肢矫形器

在对支撑型矫形器进行设计和研发的时候，研发技术人员一般会被个性化的结构所束缚。这主要是由于材料厚度配置、形态以及功能等都需要与每一名病人实际需要相符合。如果要应用一些复杂结构，以往传统的制造工艺已经很难确保其精准性。除此之外，因为传统制造工艺有着较高的成本，同时也很消耗时间，所以很少会存留现货。某些研发人员为了能够将以上问题顺利解决，积极引进了3D打印技术，通过借助这些先进的3D打印技术以及相应咨询服务，从而实现按照每一名病人的实际需要定制个性化的康复矫形器。

某足部/踝关节康复矫形器设计了许多的透气孔，整个脚面几乎都被环状封闭系统所覆盖，能够避免有出过多的汗。

在传统的制造过程中，正如前文所言，制造出来的康复矫形器不同材料厚度以及复杂结构与当前病人实际需求并不相符。而融合了许多功能的康复矫形器，往往需要制造方动用大量人力，以手动的形式组合各类单独零部件，来完成对矫形器成品的生产，会消耗大量人力、物力和时间;对于患病儿童来说，由于其处于身体快速发育阶段，因此更换康复矫正器的频率较高，传统制造工艺的灵活性很难符合此项要求。

在应用3D打印技术后能够发现，此项技术可以充分提升设计的自由度，同时也能实现集成一级复杂造型等功能。即使在相同类型的康复矫形器当中，也能够对各类材料的厚度加以个性化变换，进而对特定部位硬度以及灵活性进行加强。

研发人员为某病人设计了轻量化矫形器，该病人由于车祸只能依靠轮椅活动。研发人员借助3D打印技术研发、生产矫形器，在设计时，研发人员应该优先扫描病人的腿部，随后设计具有个性化、同时符合病人需求的康复矫形器三维模型。该膝踝足康复矫形器的夹板有着较轻的重量，良好的透气性，其支撑性也较强[3]。

三、结论

总体而言，对于整个社会来说，康复矫形器的有效研发和应用都具有极为积极的影响，而广泛应用以及持续完善3D打印技术，则会使矫形器的研发、制造更为简便，有效提升匹配度，同时提升使用人员的康复程度以及舒适度。另外，应用此项技术后，还可以提升设计康复矫形器的整体质量，进而使研发、使用成本都得到有效降低，最终促进康复矫形器朝着智能化和数字化的方向健康发展。

参考文献：

[1]黄楚红，黄文华，黄国志.3D打印技术在康复医学中的应用与研究进展[J].中国康复医学杂志，2020，35（01）：95-99.

[2]张强，曹杰，莫中军.3D打印技术在康复矫形器研发中的应用[J].中国设备工程，2019（22）：153-154.

[3]彭齐峰，廖文波.3D打印技术在康复工程中的应用[J].按摩与康复医学，2018，9（06）：3-5.