3D 打印个性化矫形器制作技术进展△

阮贝特，颜威，马泓泓，奚小冰

（上海交通大学医学院附属瑞金医院，上海 200001）

在急性骨折及损伤临床领域，矫形器的改进始终是最首要和最具有学科交叉活跃度的，根据美国矫形与修复学会的数据，使用矫形器的人数预计将至少增加31%［1］。目前对于3D 打印矫形器的综述往往停留于讨论快速成型技术（rapid prototyping, RP）的应用，而忽略了RP 技术前重要且必要的模型制作阶段。逆向工程（reverse engineering, RE）是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的计算机辅助设计（computer aided design,CAD）模型的过程。这种手段近年来广泛用于医学领域，尤其是骨重建假体置入、手术工具、医疗培训等方面［2］。本文将立足于从RE技术到RP 技术的制造顺序，对近年来国内外的3D打印矫形器文献中制作技术研究的进展进行综述。

1 个性化矫形器制作过程

基于逆向工程的外固定矫形器一般由光学扫描、CAD 建模、二次设计、3D 快速成型4 个步骤组成。这种3D 打印的矫形器具有定制化、个性化、信息化的特点，因模型完全取自于被扫描者，并通过搜集的个体数据进行力学结构调整。苏晨等［3］综合评价后认为强度、透气性、轻量化以及贴合度等因素在用户间具有较高的权重，因此，个性化定制矫形器的研究在临床领域具有较好的前景。

2 光学扫描技术的进展

非接触式测量法进行RE 数据采集目前是主流，如CT 重建、手持扫描仪、箱式扫描仪，以及更为便携的扫描配件等。目前大部分研究者采用手持式3D扫描仪来即时获得患肢表面点云信息［4,5］，王勉等［6］指出经测试扫描获得的桡骨远端三维重建模型精度偏差值可以用于精准重建，三维重建的精度可以指导3D 打印矫形器的制造和临床应用需求［7,8］。该方法相较传统CT 重建更为快速、伤害性小［9］，无接触体表光学扫描可较好避免患者信息伦理问题，但对扫描人员的技术、周边环境与光照条件有较高要求，同时3D 扫描仪产品众多且良莠不齐，导致数据精度不一，不能很好地进行统一的统计分析。

为解决以上问题，Lazzeri 等［10］在收集数据时采用8 台英特尔光学环形相机组成箱式扫描系统，相较于手持扫描仪存在的患者手部抖动与医务人员专业性不足的问题，能更快速精确地得到模型。考虑到箱式扫描的价格昂贵，扫描时间较长，Dombroski 等［11］尝试使用微软kinect 扫描仪去获得手部信息，鲁德志等［12］使用便携式ipad 扫描仪Structure Sensor，以上扫描过程为5～8 min［13］，两者均基于红外线深度传感，与传统扫描仪对比误差不大，成本及使用条件较低，可更利于RE 方法的推广。目前来说，在医院内使用手持扫描仪快速取得表面数据仍是首选，同时因为患肢维度会随时间变化，能否快速及时准确取得数据仍是主要研究方向，但进行研究需求的条件较高，因此对此方面的研究者较少，更多的是选择采取现成的扫描方案。

3 CAD 建模技术的进展

得到患肢表面数据后，存在许多破损和粗糙部分，需依靠CAD 方法进行修复工作，得到贴合患肢的光滑矫形器模型。如何选择最合适的3D 处理和建模工具取决于很多因素。通过对现有文献的分析，有两种方法：（1）大部分研究者可以遵循传统工业的RE 方法，使用相对较复杂且获取较昂贵的通用CAD建模软件对矫形器进行设计和后期处理，如Geomagic、Rhinoceros 等软件［14，15］；（2）可以为3D 打印矫形器专门开发特定的CAD 应用软件［16］，优点是可针对不同操作人群和应用场合进行适应，如适用于医务人员的矫形器制作系统。Li 等［17］使用基于grasshopper 软件的可编程建模系统，提出可以在几小时内完成建模到打印的过程，大大缩短了患者等待的时间，同时可再编程的系统留给了工程师更多的自动化空间。半预制模型目前也有研究者尝试，Marzola等［18］利用SSM 统计学模型，通过预先设计好的模型，根据患者扫描信息，在程序内进行一定微调来达到合适的模型以期提高建模速度。邹诚实等［19］使用外固定矫形器预编程设计模板来制作下肢矫形器，依据患者下肢体表特征点快速建模，同时评估医务人员能否适应非专业的模具制造流程，来减少信息在工程师与医务人员之间传递的时间，达到院内制造下肢3D 矫形器的结果。初步结果显示，较为可行，但存在样本量较小的问题。Servi 等［20］构建了一种集成建模系统，名为Oplà，此系统可完全在院内情况下完成3D 矫形器的制作过程，但仍然需要24～28 h，且该期间需要传统石膏临时固定。无论是集成扫描、控制、建模或是利用预制模型根据患者特征点快速生成矫形器的系统，其目的是加速逆向工程建模这一过程，同时简化软件操作，更好地降低成本，方便非专业人员使用，利于临床推广。

4 二次设计技术的进展

完成矫形器基础建模后，进入到二次设计阶段，形成进一步定制模型，基于RE 方法运用CAD 软件可对结构、外观进行定制。因镂空工艺可增加透气性及舒适度，减少材料使用，加快打印速率，减轻重量等［21］，因此对于如何依据临床进行镂空以及快速镂空成为了近期的热点。

采用简单镂空孔洞的方式，可达到轻量化的目标［22］。Wang 等［23］编写了一种半自动化镂空建模系统，通过PYTHON 语言自动化软件的镂空及后期处理的过程，从而达到普及逆向工程的3D 矫形器的目的，但简单镂空方法存在不合理的材料删减，需要更为科学的镂空方案。

工程学常用的拓扑结构优化算法逐渐被创新应用于矫形器的轻量化改进［24］，这种方法在保持结构强度的同时节省材料。廖政文等［25］使用拓扑优化方法指导腰部矫形器镂空设计，利用Abaqus 软件进行结构优化，根据结果布尔运算出3 mm 的圆形孔洞用于透气。Yan 等［26］通过压力传感器取得压力分布信息对桡骨骨折矫形器实行拓扑优化，镂空后增加晶格网络进行结构补强，减少了42%重量和材料；彭志鑫等［27］则应用有限元验证了利用拓扑优化轻量化矫形器方法的可行性。另外，从散热角度，Zhang 等［28］使用热成像仪器调整镂空孔洞分布，同时构建自动化系统，在保证结构强度的情况下达到最佳散热效果，提高佩戴舒适感，减少并发症。总之，从不同角度改进镂空方式，利用编程自动化技术，达到镂空快速、优质，同时轻量化的目标，是工程师和医学研究者正在努力的方向。

5 3D 打印技术的进展

RE 方法形成的成熟模型的快速应用更是受限于3D 打印技术自身的发展。有研究者指出，3D 打印技术的产品质量与打印速率存在着此消彼长的动态关系［29］，同时还被成型工艺、打印机本身功率、材料溶解率、扫描路径算法等众多因素影响［30］。作为非主要应用场合的医院，研究者能够选择的往往只有成型工艺和材料，以及部分路径算法。

成型工艺方面，常用于3D 矫形器的成型工艺包括熔融沉积成型（fused deposition modeling, FDM）、选择性激光烧结（selective laser sintering, SLS）及光固化立体印刷（stereo lithography appearance, SLA），其中在可接受的细节质量范围内，SLS 的扫描速度较快，可达3 500 mm/h［31］，该种工艺其表面质量较低，且前期投入成本昂贵。在材料方面，根据文献，目前常用于3D 打印矫形器及矫形器的材料有树脂、聚乳酸、尼龙等［32］，Chen 等［33］认为树脂的拉伸模量超过2 000 MPa，制成的矫形器可能会让人产生不适，应使用拉伸模量较低的尼龙为前臂骨折的患者打印腕部矫形器。张文林等［34］使用预制模型与可塑性材料低温热塑板，通过人体构造的相似性，得到适用于大部分人群的预制矫形器，而后使用加温进行二次塑型，减少了塑型时间和难度，是较为有效的解决打印建模时间过长的方案。复合材料的应用也是目前聚焦的研究方向［35］。Munoz-Guijosa 等［36］采用天然纤维和碳纤维聚合物，利用热压罐的高压环境，结合3D 打印模具，快速生成牢固的矫形器，认为复合材料在矫形器制作领域具有较好的前景。路径算法方面，林洁琼等［37］通过自适应算法根据曲率及要求精度优化分层厚度，可以有效保证精度及质量的流程简化，对于曲面较多的RE 矫形器速率优化有一定的借鉴价值。因此借助交叉学科的能量，设计和选择一种更适用于矫形器打印的3D 打印机，可以达到快速临床应用的目的。

6 小 结

上述基于RE 的3D 打印矫形器制作技术研究中：在扫描方面，应用于人体表面扫描的改进研究较少，但临床研究均倾向于便携式扫描仪，如何做到精度和方便的均衡尚待进一步的探索；CAD 建模方面，半自动建模系统可以很好地减少人员培训和软件的时间成本，但对CAD 方法建模时间的估计均较为乐观，可用性研究也基本是个例研究和刚刚起步；二次设计方面，研究者利用镂空进行结构优化，可以一步达到多个优化目标，但力学测量方面多依赖计算机模拟，仍缺乏一定的客观性；3D 打印方面，通过及时更新最新的打印技术和材料，优化喷头路径或分层算法，也可达到快速应用，减少成本的同时提高疗效的目的。

综上所述，结合优化算法的自动化制造系统是目前3D 打印矫形器应用临床的最佳途径，可提高患者的依从性并且提高疗效［38］。最新文献指出，光固化3D 打印机生产一副支具时间约为161 min，加上扫描和建模的过程，流程最少10 h［39，40］，此前研究忽略了从采集到CAD 方法的时间，相对于3D 打印时间，这部分时间更难以估计，但也更容易通过方法的简化进行压缩。如在光学扫描阶段，采用便携式扫描仪；在CAD 建模阶段，构建适用于医务场所的自动化建模系统；在3D 打印阶段，改进工艺和材料以及自适应算法均可减少生产时间。集成以上自动化系统，目前仍是临床应用较大的难关，但是一项新技术的开展这些问题都会出现，会随着医院设施的逐步完善而得到解决。