Insights l 一文看懂3D打印技术在假肢接受腔定制中的应用

| 3DScienceValley · 2019/08/26

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。

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。

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。

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。

3D打印假肢接受腔。
Nunnery OPT设计，Empire Group生产
来源：Empire Group

英格兰假肢制造商Nunnery OPT 公布了一种使用惠普MJF 3D打印技术和材料所制造的假肢接受腔。与以往的接受腔相比，MJF 3D打印除了使定制化更为灵活之外，在实现假肢接受腔的轻量化设计方面也有所提升。

国内3D打印服务商广东兰湾智能科技有限公司也在应用MJF 3D打印技术，并在研发包括假肢、矫形器在内的康复辅助器械。其中一种是可用于肌电手的假肢接受腔，这是一种3D打印一体成型的单层接受腔，相比传统接受腔的双层结构，重量与厚度都减轻了，结构紧凑，并可根据不同患者的断肢外形进行精确定制。

3D科学谷Review

假肢、矫形器的个性化设计与增材制造（3D打印）是国家重点研发计划，与之相关的“假肢矫形器的个性化设计与增材制造应用示范”项目在2018年10月启动。项目周期是2018年5月-2021年4月。涉及的课题包括：

假肢、矫形器增材制造研究课题。
来源：国家康复辅具研究中心

这一项目由国家康复辅具研究中心附属康复医院牵头，香港理工大学深圳研究院、北京航空航天大学、西安交通大学、北京大学第三医院、国家康复辅具研究中心、国家康复辅具质量监督检验中心、苏州大学、中国人民解放军空军军医大学、上海交通大学医学院附属第九人民医院、湖南华曙高科技有限责任公司、湖南华翔增量制造股份有限公司、山东新华医疗器械股份有限公司、三的部落（上海）科技有限公司、上海联影医疗科技有限公司、北京精博现代假肢矫形器技术有限公司、青岛尤尼科技有限公司、四川省康复辅具技术服务中心、内蒙古荣誉军人肢残康复中心19家单位共同承担，研究团队在“产、学、研、医、检、用”等方面各具特色、优势互补。

这一项目的顺利实施将推动假肢矫形器个性化设计、制作工艺与评估方法的转型升级，提升我国假肢矫形器的整体水平，也将为3D打印技术在康复辅助器械领域的产业化应用创造机会。

关于增材制造-3D打印技术在康复辅具制造领域的应用、价值及发展趋势，敬请查阅已发布的《3D打印与康复辅助器械白皮书》。

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