基于增材制造技术的手腕康复支具轻量化设计与开发_程律莎.pdf

基金项目：广东省高等职业教育教学改革研究与实践项目（编号：GDJG2021416）；中国职业教育学会重点课题（编号：SZ22B21）；深圳职业技术学院程律莎丽湖技能大师工作室项目（编号：LHRC20220304-2023）收稿日期：20230222基于增材制造技术的手腕康复支具轻量化设计与开发*程律莎1，裴延军2，伍达1，杜赛飞1，周世豪1（1.深圳职业技术学院 机电学院，广东深圳518055；2.南方科技大学附属医院 数字化创新中心，广东深圳518055）摘要：传统石膏支具具有笨重、透气性差的缺点，若固定时间较长，会出现关节僵硬和肌肉萎缩等并发症等痛点问题，而增材制造技术在制造康复支具方面具有许多潜在优势，如快速定制、低成本、高精度等，然而如何实现更为符合人体学设计、结构强度最优化设计以及临床适用性设计的个性化外部固定支具仍然是保障临床康复治疗效果亟需解决的重要问题。以手腕支具为例，开发一整套完整的从数据获取、反求建模、轻量化设计到3D打印验证的数字解决方案。通过逆向扫描技术获取人体数据，对结构进行优化设计，以满足人体工学体验与支护需求，并通过3D打印技术快速定制化生产。这种技术能够为患者提供个性化康复支具数字解决方案，不仅避免了由于医师熟练程度的不同造成产品适用性的差别，也为医疗人力不足情况下医疗支具产品自动化生产提供可能。经过测试发现，与市场同类型支具相比，设计开发的新支具在效能、匹配度和舒适度等方面均得到了大大提升。关键词：增材制造技术；手腕支具；轻量化设计中图分类号：TH164文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03003405Lightweight Design and Development of Wrist Rehabilitation Brace Based onAdditive Manufacturing TechnologyCheng Lvsha1，Pei Yanjun2，Wu Da1，Du Saifei1，Zhou Shihao1（1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shenzhen Polytechnic,Shenzhen,Guangdong 518055,China;2.Digital Innovation Center of Affiliated Hospital of South University of Science and Technology,Shenzhen,Guangdong 518055,China）Abstract:The traditional plaster support has the disadvantages of bulkiness and poor permeability.If it is fixed for a long time,there will bepain points such as joint stiffness and muscle atrophy,while the additive manufacturing technology has many potential advantages in themanufacturing of rehabilitation support,such as rapid customization,low cost,high accuracy,etc.However,how to achieve more ergonomicdesign,the optimization design of structural strength and the personalized external fixation brace designed for clinical applicability are stillimportant issues to be solved to ensure the clinical rehabilitation treatment effect.Taking wrist brace as an example,a complete set of digitalsolutions was developed from data acquisition,reverse modeling,lightweight design and 3D printing verification.The human body data wasobtained through reverse scanning technology,and the structure was optimized to meet the ergonomic experience and support needs.Finally,the rapid customized production was realized through 3D printing technology.The study can provide patients with personalized rehabilitationsupport digital solutions,which not only avoids the difference in product applicability due to the different proficiency of doctors,but alsoprovides the possibility of automatic production of medical support products under the condition of insufficient medical manpower.Aftertesting,it is found that this new support has been greatly improved compared with the same type of support in the market in terms of efficiency,matching and comfort.Key words:additive manufacturing technology;wrist brace;lightweight design2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.006程律莎，裴延军，伍达，等.基于增材制造技术的手腕康复支具轻量化设计与开发 J.机电工程技术，2023，52（03）：34-38.0引言前臂骨折是日常生活中最常见的骨折类型之一，统计表明，前臂骨折的类型达到全部骨折类型的15%，成人前臂发生骨折的概率为20%，儿童发生的概率为25%比成人更高1。前臂骨折往往是由于人在跌倒时用手掌撑地导致。而康复固定支具是给前臂骨折患者提供帮助而出现的一种辅助道具，又被称为矫正器，也是一种可以减轻身体功能障碍的体外装置，它使骨头以及关节损伤后的功能恢复成为可能。传统的骨科康复支具不具备个人定制设计，导致在临床上大多仍使用通用调整型的支具，同时这种传统的支具在实际临床应用中仍存在种种问题：制作时间长，制作工艺对取模、测量、成形等技术要求较高，往往延误了患者矫形治疗进程。此外，传统支具的人力成本占据了大部分比例，自动化程度较低，人员手工制作精细度和匹配程度在穿戴效果方面往往难以令人满意；再者，支具的制造材料较为固定，传统材料存在着种类单一，强度特性难以和复杂矫形需求绝对匹配，透气性和佩戴 34舒适性较差等问题2。上述问题导致了患者尤其是青少年儿童患者坚持佩戴支具的意愿下降，从而大大影响了康复支具的治疗效果。基于增材制造技术（3D打印技术）的外固定康复支具成为了解决问题的关键，往后将会代替传统支具，同时还能拓展至手臂、脊柱等其他关节的使用。个性化支具存在着巨大的应用优势3，具体表现在：（1）基于生物医学工程技术的个性化定制支具，可实现支具设计过程的高度自动化、智能化和精准化制造，有效达到人工制造难以满足的精确度和匹配度；（2）对接3D打印成形工艺可实现不同材料的选择，不同性能的材料可满足不同的矫形治疗需求；（3）增材制造技术可大大降低支具的制造成本并提高支具交付临床使用的时效性，提高支具矫形治疗效果的同时，大大降低患者的经济负担。国内外通过医学方面的软件对支具进行设计，但是无法实现更为符合人体学设计、结构强度最优化设计以及临床适用性设计的个性化人体外部固定矫形支具4。本文以保证支具固定承载效果为前提，通过采用三维扫描和计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）借助仿生拓扑学原理进行网格轻量化设计，实现支具重量轻，最大降低患者不适，出行不会感到尴尬。3D打印康复支具将康复支具量身定制，使其牢固而灵活。此外，它可以根据患者的康复需求，加以设计定制，更好地满足患者的个性化需求。1手腕康复支具的设计流程3D打印腕支具是一种特殊的助力装置，以减轻上肢外伤患者的肌肉和关节的压力。它可以为患者提供持久的支持和助力，以帮助他们保持正确的腕关节的位置。本文以手腕外固定支具为对象开发了一套完整的从数据获取、反求建模、轻量化设计、优化与调整、3D打印验证全过程的一体化解决方案。整体工艺方案包含肢体对象的数据获取、可控的轻量化设计和3D打印成形制造3个主要方面5。从数据采集开始到模型的优化处理，最后到3D打印的验证，全过程数字化地形成了一整套全新的一体化解决方案，设计与开发流程如图1所示。2手腕康复支具的一体化设计与3D打印技术路线图手腕康复支具设计技术路线图如图2所示，按照上述研究路线，基于增材制造技术工程思维，研制了符合不同个体特征的支具解决方案的技术路线。利用逆向技术解决不同人体特征不同的数据获取难问题，通过最为快捷、精准、无接触的光学扫描仪对于人体表面点云数据采集，采集影像数据并通过摄影测量的原理计算测量点坐标信息，扫描精度高达0.0080.014 mm6。利用工业设计技术进行结构优化，从医疗用途以及工程质量两方面进行模型优化，最后利用3D打印技术的增材制造方法进行快速生产，解决患者治疗时间紧迫导致个性化支具生产时间短的问题。外固定支具的镂空形式设计考虑了支具的经济化效应以及使用舒适度，具有 4 点优势：（1）可以有效地减少打印的耗材，降低打印制作成本；（2）有利于打印制作时打印效率的提升；（3）体现外固定支具个性化和美观；（4）提升支具的结构稳定性7。2.1肢体对象手腕数据获取与反求建模在一般产品开发过程中，产品从设计到生产是一个“从无到有”的过程，即从需求出发设计人员制定确定的设计方案，通过CAD软件绘制出产品的二维工程图或三维模型，再进入最终的生产阶段。这样的方式被称为“正向设计”。而逆向工程的产品开发过程则刚好相反，是“从有到无”的过程。逆向工程是借助现有的实物产品，通过数字技术获取起外观数据，然后通过软件配合在计算机中反求出三维模型，再在三维模型的基础上实行二次开发设计，逆向工程是对现有产品进行分析、改进和再创造的过程，而不是单纯的复制、抄袭产品的过程，而通过获取人体前臂数据并进行个性化设计的方式就属于典型的逆向工程8。图1研究路线图2手腕康复支具设计技术路线图程律莎，裴延军，伍达，等：基于增材制造技术的手腕康复支具轻量化设计与开发 35首先，对需要制作支具的身体部位进行3D扫描，以获取详细的图像和尺寸数据。这可以通过专业的3D扫描仪、摄影测量仪或移动设备上的3D扫描应用程序完成。三维扫描仪是采用结构光+相位测量+计算机视角技术相结合的三维非接触式测量方式，在测量时使用结构光发射器把光线投射到待测物体上，同时摄像头采集图像