康复辅具是改善、补偿、替代人体功能和实施辅助性治疗以及预防残疾的产品。因为需要康复的对象身体情况存在差异性,所以医疗辅具市场的定制化需求较为明显。而3D打印技术不仅可以解决这种定制化需求,还能大大的降价康复辅具的制作成本,为老年和残障人士带来了新的希望。
康复辅具市场一直是3D打印技术的重点应用领域。国务院在《关于加快发展康复辅助器具产业的若干意见》中提出的增材制造(3D打印技术),在促进康复辅助器具设计创新、提高定制化水平等方面起到了重要作用。近年来,3D打印技术逐渐在矫形器与假肢、个人移动辅助器具、沟通和信息辅助器具、个人医疗这辅助器具等康复辅具上得到了广泛的应用。
3D打印在辅具制作上的应用
3D打印技术适用于个性化定制需求,提供的产品基本上都是定制的。3D 打印技术在辅具制作上的引入,大大降低了定制的成本。
目前3D打印应用于以下两个方面:一是无须留在体内的医疗器械,包括医疗模型、假肢、助听器、诊疗器械、各种辅助器具、手术导板等; 二是个性化永久性人体植入物,使用相关医疗级打印材料如钛合金、生物陶瓷等通过设备打印出人体所用的牙齿、骨骼和关节等。
目前,3D打印技术在辅具制作中有两种应用方式,一是用3D扫描设备对人体特定部位扫描采集数据,经专业人士对数据进行处理形成三维模型数据,此数据经过数控人员的操作编出数控加工程序,将程序输入到数控加工设备中,加工设备根据电脑程序加工出与数据模型一模一样的产品,最后再进行修整。二是利用磁共振技术和CT扫描采集完整的骨骼数据,然后在计算机上构建出残疾人骨骼的3D图像,通过3D打印设备打印出完整的与残疾人相同的材料模型。根据模型残缺的情况,设计制造出假体模拟安装和修整,模拟安装完成后,再使用相关材料打印出真正的植入假体。
应用——上肢矫形器
波兰某生物工程学研究生曾为一名患有四肢麻痹症的患者设计一个轻巧的定制化手指矫形器,以帮助患者的手指轻松的抓取物品。
在设计时,设计师首先为患者的手部做了石膏模型,然后对石膏模型进行三维扫描。在接下来的三维建模过程中,最大的挑战是如何将矫形器与患者的手部进行更好的结合,设计师尝试了不同的机械解决方案。矫形器的外壳需要紧密的贴合在手腕上,手指部分由较小的部件支撑,可模仿人的关节结构。设计师添加了一个杠杆控制装置,与3D打印的部件装配在一起,通过杠杆装置,患者的手指得以活动。
矫形器由70多个不同的3D打印部件组成,设计师使用双喷头FDM 3D打印机和ABS丝材进行3D打印。在3D打印部件装配完成之后,设计师添加了魔术贴,用以固定矫形器。
应用——假肢
在日本,传统的假肢需要庞大的制造过程和设备成本,以及根据患者个人情况制作的假肢佩戴者的技术能力,一般每条假肢需要30万~ 100万日元,而且交货时间通常需要2 ~ 3周。
设计师在制造假肢时,首先要获得佩戴者肢体扫描数据,在计算机中将患者自身肢体数据与设计出的假肢进行匹配,确保定制的假体能让患者的身体看起来非常协调利用3D打印技术很快制造出佩戴者适合的假肢。3D打印技术提高了假肢外壳设计的自由度,制造出轻量化的结构。
应用——脊柱矫形器
在脊柱侧弯患者中,仅有10%的青少年特发性脊柱侧弯患者最终需要手术治疗,90%的患者可以保守治疗和积极观察。非手术治疗中公认最主要和可靠的方式是用矫形支具治疗。
现有支具存在透气性差、设计不能与患者身体充分贴合,器械壁厚,样式不美观等问题,这些问题使患者的佩戴依从性差,从而影响治疗效果。国内外的医疗机构、康复辅具制造企业已开始通过3D打印技术制造更加轻量化、美观的定制化脊柱侧弯矫形器。
3D打印在辅具制作上的优势
3D打印技术与传统制造辅具相比,3D打印可以省去模具制造的时间成本,提高研发速度,降低研发失败的成本。3D打印技术可以根据计算机的图形数据,增材制造出各种形状的辅具产品,能提高材料的利用率,在较短的时间内制造出结构更为复杂的辅具产品。
传统制造康复辅具的制作流程较为复杂,首先企业要根据患者的大体情况分类来进行不同型号产品的设计。然后模具制造厂根据设计开发图纸,进行模具制造。由于模具制造的费用较高,厂家一般都会设定基本的型号,来控制成本。模具制造完成后,还需要为模具设计开发出合适的工装夹具。完成模具和夹具开发后,企业才会进行大批量的注塑。得到的产品尺寸少,型号有限,难以与患者的身体结构精准匹配。整个制作过程生产量大、流程复杂、周期长、型号规格较少。
然而运用3D打印技术制作医用康复辅具的流程就较为简单,首先要取得患者的骨骼、皮肤或体型等相关数据图像,三维重建后进行设计,然后将设计好的数据模型导入“打印机”(预备好相关的制作材料),打印后再进行简单的处理加工就能得到定制式的康复辅具。整个制作过程方便、简单、快捷,而且具备精准化、个性化特点,不仅缩短了时间成本而且提高产品与患者身体结构的匹配度。
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