供稿人:湯磊、王玲 發(fā)布日期：2018-09-10
麻省理工學院的一個研究團隊使用3D打印技術(shù)（PolyJet?）來制造具有局部可變剛度的假肢接受腔。接受腔的剛度設(shè)計來自于患者磁共振圖像（MRI）中殘肢的剛度映射。在接受腔的制造過程中，他們提出使用多材料高分辨率增材制造（AM）的噴墨打印方法和數(shù)字工作流程，能夠在亞毫米級的尺寸上通過控制材料成分比例來控制材料的機械性能，用于制造具有局部變化材料性能的設(shè)計對象，滿足設(shè)計要求。
該研究小組根據(jù)磁共振成像（MRI）數(shù)據(jù)計算出的殘肢不同位置軟組織厚度利用逆線性關(guān)系獲得接受腔的局部楊氏模量。已有文獻證明，這種相反的關(guān)系可以減小接受腔的接觸壓力。由于人體組織是梯度均勻分布的，因此他們的研究目標是模擬和制造應(yīng)用于假體接受腔的功能梯度材料屬性分布。該研究中使用的PolyJet技術(shù)能夠在亞毫米級的尺寸上通過控制材料成分比例來控制材料的機械性能來制造具有不同物理特性的物體，該技術(shù)使得研究人員能夠通過改變體素的參數(shù)來對大范圍的材料性質(zhì)進行連續(xù)控制。
接受腔設(shè)計的第一步，即收集患者殘肢的幾何與生理特征，需要能夠精確測量殘肢的三維幾何形狀，并且還能夠精確測量軟組織在生理相關(guān)方向上的局部生理特性。然后需要開發(fā)一種新算法，根據(jù)前一步中得到的測量結(jié)果來進行假體接受腔的形狀設(shè)計和材料成分設(shè)計。最后，需要一個監(jiān)控系統(tǒng)來準確評估接受腔的使用效果。其設(shè)計和制造過程從收集殘肢的生理數(shù)據(jù)開始，最終目標是建立一個物理測量系統(tǒng)，能夠?qū)崟r測量負載下殘肢的幾何形狀、不同組織位移處的壓力響應(yīng)以及肢體組織的局部剛度。根據(jù)殘肢端部受壓前后軟組織的徑向厚度變化以及各區(qū)域所受的壓力數(shù)值來計算不同區(qū)域軟組織的剛度；再將軟組織剛度通過線性反比關(guān)系映射到材料剛度：最高的軟組織剛度映射到最低的材料模量，而最低的軟組織的剛度映射到最高的材料模量。接受腔材料的梯度分布是通過在亞毫米級體素層面修改材料屬性實現(xiàn)的。
圖 1 打印出來的接受腔（最大尺寸：121*124*223 mm）以及梯度材料分布的細節(jié)
在傳統(tǒng)的接受腔設(shè)計中，假肢技師通過修改接受腔的幾何形狀來合理的分配殘肢耐壓區(qū)域與敏感區(qū)域的接觸壓力。與之類似，該研究團隊在給定載荷的情況下，在殘肢表面施加垂直于皮膚的均布力，通過將來自自身的重力與殘肢和接受腔之間的壓力平衡來計算出殘肢各部位所受到的壓力載荷大小，結(jié)合之前得到的殘肢局部剛度值，能夠計算得出殘肢在靜止站立情況下軟組織的變形，并以此作為接受腔的幾何形狀。
圖 2 由體重計算得到的壓力P，用于計算殘肢各部位軟組織變形量
該研究提出了一種新的假肢接受腔設(shè)計方法，結(jié)合梯度材料屬性，利用多材料噴墨打印方法來設(shè)計并制造一款基于功能梯度材料的個性化假肢接受腔。該接受腔在負載的情況下能夠有效的降低殘肢-接受腔界面的峰值壓力，將界面壓力均勻化，提高接受腔的功能性與舒適度。