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基于云技術(shù)的個(gè)性化矯形器3D打印平臺(tái)
供稿人:孫暢寧，王玲
發(fā)布日期：2017-10-12
矯形器是用于預(yù)防或矯正四肢、軀干的畸形或治療骨關(guān)節(jié)及神經(jīng)肌肉疾病并補(bǔ)償其功能的裝置。據(jù)估計(jì)，在美國(guó)，矯形器的需求量將從1995年的5600萬(wàn)增長(zhǎng)到2020年的7300萬(wàn)件。相比一般產(chǎn)品，個(gè)性化矯形器得佩戴更加貼合、舒適，也能夠更好地起到功能補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>
傳統(tǒng)的個(gè)性化矯形器的制作主要是通過(guò)石膏造模法制造，這種方法的制造周期和成本都很高。美國(guó)密歇根大學(xué)矯形器和假肢中心開(kāi)發(fā)了面向矯形器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和增材制造系統(tǒng)（Cyber Design and Additive Manufacturing，CDAM）。該系統(tǒng)包括四個(gè)核心功能：
- 三維形貌捕獲：醫(yī)生使用3D掃描儀對(duì)病人患處的外形進(jìn)行掃描，并上傳掃描數(shù)據(jù)至網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中心（Cyber Design Center）。
- 個(gè)性化矯形器的設(shè)計(jì)：醫(yī)生使用CDAM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件Standard Cyborg?，進(jìn)行患處骨骼肌肉區(qū)分、邊緣定義、厚度設(shè)置等工作，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化矯形器設(shè)計(jì)。
- 個(gè)性化矯形器增材制造：矯形器制造采用熔融沉積成型技術(shù)（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）。根據(jù)設(shè)計(jì)好的矯形器STL模型，生成FDM設(shè)備的控制程序，該程序可以被下載到增材制造設(shè)備上。矯形器制造可選擇的材料ABS、PLA、尼龍或碳纖維增強(qiáng)尼龍等材料。
- ?測(cè)試與臨床評(píng)價(jià)：參考矯形器臨床前測(cè)試的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校核和評(píng)估；醫(yī)生協(xié)助患者穿戴矯形器，通過(guò)步態(tài)測(cè)試，評(píng)估患者穿戴矯形器后的功能恢復(fù)程度。
圖1 面向矯形器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和增材制造系統(tǒng)
圖2 基于云技術(shù)的個(gè)性化矯形器設(shè)計(jì)制造流程
為實(shí)現(xiàn)以上功能，CDAM系統(tǒng)包括涵蓋硬件服務(wù)、軟件服務(wù)、平臺(tái)服務(wù)和基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)四個(gè)部分。系統(tǒng)的硬件服務(wù)為FDM設(shè)備；軟件服務(wù)則向用戶開(kāi)放了相關(guān)CAD/CAM和有限元軟件的使用權(quán)限；平臺(tái)服務(wù)允許開(kāi)發(fā)者提供新的應(yīng)用模塊；基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)則提供了高性能的計(jì)算機(jī)和服務(wù)器。
CDAM系統(tǒng)的一個(gè)重要目標(biāo)是縮短矯形器的設(shè)計(jì)制造時(shí)間，使得患者能夠在一天之內(nèi)獲得個(gè)性化的矯形器，從而不需要多次往返醫(yī)院。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在密歇根大學(xué)矯形器和假肢中心投入使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)足踝矯形器的設(shè)計(jì)制造和臨床評(píng)估。
參考文獻(xiàn)：
- A. Shih, D.W. Park, Y.Y. Yang, R. Chisena, D. Wu, Cloud-based Design and Additive Manufacturing of Custom Orthoses, Procedia Cirp, 63 (2017) 156-160.
- Y.A. Jin, J. Plott, R. Chen, J. Wensman, A. Shih, Additive Manufacturing of Custom Orthoses and Prostheses-A Review, Additive Manufacturing, 12 (2016) 77-89.
