基于3D打印技术的康复辅具数字化设计、材料优化和智能制造研究

发布时间：2020-11-03 01:44

　　 背景:对于存在肢体瘫痪、功能障碍及发育畸形的成人和儿童,康复辅具可以改善功能障碍、纠正畸形,促进全面康复。但是由于设计水平和制作工艺的限制,传统方法制作的康复辅具存在许多不足。例如踝足矫形器制作时间长、不能完全匹配患者,笨重、不美观,患者不愿意穿戴。对于漏斗胸、颅形发育异常的儿童,尚无有效的康复辅具可以治疗。3D打印(3D printing)就是运用粉末状金属或塑料等可热熔粘合材料,通过分层加工、叠加成型的方式“逐层增加材料”,完成整个实体的构建。3D打印技术在康复辅具应用中的最大优势就是自由成型,结合计算机数字化技术,可以根据需要设计各种精细复杂的结构和外形。国外的一些研究证实利用3D打印技术制作踝足矫形器等康复辅具是可行的。但3D打印康复辅具尚未真正临床应用,主要原因为计算机模型设计、打印材料、打印成本和打印制造流程等关键障碍没有解决。研究目的:进行3D打印康复辅具的研发(踝足矫形器、颅形发育异常矫形头盔、漏斗胸负压吸盘、脑卒中上肢支具),基于3D打印技术,重点解决数字化设计、材料优化和制造流程,促进3D打印康复辅具的临床转化应用,改善患者功能和矫正畸形。资料与方法:在3D打印脑卒中踝足矫形器(AFO)研究中,利用双向渐进结构优化法(BESO)方法,对初始AFO模型优化结构,去除多余的结构,设计一种轻便的个性化AFO。之后,比较四种打印材料的打印效果,并进一步探讨3D打印的AFO对脑卒中患者功能恢复的影响。在3D打印颅形发育异常矫形头盔、漏斗胸负压吸盘、脑卒中上肢支具的研究中,对初始计算机模型进行设计,试验不同材料打印效果,并制定3D打印流程。结果:结构优化后AFO减少了 17%的重量,降低了打印成本,成功设计了 一种轻便透气的AFO;材料Somos NeXt打印的AFO,能够改善脑卒中患者的速度和步幅;材料PA2200和Accura Xtreme不适合临床应用;对于严重瘫痪的急性脑卒中患者,穿戴材料PA12打印的AFO,能提高脑卒中患者的步行功能,改善日常生活活动能力。成功完成了 3D打印矫形头盔、漏斗胸负压吸盘、上肢支具的设计制作流程,完成了多种材料的试验,取得了阶段性成果。结论:本系列研究在国内创新性地完成了3D打印康复辅具的数字化设计、材料选择和制造生产,并成功取得阶段性临床转化成果。今后的研究将集中在优化材料选择,并进行系统的临床研究。
【学位单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：R496;TP391.73
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
前言
第1章 一种新型个性化脑卒中踝足矫形器（AFO）的研发:有限元分析、结构优化和3D打印
    1.1 资料和方法
        1.1.1 研究对象
        1.1.2 新型个性化脑卒中踝足矫形器（AFO）的研发流程
        1.1.3 AFO的有限元分析（finite element analysis,FEA）
        1.1.4 AFO的结构优化分析
        1.1.5 AFO的3D打印制作
        1.1.6 AFO的实验室机械力学分析
        1.1.7 AFO的精度分析
    1.2 结果
        1.2.1 AFO的有限元分析和结构优化分析结果
        1.2.2 AFO的实验室机械力学分析结果
        1.2.3 AFO的精度分析结果
    1.3 讨论
        1.3.1 开展3D打印AFO的临床意义
        1.3.2 本次研究的重要意义及成果
        1.3.3 本研究不足与展望
    1.4 结论
    1.5 参考文献
第2章 脑卒中踝足矫形器的3D打印临床转化:从实验室设计到患者穿戴
    2.1 资料和方法
        2.1.1 研究对象
        2.1.2 方法
        2.1.3 3D打印AFO的流程图（见图2-5）
    2.2 结果
    2.3 讨论
        2.3.1 在国内最早开展了3D打印AFO临床转化
        2.3.2 研发的AFO克服了影响临床应用的障碍,率先比较了打印材料的效果
        2.3.3 为进一步开展3D打印AFO提供了临床基础
    2.4 结论
    2.5 参考文献
第3章 材料Somos NeXt 3D打印的脑卒中踝足矫形器的临床应用研究
    3.1 资料和方法
        3.1.1 研究对象
        3.1.2 AFO的3D打印制作过程
        3.1.3 材料Somos NeXt 3D打印AFO
        3.1.4 步态分析
        3.1.5 统计学分析
    3.2 结果
        3.2.1 入选病例结果
        3.2.2 时空参数
        3.2.3 对称性参数
    3.3 讨论
        3.3.1 材料Somos NeXt打印的AFO可以提高步速和步幅
        3.3.2 本次研究的重要意义
        3.3.3 本研究不足与展望
    3.4 结论
    3.5 参考文献
第4章 不同打印材料对脑卒中踝足矫形器的3D打印效果研究
    4.1 资料和方法
        4.1.1 研究对象
        4.1.2 研究方法
        4.1.3 打印材料
        4.1.4 临床试验
        4.1.5 康复评定
        4.1.6 统计学分析
    4.2 结果
        4.2.1 四种材料打印的AFO实际效果
        4.2.2 康复评定结果
    4.3 讨论
        4.3.1 打印材料不确定,严重影响了3D打印AFO技术的临床转化
        4.3.2 本次研究明确了四种材料的实际打印效果
        4.3.3 本研究进一步证明了3D打印的AFO改善了严重瘫痪的脑卒中患者的运动功能
    4.4 结论
    4.5 参考文献
第5章 材料PA12打印的踝足矫形器对下肢痉挛的脑卒中患者步行功能的影响
    5.1 资料和方法
        5.1.1 研究对象
        5.1.2 3D打印制作AFO标准流程
        5.1.3 步态分析
        5.1.4 统计学分析
    5.2 结果
        5.2.1 临床穿戴使用情况
        5.2.2 步态分析结果
    5.3 讨论
        5.3.1 下肢痉挛的脑卒中患者穿戴3D打印AFO的必要性
        5.3.2 PA12打印的AFO改善了下肢痉挛的脑卒中患者的步行功能
        5.3.3 3D打印AFO技术在临床转化中所面临的挑战和困难
    5.4 结论
    5.5 参考文献
第6章 基于3D打印技术的婴儿颅形异常矫形头盔的设计、材料优化研究
    6.1 资料和方法
        6.1.1 研究对象
        6.1.2 研究方案
        6.1.3 3D打印矫形头盔的制作流程
    6.2 目前阶段性研究成果
        6.2.1 聚乳酸材料打印制作
        6.2.2 TPU材料打印制作
        6.2.3 PA12材料打印制作
    6.3 总结和展望
    6.4 参考文献
第7章 基于3D打印技术的漏斗胸个体化真空吸盘的设计和制造研究
    7.1 资料和方法
        7.1.1 研究对象
        7.1.2 研究方案
        7.1.3 漏斗胸个体化真空吸盘的制作流程
        7.1.4 作用原理
        7.1.5 使用方法
    7.2 阶段性研究结果
        7.2.1 典型病例一
        7.2.2 典型病例二
    7.3 总结和展望
    7.4 参考文献
第8章 脑卒中瘫痪上肢支具的3D打印研究
    8.1 资料和方法
        8.1.1 研究对象
        8.1.2 研究方案
        8.1.3 3D打印上肢支具的具体数字化制作流程
    8.2 目前阶段性研究成果
        8.2.1 典型病例一
        8.2.2 典型病例二
    8.3 总结和展望
    8.4 参考文献
第9章 全文总结和展望未来
    9.1 开展进行3D打印康复辅具研究的重大意义
    9.2 3D打印康复辅具系列研究的阶段性成果
    9.3 3D打印康复辅具系列研究的创新性
    9.4 3D打印康复辅具临床转化所面临的挑战
        9.4.1 数字化建模和设计
        9.4.2 打印材料的优化选择
        9.4.3 云端智能制造
        9.4.4 跨学科跨专业密切合作
        9.4.5 符合医疗器械的法律法规
    9.5 参考文献
附录
攻读学位期间成果
致谢

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本文编号：2867900