3D打印和拓?fù)鋬?yōu)化在康復(fù)醫(yī)學(xué)科的應(yīng)用

作者：魏國(guó)強(qiáng) 山西省長(zhǎng)治市人民醫(yī)院 主任醫(yī)師

許陽(yáng)陽(yáng) 山西省長(zhǎng)治市人民醫(yī)院 主管技師

王 一 山西省長(zhǎng)治市人民醫(yī)院 主管技師

審核：王萍芝 山西白求恩醫(yī)院 主任醫(yī)師 康復(fù)醫(yī)學(xué)科主任 中華醫(yī)學(xué)會(huì)物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)分會(huì)神經(jīng)康復(fù)學(xué)組委員 山西省醫(yī)學(xué)會(huì)物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)專業(yè)委員會(huì)主任委員

3D打印，亦稱增材制造，是以創(chuàng)建的數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種可粘合材料（墨水），通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的一種快速成型技術(shù)。3D打印能快速實(shí)現(xiàn)“所想即所得”，設(shè)計(jì)者通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字建模后，輸入3D打印設(shè)備即可快速打印出原型或產(chǎn)品，顯著縮短了設(shè)計(jì)與制作周期。

3D打印在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用分為3D生物打印和3D非生物打印。前者是指有生物活性的組織器官的打印，后者則是只實(shí)現(xiàn)外觀、功能的打印。兩者最大的區(qū)別就是3D生物打印包含細(xì)胞參與，能實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的甚至貼近人體正常組織器官的生命活動(dòng)，是3D打印在臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的終極追求。目前，受技術(shù)與原材料限制，國(guó)內(nèi)康復(fù)醫(yī)學(xué)科大多采用3D非生物打印，但每件作品都是獨(dú)一無(wú)二的，具備精確的數(shù)據(jù)、精準(zhǔn)的力學(xué)測(cè)量、個(gè)性化的設(shè)計(jì)、全新的外觀及良好的匹配度等特點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，3D打印的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。

拓?fù)鋬?yōu)化（TO）作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方法，常用于設(shè)計(jì)并制作各種新穎和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，具有可調(diào)剛度、分層特征及出色的輕質(zhì)性能等優(yōu)點(diǎn)。

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非常巧合的是，人體的很多器官結(jié)構(gòu)的組織發(fā)育也經(jīng)歷過增材與拓?fù)鋬?yōu)化的過程，如骨骼在關(guān)鍵承載區(qū)域不斷沉積，而在非承載區(qū)域逐漸稀疏，通過反復(fù)拓?fù)鋬?yōu)化，骨骼結(jié)構(gòu)最終優(yōu)化分布于承載的重要區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和重量的完美平衡。盡管3D打印技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用受專有材料限制，但拓?fù)鋬?yōu)化能在一定程度上能彌補(bǔ)這一不足。3D打印與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合能有效解決康復(fù)醫(yī)學(xué)中的諸多問題。

近年來，我們積極探索3D打印與拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在康復(fù)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用，主要涉及以下方面：

1.3D醫(yī)學(xué)模型

可用于臨床教學(xué)和手術(shù)模擬，可按需還原、放大或縮小，具有客觀、真實(shí)、直觀、可觸摸及可模擬操作等特點(diǎn)。

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2.矯形治療

（1）頸椎固定矯形器：根據(jù)傷情及手術(shù)情況進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，易于快速佩戴，可根據(jù)病程和患者需求隨時(shí)調(diào)整穩(wěn)定性、舒適度及活動(dòng)度等指標(biāo)。拓?fù)鋬?yōu)化實(shí)現(xiàn)輕量化，便于觀察傷情。

制作過程：

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佩戴

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（2）足趾矯形器：采集足部圖像，建模后進(jìn)行生物力學(xué)設(shè)計(jì)，定制矯形器，準(zhǔn)確矯正足趾畸形。

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（3）輕量化分指板：對(duì)分指板進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，隨型調(diào)整，減輕重量，提升透氣性。

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（4）手指關(guān)節(jié)矯形器：用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎、外傷等導(dǎo)致的指間關(guān)節(jié)與掌指關(guān)節(jié)畸形，個(gè)性化設(shè)計(jì)，能及時(shí)隨型調(diào)整。

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（5）拇指、示指牽伸矯形器：針對(duì)腦卒中、神經(jīng)損傷等導(dǎo)致的手部攣縮畸形進(jìn)行牽伸矯形，數(shù)字化設(shè)計(jì)，美觀、透氣、舒適。

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（6）踝足固定矯形器：替代石膏，可預(yù)設(shè)衣服、襪子等襯墊，易拆卸，透氣，拓?fù)鋬?yōu)化后輕量化，便于觀察傷情。

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（7）肘關(guān)節(jié)固定矯形器：替代傳統(tǒng)石膏，可預(yù)設(shè)衣服襯墊，易拆卸，透氣，拓?fù)鋬?yōu)化后輕量化，便于觀察傷情。

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（8）胸腰椎固定矯形器：拓?fù)鋬?yōu)化后輕量化，便于觀察傷情。

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（9）丁字鞋矯形器：可用于腦卒中、下肢骨折等患者的下肢內(nèi)、外旋畸形，可利用足跟裝置來調(diào)節(jié)角度。

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（10）矯形鞋墊：個(gè)性化設(shè)計(jì)，經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化，可隨時(shí)調(diào)節(jié)足弓、足底及足趾高度和剛度，實(shí)現(xiàn)矯形治療。

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3.改良工具

自行設(shè)計(jì)與改良適合患者與治療師使用的工具和器械等。

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3D打印技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：個(gè)性化、貼合度好、精準(zhǔn)度高、制造周期短、結(jié)構(gòu)輕便、透氣性好、防水設(shè)計(jì)佳、可預(yù)設(shè)襯墊、迭代更新快、通透性好（便于觀察）、可根據(jù)患者反應(yīng)或病情變化隨時(shí)調(diào)整等。同時(shí)，也存在以下不足：首先是材料，缺乏兼顧舒適性、堅(jiān)固性、耐用性的打印材料，雖然拓?fù)鋬?yōu)化會(huì)彌補(bǔ)一定剛度和彈性的不足，但舒適度欠佳仍然不利于長(zhǎng)期佩戴；另外也存在后期專業(yè)化處理（光滑度、工藝）難度大、成本高等問題。隨著材料科學(xué)的進(jìn)步與新技術(shù)的融合，3D打印與拓?fù)鋬?yōu)化等技術(shù)將為康復(fù)醫(yī)學(xué)帶來日新月異的變化。