论文部分内容阅读
摘 要：我国作为全球领域内康复辅助器需求量最大的国家，假肢市场的需求日渐增长，也带动了假肢产品制造、配置服务以及研发设计等新兴产业的发展。目前，随着市场上假肢产品种类越来越丰富，市场供给能力也不断加强，售后服务质量也稳步上升，但假肢产业体系仍有待完善，自主创新意识不强，市场秩序也不够规范。在此基础上，本文对3D打印技术的发展现状及发展前景，以及在假肢矫形领域的具体应用，展开了深入分析与探究。
关键词：3D打印技术;假肢矫形;应用
引言
目前，在全球各行业领域的发展过程中，3D打印作为新兴技术，不仅突破了传统打印技术的桎梏，也为打印技术带来了新的变革，得到了广泛运用和推崇。在假肢矫形领域，3D技术与互联网+的融合与运用能够有效促进器具设计与创新，从而提高假肢定制化水平，满足不同群体的个性化需求。与3D打印不同的是，3D打印假肢并不只是简单的文件下载设计，而是要根据用户所需定制假肢的特殊性，最终呈现出符合医学构造、适配性高的假肢成品，整个流程并非易事，其未来发展还有待探究。
一、3D打印技术的概念、原理及特点
（一）概念
3D打印技术，中文名是三维打印、增材制造，外文名为3D printing（3DP），该技术于1986年诞生，发明人是查克赫尔。3D打印技术的特点在于快速成型，以数字模型文件为打印基础，通过将可粘合的粉末状金属或塑料等材料进行逐层打印，最终构成物体的一项新型技术。通常情况下，3D打印技术是利用数字技术材料打印机的方式，进行磨具制造和工业设计等，在牙科、珠宝、鞋类、建筑等领域都有所应用。
（二）原理
3D打印存在多种不同种类的技术，其主要区别就在于可用材料的方式不同，通过不同层构造来创建的部件也不同，通常将尼龙玻纤、石膏、铝、钛合金、相较、不锈钢、耐用性尼龙等作为主要材料。3D打印的工作原理是：通过计算机软件塑造模型本体，在进行模型分解，最后利用快速成型机将所有的横截面堆积成三维立体模型。例如，要想得到一个塑料材质的猕猴桃，首先用3Dmax制作猕猴桃模型，再将3D打印机里倒入相应材质，最后利用打印机打印出真实的计算机里所显示的猕猴桃模型。
（三）特点
3D打印技术相较于传统打印，其优势主要在于：无须切割物体、不需要模具、加工速度极快且生产周期短，在打印结构复杂且体积较小的物体时更具优势，且无需二次加工，既可以批量生产也能联机生产，还可以远程操控。但3D打印技术并不是完美的，也存在部分缺陷：打印機造价昂贵，运行、维修费用超高，且对成型物体的材料要求较为苛刻，操作难度相当大，导致打印机操作入门较难，3D处理的软件数据量巨大，对软件和实体打印机的关联性要求相当高。
二、3D打印技术的现状
虽然3D打印技术有很多优势，在很大程度上释放了人工劳动力，大大缩短了产品的交付时间，且占用空间极小，所复制的实体相当精确，但在实际应用过程中也存在很多短板。目前，市面上多数3D打印机所打印的物品都只能当作模型使用，只有极少数可以直接作为零部件使用，无法完成某些高硬度产品如制造钻头等任务，因此3D打印技术的发展仍面临着巨大考验。
三、3D打印技术在假肢领域的具体应用
（一）上肢矫形器
3D打印技术在上肢矫形器的应用，以手指矫形器为例，波兰某生物工程学的一名研究生，为一名患有四肢麻痹症的患者，通过该技术设计定制了专属手指矫形器，最终帮助该患者实现了自由抓取物品的愿望。在设计时，首先对患者手部进行石膏模型定制，再对其三位扫描，并添加了杠杆控制装置，以模仿人的手部关节活动，使得患者手指能够像正常人一样抓取活动。
（二）下肢矫型器
3D打印技术在下肢矫形器的应用，以踝足矫形器为例，国外设计师为车祸患者设计了更具轻量化的矫形器，无需模具制造技术直接制造矫形器：首先用3D技术扫描患者腿部，在用定制化设计出三位模型，采用了多材料3D打印机和刚性材料，最终制造出夹板重量轻、透气性好、支撑性强的踝足矫形器。
（三）脊柱矫形器
针对脊柱侧弯患者，通过矫形支具治疗的方式效果更佳，为了保证脊柱矫形器能够于患者身体充分贴合、样式更美观，让患者有更好的佩戴体验感，可以通过将矫形器与互联网+融合的方式，以尼龙为材料，同时配备实时传感器，更好的跟踪用户穿戴时间及压力点检测，并根据患者的穿戴时间、弃穿率、压力参数等因素，判断患者是否按照医嘱要求使用，有助于医疗人员为其制定后续治疗方案。
（四）上体假肢
3D打印技术与互联网+的融合，在上体假肢领域的应用，以3D打印仿生肌电手为例，包括放生机械手和肌电信号两个主要部分，利用医用电极与手臂肌肉相连，使手臂肌肉收缩，肌肤表面会产生相应电子信号，感应器在感应到这一信号后，将其传递给机械手，最终完成肌电手的抓取任务，可以通过实时监测，可以为后续调整提供更多数据支持，其外观造型不仅更加灵活，重量也与人手相当。由此可见，通过3D打印技术制造的上体假肢，不仅能够满足佩戴者的个性化需求，造价成本也较低。
（五）下体假肢
对于3D技术下肢假肢制造而言，佩戴者不仅能够自主选择喜欢的外壳款式，重量也更轻便，也更为耐用。另外，相较于传统假肢定制周期较长，3D打印下肢假肢，不仅能够实现在短时间内交付产品，也经过了产品长期耐久性、负载持久等测试，佩戴时间也可以超过三年。随着加之外形的多种多样，不仅能够体现假肢外壳的创新性和个性化，也能给佩戴者带来更多自信。
结束语：
如今，随着世界范围内残疾人的生活水平不断提升，对假肢和矫形器的需求量越来越大，对其要求也越来越高，在一定程度上推动了假肢矫形产业的升级与发展。目前，3D打印技术的发展逐步成熟，涉及的领域也愈发广泛，通过与互联网+的融合，对假肢矫形领域的发展也起到了尤为关键的推动作用，应放眼未来，牢牢把握住3D打印这一新兴技术，使其能够为更多残疾人士谋福利。
参考文献
[1] 王延庆，沈竞兴，吴海全.3D打印材料应用和研究现状[J].航空材料学报，2016，36（4）：89-98.
[2] 姜涛，程筱胜，崔海华，戴宁.3D打印相关技术的发展现状[J].机床与液压，2018，46（03）：154-160+146.
[3] 张学军，唐思熠，肇恒跃，等.特约3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.
[4] 刘泉，刘荣，徐亚茹. 基于PBL学习模式的3D打印技术打造智能义肢课程[C]// 2016年第十五届全国机械设计教学研讨会论文集. 2016.
[5] 何雪锋，熊爱兵. 3D打印技术在整形外科的研究及应用进展[J]. 中国组织工程研究，021（3）：P.428-432.
[6] 李巍. 3D打印技术在骨科临床教学中的应用初探[J]. 求知导刊，000（019）：44-44.
关键词：3D打印技术;假肢矫形;应用
引言
目前，在全球各行业领域的发展过程中，3D打印作为新兴技术，不仅突破了传统打印技术的桎梏，也为打印技术带来了新的变革，得到了广泛运用和推崇。在假肢矫形领域，3D技术与互联网+的融合与运用能够有效促进器具设计与创新，从而提高假肢定制化水平，满足不同群体的个性化需求。与3D打印不同的是，3D打印假肢并不只是简单的文件下载设计，而是要根据用户所需定制假肢的特殊性，最终呈现出符合医学构造、适配性高的假肢成品，整个流程并非易事，其未来发展还有待探究。
一、3D打印技术的概念、原理及特点
（一）概念
3D打印技术，中文名是三维打印、增材制造，外文名为3D printing（3DP），该技术于1986年诞生，发明人是查克赫尔。3D打印技术的特点在于快速成型，以数字模型文件为打印基础，通过将可粘合的粉末状金属或塑料等材料进行逐层打印，最终构成物体的一项新型技术。通常情况下，3D打印技术是利用数字技术材料打印机的方式，进行磨具制造和工业设计等，在牙科、珠宝、鞋类、建筑等领域都有所应用。
（二）原理
3D打印存在多种不同种类的技术，其主要区别就在于可用材料的方式不同，通过不同层构造来创建的部件也不同，通常将尼龙玻纤、石膏、铝、钛合金、相较、不锈钢、耐用性尼龙等作为主要材料。3D打印的工作原理是：通过计算机软件塑造模型本体，在进行模型分解，最后利用快速成型机将所有的横截面堆积成三维立体模型。例如，要想得到一个塑料材质的猕猴桃，首先用3Dmax制作猕猴桃模型，再将3D打印机里倒入相应材质，最后利用打印机打印出真实的计算机里所显示的猕猴桃模型。
（三）特点
3D打印技术相较于传统打印，其优势主要在于：无须切割物体、不需要模具、加工速度极快且生产周期短，在打印结构复杂且体积较小的物体时更具优势，且无需二次加工，既可以批量生产也能联机生产，还可以远程操控。但3D打印技术并不是完美的，也存在部分缺陷：打印機造价昂贵，运行、维修费用超高，且对成型物体的材料要求较为苛刻，操作难度相当大，导致打印机操作入门较难，3D处理的软件数据量巨大，对软件和实体打印机的关联性要求相当高。
二、3D打印技术的现状
虽然3D打印技术有很多优势，在很大程度上释放了人工劳动力，大大缩短了产品的交付时间，且占用空间极小，所复制的实体相当精确，但在实际应用过程中也存在很多短板。目前，市面上多数3D打印机所打印的物品都只能当作模型使用，只有极少数可以直接作为零部件使用，无法完成某些高硬度产品如制造钻头等任务，因此3D打印技术的发展仍面临着巨大考验。
三、3D打印技术在假肢领域的具体应用
（一）上肢矫形器
3D打印技术在上肢矫形器的应用，以手指矫形器为例，波兰某生物工程学的一名研究生，为一名患有四肢麻痹症的患者，通过该技术设计定制了专属手指矫形器，最终帮助该患者实现了自由抓取物品的愿望。在设计时，首先对患者手部进行石膏模型定制，再对其三位扫描，并添加了杠杆控制装置，以模仿人的手部关节活动，使得患者手指能够像正常人一样抓取活动。
（二）下肢矫型器
3D打印技术在下肢矫形器的应用，以踝足矫形器为例，国外设计师为车祸患者设计了更具轻量化的矫形器，无需模具制造技术直接制造矫形器：首先用3D技术扫描患者腿部，在用定制化设计出三位模型，采用了多材料3D打印机和刚性材料，最终制造出夹板重量轻、透气性好、支撑性强的踝足矫形器。
（三）脊柱矫形器
针对脊柱侧弯患者，通过矫形支具治疗的方式效果更佳，为了保证脊柱矫形器能够于患者身体充分贴合、样式更美观，让患者有更好的佩戴体验感，可以通过将矫形器与互联网+融合的方式，以尼龙为材料，同时配备实时传感器，更好的跟踪用户穿戴时间及压力点检测，并根据患者的穿戴时间、弃穿率、压力参数等因素，判断患者是否按照医嘱要求使用，有助于医疗人员为其制定后续治疗方案。
（四）上体假肢
3D打印技术与互联网+的融合，在上体假肢领域的应用，以3D打印仿生肌电手为例，包括放生机械手和肌电信号两个主要部分，利用医用电极与手臂肌肉相连，使手臂肌肉收缩，肌肤表面会产生相应电子信号，感应器在感应到这一信号后，将其传递给机械手，最终完成肌电手的抓取任务，可以通过实时监测，可以为后续调整提供更多数据支持，其外观造型不仅更加灵活，重量也与人手相当。由此可见，通过3D打印技术制造的上体假肢，不仅能够满足佩戴者的个性化需求，造价成本也较低。
（五）下体假肢
对于3D技术下肢假肢制造而言，佩戴者不仅能够自主选择喜欢的外壳款式，重量也更轻便，也更为耐用。另外，相较于传统假肢定制周期较长，3D打印下肢假肢，不仅能够实现在短时间内交付产品，也经过了产品长期耐久性、负载持久等测试，佩戴时间也可以超过三年。随着加之外形的多种多样，不仅能够体现假肢外壳的创新性和个性化，也能给佩戴者带来更多自信。
结束语：
如今，随着世界范围内残疾人的生活水平不断提升，对假肢和矫形器的需求量越来越大，对其要求也越来越高，在一定程度上推动了假肢矫形产业的升级与发展。目前，3D打印技术的发展逐步成熟，涉及的领域也愈发广泛，通过与互联网+的融合，对假肢矫形领域的发展也起到了尤为关键的推动作用，应放眼未来，牢牢把握住3D打印这一新兴技术，使其能够为更多残疾人士谋福利。
参考文献
[1] 王延庆，沈竞兴，吴海全.3D打印材料应用和研究现状[J].航空材料学报，2016，36（4）：89-98.
[2] 姜涛，程筱胜，崔海华，戴宁.3D打印相关技术的发展现状[J].机床与液压，2018，46（03）：154-160+146.
[3] 张学军，唐思熠，肇恒跃，等.特约3D打印技术研究现状和关键技术[J].材料工程，2016，44（2）：122-128.
[4] 刘泉，刘荣，徐亚茹. 基于PBL学习模式的3D打印技术打造智能义肢课程[C]// 2016年第十五届全国机械设计教学研讨会论文集. 2016.
[5] 何雪锋，熊爱兵. 3D打印技术在整形外科的研究及应用进展[J]. 中国组织工程研究，021（3）：P.428-432.
[6] 李巍. 3D打印技术在骨科临床教学中的应用初探[J]. 求知导刊，000（019）：44-44.