李素麗　馬愷悅　石洪寶

摘 要：為探究3D打印技術(shù)在個性化康復(fù)支具創(chuàng)新設(shè)計中的具體應(yīng)用方法，采用人體建模軟件，通過掃描患者CT數(shù)據(jù)，建立了三維數(shù)字化人體模型。以成年男子的腰腹康復(fù)支具為研究對象，根據(jù)人體軀干數(shù)據(jù)，采用人體建模軟件分別建立了實體式、矩形式、鏤空式3種康復(fù)固定支具模型，并對其進行劃分網(wǎng)格，分別賦予材料（ABS材料）后在有限元軟件中進行了靜力學(xué)分析。通過對3種康復(fù)固定支具模型的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)實體式康復(fù)固定支具應(yīng)力應(yīng)變最小;矩形孔式康復(fù)固定支具應(yīng)力應(yīng)變次之;鏤空式康復(fù)固定支具應(yīng)力應(yīng)變最大，但都滿足要求，但鏤空式康復(fù)固定支具具有透氣性好、貼合性好、美觀、輕便等優(yōu)勢，此研究結(jié)果可為醫(yī)生的選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：3D打印;康復(fù)固定支具;靜力場;應(yīng)力分析;應(yīng)變分析

中圖分類號：TG 44

文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7312（2022）03-0291-07

Design and Stress-Strain Analysis of Rehabilitation Brace

Based on 3D Printing Technology

LI Suli，MA Kaiyue，SHI Hongbao

（College of Mechanical Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to explore the specific application method of 3D printing technology in the

innovative design of personalized rehabilitation braces，a three-dimensional digital human body

model was established by scanning CT data of patients and using modeling software.Taking adult

men’s waist and abdomen rehabilitation brace as the research object，according to the data of

human torso，three kinds of rehabilitation fixed brace models of solid type，rectangular type and

hollow type were established respectively by using human body modeling software，and they were

divided into grids.After assigning the material（ABS material）separately，the static analysis

was carried out in the finite element software.By comparing the stress-strain data of the three

rehabilitation fixation brace models，the results show that the stress and strain of the solid

rehabilitation immobilization brace is the smallest;the stress and strain of the rectangular

hole rehabilitation immobilization brace is the second;the hollow-out rehabilitation fixation

brace has the largest stress and strain，but all meet the requirements.However，the hollow-out

rehabilitation fixation brace has the advantages of good ventilation，good fit，beauty，and

lightness. The research results will provide a reference for doctors to choose.

Key words：3D printing;rehabilitation fixation brace;static field;stress analysis;strain

analysis

0 引言

康復(fù)固定支具目的是給傷殘人士提供幫助而出現(xiàn)的一種輔助道具，又被稱為矯正器，也是一種可以減輕身體功能障礙的體外裝置，它使骨頭以及關(guān)節(jié)損傷后的功能恢復(fù)成為可能。3D打印可以滿足患者更多的要求，能夠為患者提供一個穩(wěn)固、輕便的個性化康復(fù)支具。在完全了解患者機體功能的情況下，特別是關(guān)節(jié)活動度以及其肌力的測定結(jié)果，康復(fù)支具可以做較為準(zhǔn)確的使用效果評定[1-2]。

已有學(xué)者將3D打印應(yīng)用于康復(fù)固定支具的設(shè)計。例如，吳帆等（2015）采用3D打印技術(shù)，打印出了一種個性化矯形康復(fù)支具，該支具不但具有確切的生物力學(xué)性能指標(biāo)，還具有透氣、穿戴舒適、美觀等優(yōu)勢，解決了石膏固定透氣性差、高分子繃帶固定不牢靠、夾板固定壓迫邊緣皮膚的缺陷[3]。陸亮亮等（2017）研究一種符合人體手部生物力學(xué)的個性化、不等剛度的彈性支具，該支具不但具有確切的生物力學(xué)性能指標(biāo)，還具有透氣、穿戴舒適、美觀等優(yōu)勢[4]。XU等（2017）認為新型3D打印的假肢比傳統(tǒng)定制的假肢對于那些有創(chuàng)傷性截肢兒童的貧窮家庭來說更好，是一種發(fā)展中國家或缺乏保健機構(gòu)地區(qū)家庭實用且能負擔(dān)得起的替代辦法[5]。CHEN等（2017）開發(fā)了一種患者專用的3D打印鑄造技術(shù)，研究了3D打印矯形鑄造在骨折治療中的應(yīng)用[6]。SZOJKA等（2017）設(shè)計了3D打印多卡丙酮支架，用以重塑半月板外基質(zhì)的形狀和結(jié)構(gòu)成份，為完整的基于細胞的半月板再生提供模板和結(jié)構(gòu)支持[7]。ZAID等（2017）認為3D打印和3D掃描可以用來進行患者特定的3D掃描和3D打印抗菌多丙酮傷口敷料[8]。廖政文等（2018）基于3D打印技術(shù)開展了個性化康復(fù)矯正器的數(shù)字化設(shè)計制作研究[9]。VAZ V等（2021）全面介紹了3D打印在心血管醫(yī)學(xué)中的技術(shù)和應(yīng)用，分析了該技術(shù)在提升心臟介入療效和安全性方面的效果，促進了精確醫(yī)療的實現(xiàn)[10]。MOHAM MA等（2018）設(shè)計了一種緊湊和精簡的軟外骨骼手套，能夠幫助手功能障礙患者進行正常的生活活動，并且?guī)椭颊呤植抗δ艿目祻?fù)[11]。KEUN HL等（2019）設(shè)計和制造了一個病人特定的輔助優(yōu)化設(shè)備后，通過3D打印技術(shù)估計了患者殘疾狀態(tài)與腦損傷并通過3D打印技術(shù)為殘疾患者提供低成本、定制化的輔助設(shè)備[12]。以上專家學(xué)者們已經(jīng)從醫(yī)學(xué)角度進行了不同部位康復(fù)支具的設(shè)計及分析，為本文奠定了一定的理論基礎(chǔ)。為此，主要從結(jié)構(gòu)入手，采用人體建模軟件，基于三維數(shù)字化人體模型及數(shù)據(jù)，主要針對腰胸康復(fù)支具進行創(chuàng)新設(shè)計，并對3種不同的支具模型進行對比分析，且總結(jié)出了3D打印技術(shù)在個性化康復(fù)支具創(chuàng)新設(shè)計中的應(yīng)用方法，為醫(yī)生進行手術(shù)提供參考。

1 康復(fù)固定支具模型的建立

1.1 患者身體模型的建立

相比較傳統(tǒng)的康復(fù)固定支具，3D打印康復(fù)固定支具可以更加貼合患者的受傷組織，原因在于3D打印康復(fù)支具能夠根據(jù)患者實時身體數(shù)據(jù)進行建模。

通過提取患者軀干CT-DICOM數(shù)據(jù)，調(diào)整閾值將需要提取的部分進行標(biāo)注，對CT圖像進行蒙版分割，如圖1所示。其中藍色部分為人體蒙版，紅色部分為需要分割掉的蒙版，選擇分割并刪除掉紅色部分保留藍色部分。

分割完蒙版后，選擇分離后的人體軀干蒙版，生成初步提取的人體軀干模型如圖2所示。此模型為后面的腰胸固定支具的建模提供了詳細的人體模型數(shù)據(jù)。

1.2 建立支具模型

人體模型包裹外殼（圖3）為一個面且厚度較薄，需要進行再加工，使其多余的或者損壞的邊得到修復(fù)最終得到圖4。本文在結(jié)構(gòu)的設(shè)計上共使用了3種方案。

1.2.1 實體式康復(fù)固定支具

圖5為實體式康復(fù)固定支具，根據(jù)人體軀干數(shù)據(jù)直接生成的一個外部包裹支具，厚度為5 mm。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上沒有做過多的更改，且其質(zhì)量是3種方案中最大的，同時強度也最高，此處主要作為其他2種方案的比對對象。

1.2.2 矩形孔式康復(fù)固定支具

如圖6為矩形孔式康復(fù)固定支具模型，這是一個在原有固定支具初始模型上，設(shè)計了多條長方形孔，以及在側(cè)面開出4個矩形小孔的模型，和初始固定支具相比，其透氣性會更好并且質(zhì)量也會更小，但這個康復(fù)固定支具模型的強度，以及應(yīng)力應(yīng)變都要通過分析來對比。

1.2.3 鏤空結(jié)構(gòu)康復(fù)固定支具

圖7為鏤空結(jié)構(gòu)康復(fù)固定支具模型，厚度為5 mm，在初始康復(fù)固定支具模型基礎(chǔ)上，設(shè)計了大小不同的圓孔，使其形狀類似蜂窩狀，是3種方案中質(zhì)量最輕的一款模型，并且透氣性最好。

人體腰部載荷是個相當(dāng)復(fù)雜的問題，表1為一個成年男性在不同姿勢及手持重物情況下的腰椎載荷。從表1可以看出，人體腰椎在不同姿勢下載荷差距很大，載荷最低的正坐放松姿勢只有380 N，而站立以最大努力將軀干后彎姿勢載荷則可以達到5 050 N。其他姿勢所產(chǎn)生對腰部的載荷最大為2 350 N?？紤]患者在受傷情況下不可能劇烈運動，選用一個成年男性腰部載荷的中值，即選用2 350 N的力來分析康復(fù)固定支具的應(yīng)力應(yīng)變及最大形變，為其他患者提供參考[13]。

2 康復(fù)固定支具的應(yīng)力應(yīng)變及變形分析

目前基于3D打印康復(fù)支具主要采用的材料為ABS[14]，表2可以看出在ABS材料的許用應(yīng)力限定在6.11 MPa時，其使用壽命為1 000 h，限定在3.8 MPa時，其使用壽命為5 000 h，而將其許用應(yīng)力限定在3.78 MPa時，其許用應(yīng)力不再對其壽命進行影響，所以對康復(fù)固定支具進行分析時對其許用應(yīng)力限定在3.78 MPa。

2.1 不同康復(fù)固定支具應(yīng)力應(yīng)變分析

選用2 350 N的均布載荷，分別選用時間為0 s、0.5 s、1 s的整體圖進行應(yīng)力應(yīng)變分析。

2.1.1 實體式康復(fù)固定支具應(yīng)力分析

圖8為實體式康復(fù)固定支具加載2 350 N時的應(yīng)力云，從其應(yīng)力云圖可以看出當(dāng)時間為0.5 s時，實體式康復(fù)固定支具的應(yīng)力云圖主要呈藍色到綠色，對應(yīng)的應(yīng)力大小為0～3 355.2 Pa。圖8（b）為1 s時其應(yīng)力云圖，紅色區(qū)域為應(yīng)力最大區(qū)域其應(yīng)力達到10 066 Pa。

可見支具模型中分布最多的區(qū)域為

黃色和淺綠色分別為6 710.4 Pa及5 592 Pa，

由表2可以得出ABS材料在不影響其壽命的情況下其許用應(yīng)力為3.78 MPa，實體式康復(fù)固定支具的應(yīng)力遠小于其許用應(yīng)力。

2.1.2 矩形孔式康復(fù)固定支具應(yīng)力分析

圖9為矩形孔式康復(fù)固定支具施加2 350 N時的應(yīng)力云圖，圖9（a）為當(dāng)時間為0.5 s時，矩形孔式康復(fù)固定支具的應(yīng)力云圖，可以看出這個時刻其應(yīng)力云圖主要呈藍色到綠色，對應(yīng)的應(yīng)力大小為1 242.6～6 736.4 Pa。圖9（b）為1 s時其應(yīng)力云圖，紅色區(qū)域為應(yīng)力最大區(qū)域，應(yīng)力達到11 132 Pa，應(yīng)力最小區(qū)域為1 242.6 Pa且位于矩形孔康復(fù)固定支具左側(cè)上方，支具模型中分布最多的區(qū)域為黃色和淺綠色分別為7 835.2 Pa及6 736.4 Pa，由表2可以看出，矩形孔式康復(fù)固定支具承受的應(yīng)力遠小于其許用應(yīng)力。

2.1.3 鏤空式康復(fù)固定支具應(yīng)力分析

圖10鏤空式康復(fù)固定支具應(yīng)力云，圖10（a）為時間為0.5 s時矩形孔式康復(fù)固定支具的應(yīng)力云圖，可以看出這個時刻其應(yīng)力云圖主要呈藍色到綠色其對應(yīng)的應(yīng)力大小為0～5 984 Pa。圖10（b）為1 s時其應(yīng)力云圖，紅色區(qū)域為應(yīng)力最大區(qū)域，其應(yīng)力達到13 464 Pa，應(yīng)力最小區(qū)域為0，位于矩形孔康復(fù)固定支具右后方，

支具模型中分布最多的區(qū)域為黃色和淺綠色分別為8 976 Pa及7 480 Pa

，由表2可以得出鏤空式康復(fù)固定支具的應(yīng)力遠小于其許用應(yīng)力。

2.2 應(yīng)變分析

2.2.1 實體式康復(fù)固定支具應(yīng)變分析

圖11實體式康復(fù)固定支具應(yīng)變云，圖11（a）為0.5 s時實體式康復(fù)固定支具的應(yīng)變云圖，可看出這個時刻其應(yīng)力云圖主要呈藍色到綠色其對應(yīng)的應(yīng)變大小為0～

2.239。圖11（b）為1 s時其應(yīng)變云圖，紅色區(qū)域為應(yīng)力最大區(qū)域其應(yīng)變?yōu)?.039，在模型上出現(xiàn)區(qū)域十分小，應(yīng)變最小區(qū)域為深藍色為0位于模型側(cè)方，模型分布最廣泛的為淺黃色和淺綠色，應(yīng)變?yōu)?.359和2.799，可以看出其應(yīng)變主要分布在2.9左右。

2.2.2 矩形孔式康復(fù)固定支具應(yīng)變分析

圖12矩形孔式康復(fù)固定支具應(yīng)變云圖，圖12（a）為0.5 s時，實體式康復(fù)固定支具的應(yīng)變云圖，這個時刻其應(yīng)力云圖主要呈藍色到綠色，其對應(yīng)的應(yīng)變大小為0～2.846。圖12（b）為1 s時其應(yīng)變云圖，紅色區(qū)域為應(yīng)力最大區(qū)域其應(yīng)變?yōu)?.566，在模型上出現(xiàn)區(qū)域十分小，應(yīng)變最小區(qū)域為深藍色為0.670，位于模型側(cè)后方，模型分布最廣泛的為淺黃色和淺綠色，應(yīng)變?yōu)?.934和2.846，可以看出其應(yīng)變主要分布在3.5左右。

2.2.3 鏤空式康復(fù)固定支具應(yīng)變分析

圖13鏤空式康復(fù)固定支具應(yīng)變云圖，圖13（a）為時間為0.5 s時，鏤空孔式康復(fù)固定支具的應(yīng)變云圖，從其可以看出這個時刻主要呈藍色到綠色的變化，對應(yīng)的應(yīng)力大小為0～2.992。圖13（b）為1 s時其應(yīng)變云圖，紅色區(qū)域為應(yīng)力最大區(qū)域其應(yīng)變?yōu)?.732，在模型上出現(xiàn)區(qū)域十分小，應(yīng)變最小區(qū)域為深藍色為0，位于模型正后方，模型分布最廣泛的為淺黃色和淺綠色，應(yīng)變?yōu)?.48和3.74，可以看出其應(yīng)變主要分布在3.7左右。

2.3 不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變對比分析

圖14不同康復(fù)固定支具應(yīng)力分析，總結(jié)了3種康復(fù)固定支具的應(yīng)力情況，其中應(yīng)力最小的為實體式康復(fù)固定支具，鏤空式康復(fù)固定支具最大應(yīng)力和主要應(yīng)力相對于其他2種支具略微高出一些，但其應(yīng)力為

13 464 Pa，遠小于ABS材料的許用應(yīng)力3.78 MPa，因此在應(yīng)力方面3種支具都是完全合格的。

通過分析不同康復(fù)固定支具的應(yīng)變云圖（圖15），鏤空式康復(fù)固定支具的應(yīng)變最大為6.73，實體式康復(fù)固定支具的應(yīng)變最小為5.04。最小應(yīng)變除了矩形孔外，其余2個康復(fù)固定支具都為0，實體的康復(fù)固定支具的主要應(yīng)變最小，鏤空式最大達到了3.7，但在合格范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

1）通過對人體軀干進行CT掃描并進行人體建模，對人體模型進行設(shè)計，設(shè)計出了3種不同結(jié)構(gòu)的康復(fù)固定支具，并進行網(wǎng)格劃分，賦予不同材料后，進行靜力結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。

2）力學(xué)分析表明，實體式康復(fù)固定支具的形變?yōu)?種支具中最小的，但其重量最大;與傳統(tǒng)的石膏相比，實體式康復(fù)固定支具，在包裹性和透氣性上與傳統(tǒng)石膏差異性不大。

3）矩形孔式康復(fù)固定支具設(shè)計不甚合理。在應(yīng)力應(yīng)變分析中，矩形孔式定支具右后方受力較為集中，并且在方孔附近型變嚴(yán)重，可能對患者的受傷部位不能起到很好的保護作用。

4）鏤空式康復(fù)固定支具在3個支具中的應(yīng)用效果最優(yōu)。在質(zhì)量上，鏤空式康復(fù)固定支具應(yīng)用了最少的材料，并且由于其表面布滿了大大小小的圓孔，因此具有良好的透氣性，而且應(yīng)力應(yīng)變方面也是合格的。

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（責(zé)任編輯：張 江）

收稿日期：2022-03-04

基金項目：國家重點實驗室開放課題研究基金項目（SKLMS2021016）

作者簡介：李素麗（1981—），女，山西陽泉人，博士，副教授，主要從事機械設(shè)計、增材制造方面的教學(xué)和研究工作。