3D打印計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小夾板外骨骼系統(tǒng)的研究.pdf

1、背景:
　　3D打印(Three Dimensional Printing，3DP)技術(shù)，也稱三維打印技術(shù)，增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing，AM)是它的另一種特殊的稱呼，它是快速成形技術(shù)其中(Rapid Prototyping，RP)的一種。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(American Societyfor Testing Materials，ASTM)將它定義為是“使用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的，一種與傳統(tǒng)

2、材料去除加工方法相反的工藝，且完全基于三維數(shù)字模型”。因?yàn)榕c當(dāng)前計(jì)算機(jī)建模領(lǐng)域“3D”設(shè)計(jì)的概念非常契合，人們又將該項(xiàng)技術(shù)通俗地稱之為“3D打印”技術(shù)，二者均表示同一概念。
　　2010年，奧巴馬就任美國總統(tǒng)的第二年，敦促國會立法通過了《制造業(yè)再生法案》，以刺激美國制造業(yè)的創(chuàng)新與增長，誘導(dǎo)制造業(yè)重新向美國回流，解決2008年金融危機(jī)以來，人口失業(yè)率的增加與出口的疲弱。當(dāng)時受全球金融危機(jī)影響，美國制造業(yè)在國內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross D

3、omestic Product，GDP)的比重僅為12％，但卻占美國對外出口總量的50％上。兩年后，“重振美國制造業(yè)計(jì)劃”由奧巴馬又一次提出，設(shè)立了一個名稱為“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”(The National Network for ManufacturingInnovation，NNMI)的項(xiàng)目。該網(wǎng)絡(luò)由15所區(qū)域性制造業(yè)創(chuàng)新研究機(jī)構(gòu)組成，旨在通過“政府-企業(yè)-大學(xué)”合作方式，加強(qiáng)制造業(yè)創(chuàng)新與美國制造業(yè)全球競爭力，其中3D打印列為優(yōu)先資

4、助范疇。此舉與1993年克林頓政府的“信息高速公路計(jì)劃”由異曲同工之妙，后者使美國在今日互聯(lián)網(wǎng)信息科技領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。通過一系列的措施，美國經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁復(fù)蘇，2014年第三季度GDP增幅高達(dá)5.0％，徹底走出了2008年以來的經(jīng)濟(jì)危機(jī)。如今，美國的“制造業(yè)回歸戰(zhàn)略”對我國勞動力密集型產(chǎn)業(yè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，這也變相倒逼我國制造業(yè)向知識密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，醫(yī)用3D打印領(lǐng)域就是中美兩國爭奪的一技術(shù)“戰(zhàn)略要地”。因此，對該領(lǐng)域的研究有重要戰(zhàn)略意義，刻不容緩。

5、
　　從全球范圍來看，該項(xiàng)技術(shù)萌芽于20世紀(jì)80年代末，但真正進(jìn)入快速發(fā)展階段確是在2010年左右，中國從上世紀(jì)90年代就引入該項(xiàng)技術(shù)，在該技術(shù)的研究并不落后。2012年，亦被稱為“3D打印元年”，是3D打印市場從萌芽期進(jìn)入成長期的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。美國Stratasys與以色列Objet兩大公司宣布在3D打印業(yè)務(wù)方面進(jìn)行合并，其作為當(dāng)年的一個重大事件，載入史冊。兩個公司聯(lián)姻后，達(dá)到了30億美元的市場價值，上百萬件產(chǎn)品在當(dāng)年打印了出來，一共

6、發(fā)展了15萬個會員，美國的3D打印領(lǐng)域達(dá)到初步產(chǎn)業(yè)化。2012年4月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志發(fā)表專題文章，指出了當(dāng)今全世界范圍內(nèi)，制造業(yè)領(lǐng)域正在爆發(fā)“第三次工業(yè)革命”。這是一場互聯(lián)網(wǎng)、新材料、新能源相結(jié)合的新興的工業(yè)革命，“數(shù)字化制造”是它的靈魂，全球技術(shù)要素與市場要素配置方式都發(fā)生了顛覆。
　　以“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志”的3D打印技術(shù)，被認(rèn)為是新一輪產(chǎn)業(yè)大變革的關(guān)鍵“催化劑”，全世界的工商業(yè)界都十分看好這個領(lǐng)域。作為具有前沿性

7、、先導(dǎo)性的新興技術(shù)，3D打印技術(shù)正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革。“靈活制造”和“原材料的極大節(jié)約”是3D打印技術(shù)掀起地另一場革命。種類繁多、批量小、高價原材料、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制造是其卓越的優(yōu)勢。所以，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療有巨大的空間。4D打印技術(shù)于2013年2月，由青年科學(xué)家Skylar Tibbits在美國麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)公布，這是一種將想要的性狀編程直

8、接通過打印輸入材料當(dāng)中，不需要借助其他復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，打印出物體會“自動”地出現(xiàn)。此消息引起了整個3D打印界的高度關(guān)注，與之相關(guān)概念的高科技公司的股票也出現(xiàn)大幅上漲。
　　外骨骼(exoskeleton)是一個生物學(xué)的專業(yè)詞匯，指的是為甲殼類或昆蟲類生物提供堅(jiān)硬的外部結(jié)構(gòu)，用以保護(hù)和支持生物體的類似人類骨骼的結(jié)構(gòu)。2000年，美國軍方研究機(jī)構(gòu)，制定了一項(xiàng)令人耳目一新的“增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼研究項(xiàng)目”(Exoskeletons fo

9、r Human Performance Augmentation，EHPA)。其中的研究包含外骨骼機(jī)器人裝置(Exoskeleton Robotic Device)，這是一種將人工智能與機(jī)械動力裝置結(jié)合為一體的機(jī)器人系統(tǒng)。從此，外骨骼裝置的研究與開發(fā)，逐漸在全球范圍開始被越來越多的關(guān)注。由于外骨骼系統(tǒng)可用于提供保護(hù)身體、支撐患肢等功能，還能在醫(yī)師的控制下輔助患者完成一定的肢體功能鍛煉和其他任務(wù)，因此，在肢體功能障礙患者的輔助功能鍛煉過程

10、中的醫(yī)療應(yīng)用逐漸增多。此外，外骨骼機(jī)器人裝置在軍事上，單兵作戰(zhàn)裝備領(lǐng)域的研發(fā)，也獲得廣泛應(yīng)用，值得醫(yī)學(xué)科研人員的借鑒與思考。
　　中醫(yī)正骨小夾板外固定是具有中國特色的骨折治療方法，它從“動靜結(jié)合”、“筋骨并重”的觀點(diǎn)出發(fā)，巧妙運(yùn)用了夾板彈性-壓墊加壓的生物力學(xué)。如此，取得了骨折的愈合與功能的恢復(fù)同步的良好療效，并且把骨折復(fù)位、固定、功能鍛煉完美地統(tǒng)一在一起。但由于傳統(tǒng)的夾板制作規(guī)范不統(tǒng)一、選材局限（柳木、杉樹皮等）、外觀粗糙原始、

11、不夠綠色環(huán)保、制造均為手工操作、內(nèi)敷藥物刺激皮膚等，均給該項(xiàng)技術(shù)的學(xué)習(xí)與應(yīng)用推廣造成困難。目前，人們對樹木的砍伐日益嚴(yán)重，有“地球綠肺”之稱的森林面積大幅減少，空氣質(zhì)量惡化，從保護(hù)森林，保護(hù)大自然母親的角度出發(fā)，也有必要尋找開發(fā)有機(jī)、可回收再循環(huán)使用的新型替代材料。
　　如果將中醫(yī)正骨小夾板外固定，運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)字化虛擬建模，并對小夾板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外觀形態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)、在虛擬應(yīng)力下進(jìn)行材料的計(jì)算機(jī)有限元分析(Finite E

12、lement Analysis，F(xiàn)EA)、生物力學(xué)測試;將小夾板外固定的各種參數(shù)量化，對操作部位、操作步驟，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、定量分析，最終用3D打印的方式制做出來。這樣數(shù)字化的3D打印小夾板就非常容易進(jìn)行學(xué)習(xí)與推廣應(yīng)用，其治療療效與其他療法之間的差異就能得到正確的評價，治療效果就更加能夠被業(yè)界認(rèn)可。夾板的數(shù)字化、量化研究還可以界定外固定治療時的各項(xiàng)生物力學(xué)與材料學(xué)參數(shù)，尋找到更好的新型替代材料（甚至添加藥物成分），讓外固定既能達(dá)到治療目

13、的，避免外固定不當(dāng)造成的損傷，提高外固定治療時的安全性，又為進(jìn)一步開發(fā)更先進(jìn)的4D打印智能外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)積累實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
　　本項(xiàng)課題采用計(jì)算機(jī)虛擬建模、有限元分析和生物力學(xué)研究方法，擬對Colles骨折實(shí)施手法復(fù)位后兩夾超腕固定小夾板的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測量并定量分析，將傳統(tǒng)的中醫(yī)正骨小夾板技術(shù)進(jìn)行數(shù)字化建模與客觀量化，同時探索新型3D打印小夾板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)、材料選擇等優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立3D打印小夾板外骨骼從軟件到硬件的完整系統(tǒng)，

14、為3D打印技術(shù)在醫(yī)用外固定器械產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用做出努力。
　　目的:
　　1.對30例Colles骨折患者的患肢，同一操作者實(shí)施手法復(fù)位后四塊夾板超腕固定的傳統(tǒng)杉樹皮小夾板進(jìn)行的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量并對與之相關(guān)的患者相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
　　2.對45例Colles骨折患者的患肢，不同操作者實(shí)施手法復(fù)位后四塊夾板超腕固定的傳統(tǒng)杉樹皮小夾板進(jìn)行的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測量并對與之相關(guān)的患者相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
　　3.根據(jù)C

15、T掃描獲得的影像資料，運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維建模軟件Solidworks2012建立常規(guī)虛擬數(shù)字化小夾板模型，并運(yùn)用Ansys9.0軟件進(jìn)行有限元分析，并對數(shù)字化小夾板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外觀形態(tài)進(jìn)行外骨骼優(yōu)化。
　　4.選擇尼龍玻璃纖維、光敏樹脂材料應(yīng)用3D打印機(jī)打印制造數(shù)字化小夾板并進(jìn)行比較。
　　5.根據(jù)小夾板的生物力學(xué)測定參數(shù)，運(yùn)用Solidworks軟件計(jì)算機(jī)建模方法對數(shù)字化3DP小夾板對骨折部位的生物力學(xué)狀況做有限元分析，了解新

16、型小夾板外固定對骨折治療的機(jī)制。
　　方法:
　　1、同一名醫(yī)師在傳統(tǒng)小夾板固定時，各項(xiàng)測量的參數(shù)與影響因素的研究。運(yùn)用游標(biāo)卡尺、直尺測量、皮尺等工具，分別測量30例colles骨折患者的患腕周徑，應(yīng)用Tekscan多通道單點(diǎn)測力采集系統(tǒng)的薄膜壓力傳感器，測量傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠(yuǎn)端壓墊下壓力（簡稱:背側(cè)壓力）、傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓墊下壓力（簡稱:掌側(cè)壓力），并對30例患者的采集的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采集并分析影響小夾板操作的因

17、素，包括:性別、年齡、體重指數(shù)、健腕周徑、患腕周徑、受傷時間等。
　　2、不同操作者傳統(tǒng)小夾板固定的在體力學(xué)測量、各項(xiàng)參數(shù)和操作特征與影響因素的研究。運(yùn)用游標(biāo)卡尺、直尺測量、皮尺，分別測量45例colles骨折患者的患肢腕部周徑，應(yīng)用Tekscan多通道單點(diǎn)測力采集系統(tǒng)的薄膜壓力傳感器，測量傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠(yuǎn)端壓墊下壓力（簡稱:背側(cè)壓力）、傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓墊下壓力（簡稱:掌側(cè)壓力），并對45例患者的采集的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采

18、集并分析可能影響小夾板操作的因素，包括:患者的性別、身體高度、年齡、體重、體重指數(shù)(BMI)、健腕周徑、患腕周徑、受傷時間、患腕腫脹程度。
　　3、患肢前臂三維數(shù)字化與實(shí)體模型的重建:前臂三維數(shù)字化模型的重建:選取1例左側(cè)健康男性的前臂，年齡30歲，簽署知情同意書后進(jìn)行電子計(jì)算機(jī)斷層攝影(Computed Tomography，CT)掃描。使用Philips Brillance16排螺旋CT掃描機(jī)，于平臥位，令其左臂上舉，實(shí)行患手

19、至上臂中段連續(xù)薄層掃描，層厚0.625mm，共1174層。醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM）格式作為可讀寫光盤或移動硬盤的存儲文件，然后再導(dǎo)入醫(yī)學(xué)三維圖像建模軟件Mimics10.01，通過Region Growing選擇左前臂與手部區(qū)域，提取左側(cè)前臂與手部，以初始化圖形交換規(guī)范(Initial Graphics Exchange Specifi

20、cation，IGES)格式導(dǎo)出。再將之導(dǎo)入Geomagic Studio2012軟件，進(jìn)行去噪、光滑、封裝，建立前臂三維數(shù)字化幾何模型。應(yīng)用激光燒結(jié)快速成形制作患肢前臂的模型。運(yùn)用硅膠模具制作手板，然后再用硅膠制作出骨折手臂實(shí)體的真實(shí)模型，可以把3D打印小夾板實(shí)際運(yùn)用在其上，以便觀察效果。
　　4、新型3D打印小夾板的計(jì)算機(jī)建模:建模對象為1名青年男性志愿者，經(jīng)過X線檢查，確定為colles骨折，使用螺旋CT，以1mm的間隔，沿

21、軸向進(jìn)行斷層掃描、保存，導(dǎo)入三維重建軟件Mimics，進(jìn)行組織切割，獲取骨、皮膚、肌肉三維模型、保存，導(dǎo)入Solidworks2012軟件中建立骨折三維模型，并虛擬切割出手法復(fù)位成功后骨折線處的“骨折部三維模型”。據(jù)此，建模新型3DP骨折小夾板外骨骼數(shù)字模型。根據(jù)30例患者的臨床資料分析結(jié)果，在Solidworks軟件中建立傳統(tǒng)小夾板三維數(shù)字模型。
　　5、運(yùn)用3D打印機(jī)打印優(yōu)化后的3DP小夾板外骨骼。
　　6、計(jì)算機(jī)有限元

22、分析:（將Mimics10.01下建模的骨骼三維數(shù)字模型導(dǎo)入Ansys14.0軟件，對骨骼三維數(shù)字模型行虛擬條件下的網(wǎng)格劃分。將劃分后的虛擬的骨骼三維實(shí)體網(wǎng)格導(dǎo)入Mimics10.01，根據(jù)人體骨骼的CT值與楊氏模量相關(guān)關(guān)系，（求解與計(jì)算:在Ansys14.0軟件中，運(yùn)用有限元求解器獲得在加載條件下“骨折部”節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力均值，理解小夾板的治療機(jī)理，并對3DP小夾板外骨骼進(jìn)行逆向優(yōu)化。）導(dǎo)回Ansys14.0軟件，對骨骼賦予材料學(xué)屬性。將在

23、Solidworks2012軟件中建立傳統(tǒng)小夾板的三維數(shù)字模型，以及優(yōu)化后的3DP小夾板外骨骼三維數(shù)字模型導(dǎo)入Ansys9.0軟件，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。經(jīng)過以上步驟，分別建立1個傳統(tǒng)小夾板外固定Colles骨折的三維有限元模型，以及1個3D打印小夾板外骨骼固定Colles骨折的三維有限元模型。本項(xiàng)研究暫不考慮載荷下骨折斷端的接觸情況，因此加載方式的載荷大小以加入夾板模型連接骨折兩斷端成一整體（相對不發(fā)生位移）、而未加入“骨折部三維模型”

24、兩骨折端有間隙時，使骨折兩斷端不產(chǎn)生接觸、不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)移位或不使夾板斷裂的壓力載荷、扭轉(zhuǎn)載荷及三點(diǎn)彎曲載荷大小為參照。所有計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算暫未考慮動態(tài)影響，扭轉(zhuǎn)暫不考慮角速度，為靜態(tài)加載試驗(yàn)。
　　結(jié)果:
　　所有患者骨折均得到傳統(tǒng)小夾板外固定治療，無負(fù)損傷的發(fā)生。
　　1、操作時，橈骨遠(yuǎn)端骨折塊骨折遠(yuǎn)端背側(cè)所受力，為傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力（簡稱:背側(cè)壓力），橈骨遠(yuǎn)端骨折塊骨折線近端掌側(cè)所受力為傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓力（

25、簡稱:掌側(cè)壓力）。傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力均值為:76.09±21.11N，最大值為:106.76N，最小值為:37.65N;掌側(cè)板遠(yuǎn)端最小值壓力為127.59N，其壓力均值226.10±64.10N，最大壓力值372.39N，。
　　2、Pearson相關(guān)性分析:傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓力峰值與均值的R=0.862，P=0.000、傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力峰值峰值與均值的R=0.968，P=0.000表明兩組參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)

26、性;小夾板掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓力峰值與小夾板背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力峰值的R=0.510 P=0.052，有一定的相關(guān)性;小夾板掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓力均值與小夾板背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力均值的P=0.096，無顯著相關(guān)性;
　　3、多元線性回歸分析顯示認(rèn)為:體重指數(shù)與小夾板背側(cè)壓力峰值正相關(guān)，年齡與小夾板背側(cè)壓力峰值呈負(fù)相關(guān)，年齡和體重指數(shù)均和小夾板背側(cè)壓力峰值有顯著的相關(guān)性。小夾板掌側(cè)壓力峰值與年齡有顯著相關(guān)性，與年齡呈負(fù)相關(guān)。
　　經(jīng)秩和檢驗(yàn)，男、女性別組

27、間的固定操作時間、小夾板掌側(cè)壓力峰值、背側(cè)峰值均無顯著性差異。
　　4、建立了骨折小夾板的新型三維虛擬數(shù)字模型，并進(jìn)行有限元分析。
　　5、建立了硅膠實(shí)體的患肢前臂模型，可以對小夾板外骨骼的固定，重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　結(jié)論:
　　1、操作者進(jìn)行傳統(tǒng)小夾板操作時，背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力峰值越大時，掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓力峰值也越大;
　　2、患者的年齡背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力、掌側(cè)板遠(yuǎn)端壓力大小的影響表現(xiàn)為:年齡越大，背側(cè)板遠(yuǎn)端壓力和掌側(cè)