基于3D打印技術(shù)的康復(fù)支具設(shè)計(jì)與應(yīng)力應(yīng)變分析

李素麗　馬愷悅　石洪寶

摘 要：為探究3D打印技術(shù)在個(gè)性化康復(fù)支具創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用方法，采用人體建模軟件，通過(guò)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(duì)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(shí)體式、矩形式、鏤空式3種康復(fù)固定支具模型，并對(duì)其進(jìn)行劃分網(wǎng)格，分別賦予材料（ABS材料）后在有限元軟件中進(jìn)行了靜力學(xué)分析。通過(guò)對(duì)3種康復(fù)固定支具模型的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)實(shí)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(mǎn)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(guān)、輕便等優(yōu)勢(shì)，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(chǎng);應(yīng)力分析;應(yīng)變分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 44

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chēng)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(mǎn)足患者更多的要求，能夠?yàn)榛颊咛峁┮粋€(gè)穩(wěn)固、輕便的個(gè)性化康復(fù)支具。在完全了解患者機(jī)體功能的情況下，特別是關(guān)節(jié)活動(dòng)度以及其肌力的測(cè)定結(jié)果，康復(fù)支具可以做較為準(zhǔn)確的使用效果評(píng)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(jì)。例如，吳帆等（2015）采用3D打印技術(shù)，打印出了一種個(gè)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(guān)等優(yōu)勢(shì)，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(gè)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(guān)等優(yōu)勢(shì)[4]。XU等（2017）認(rèn)為新型3D打印的假肢比傳統(tǒng)定制的假肢對(duì)于那些有創(chuàng)傷性截肢兒童的貧窮家庭來(lái)說(shuō)更好，是一種發(fā)展中國(guó)家或缺乏保健機(jī)構(gòu)地區(qū)家庭實(shí)用且能負(fù)擔(dān)得起的替代辦法[5]。CHEN等（2017）開(kāi)發(fā)了一種患者專(zhuān)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(jì)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(xì)胞的半月板再生提供模板和結(jié)構(gòu)支持[7]。ZAID等（2017）認(rèn)為3D打印和3D掃描可以用來(lái)進(jìn)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(kāi)展了個(gè)性化康復(fù)矯正器的數(shù)字化設(shè)計(jì)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(jìn)了精確醫(yī)療的實(shí)現(xiàn)[10]。MOHAM MA等（2018）設(shè)計(jì)了一種緊湊和精簡(jiǎn)的軟外骨骼手套，能夠幫助手功能障礙患者進(jìn)行正常的生活活動(dòng)，并且?guī)椭颊呤植抗δ艿目祻?fù)[11]。KEUN HL等（2019）設(shè)計(jì)和制造了一個(gè)病人特定的輔助優(yōu)化設(shè)備后，通過(guò)3D打印技術(shù)估計(jì)了患者殘疾狀態(tài)與腦損傷并通過(guò)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(zhuān)家學(xué)者們已經(jīng)從醫(yī)學(xué)角度進(jìn)行了不同部位康復(fù)支具的設(shè)計(jì)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(duì)腰胸康復(fù)支具進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并對(duì)3種不同的支具模型進(jìn)行對(duì)比分析，且總結(jié)出了3D打印技術(shù)在個(gè)性化康復(fù)支具創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，為醫(yī)生進(jìn)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(shí)時(shí)身體數(shù)據(jù)進(jìn)行建模。

通過(guò)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(jìn)行標(biāo)注，對(duì)CT圖像進(jìn)行蒙版分割，如圖1所示。其中藍(lán)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(lán)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(xì)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(gè)面且厚度較薄，需要進(jìn)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(jì)上共使用了3種方案。

1.2.1 實(shí)體式康復(fù)固定支具

圖5為實(shí)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(gè)外部包裹支具，厚度為5 mm。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上沒(méi)有做過(guò)多的更改，且其質(zhì)量是3種方案中最大的，同時(shí)強(qiáng)度也最高，此處主要作為其他2種方案的比對(duì)對(duì)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(gè)在原有固定支具初始模型上，設(shè)計(jì)了多條長(zhǎng)方形孔，以及在側(cè)面開(kāi)出4個(gè)矩形小孔的模型，和初始固定支具相比，其透氣性會(huì)更好并且質(zhì)量也會(huì)更小，但這個(gè)康復(fù)固定支具模型的強(qiáng)度，以及應(yīng)力應(yīng)變都要通過(guò)分析來(lái)對(duì)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(jì)了大小不同的圓孔，使其形狀類(lèi)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(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，表1為一個(gè)成年男性在不同姿勢(shì)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(shì)下載荷差距很大，載荷最低的正坐放松姿勢(shì)只有380 N，而站立以最大努力將軀干后彎姿勢(shì)載荷則可以達(dá)到5 050 N。其他姿勢(shì)所產(chǎn)生對(duì)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(yùn)動(dòng)，選用一個(gè)成年男性腰部載荷的中值，即選用2 350 N的力來(lái)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(shí)，其使用壽命為1 000 h，限定在3.8 MPa時(shí)，其使用壽命為5 000 h，而將其許用應(yīng)力限定在3.78 MPa時(shí)，其許用應(yīng)力不再對(duì)其壽命進(jìn)行影響，所以對(duì)康復(fù)固定支具進(jìn)行分析時(shí)對(duì)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(shí)間為0 s、0.5 s、1 s的整體圖進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

2.1.1 實(shí)體式康復(fù)固定支具應(yīng)力分析

圖8為實(shí)體式康復(fù)固定支具加載2 350 N時(shí)的應(yīng)力云，從其應(yīng)力云圖可以看出當(dāng)時(shí)間為0.5 s時(shí)，實(shí)體式康復(fù)固定支具的應(yīng)力云圖主要呈藍(lán)色到綠色，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小為0～3 355.2 Pa。圖8（b）為1 s時(shí)其應(yīng)力云圖，紅色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力最大區(qū)域其應(yīng)力達(dá)到10 066 Pa。

可見(jiàn)支具模型中分布最多的區(qū)域?yàn)?/p>

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(shí)體式康復(fù)固定支具的應(yīng)力遠(yuǎn)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(shí)的應(yīng)力云圖，圖9（a）為當(dāng)時(shí)間為0.5 s時(shí)，矩形孔式康復(fù)固定支具的應(yīng)力云圖，可以看出這個(gè)時(shí)刻其應(yīng)力云圖主要呈藍(lán)色到綠色，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小為1 242.6～6 736.4 Pa。圖9（b）為1 s時(shí)其應(yīng)力云圖，紅色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力最大區(qū)域，應(yīng)力達(dá)到11 132 Pa，應(yīng)力最小區(qū)域?yàn)? 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?yàn)辄S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(yuǎn)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(shí)間為0.5 s時(shí)矩形孔式康復(fù)固定支具的應(yīng)力云圖，可以看出這個(gè)時(shí)刻其應(yīng)力云圖主要呈藍(lán)色到綠色其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小為0～5 984 Pa。圖10（b）為1 s時(shí)其應(yīng)力云圖，紅色區(qū)域?yàn)閼?yīng)力最大區(qū)域，其應(yīng)力達(dá)到13 464 Pa，應(yīng)力最小區(qū)域?yàn)?，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?yàn)辄S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(yuǎn)小于其許用應(yīng)力。

2.2 應(yīng)變分析

2.2.1 實(shí)體式康復(fù)固定支具應(yīng)變分析

圖11實(shí)體式康復(fù)固定支具應(yīng)變?cè)?，圖11（a）為0.5 s時(shí)實(shí)體式康復(fù)固定支具的應(yīng)變?cè)茍D，可看出這個(gè)時(shí)刻其應(yīng)力云圖主要呈藍(lán)色到綠色其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變大小為0～

2.239。圖11（b）為1 s時(shí)其應(yīng)變?cè)茍D，紅色區(qū)域?yàn)閼?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?yàn)樯钏{(lán)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?cè)茍D，圖12（a）為0.5 s時(shí)，實(shí)體式康復(fù)固定支具的應(yīng)變?cè)茍D，這個(gè)時(shí)刻其應(yīng)力云圖主要呈藍(lán)色到綠色，其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變大小為0～2.846。圖12（b）為1 s時(shí)其應(yīng)變?cè)茍D，紅色區(qū)域?yàn)閼?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?yàn)樯钏{(lán)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?cè)茍D，圖13（a）為時(shí)間為0.5 s時(shí)，鏤空孔式康復(fù)固定支具的應(yīng)變?cè)茍D，從其可以看出這個(gè)時(shí)刻主要呈藍(lán)色到綠色的變化，對(duì)應(yīng)的應(yīng)力大小為0～2.992。圖13（b）為1 s時(shí)其應(yīng)變?cè)茍D，紅色區(qū)域?yàn)閼?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?yàn)樯钏{(lán)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(duì)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(shí)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(duì)于其他2種支具略微高出一些，但其應(yīng)力為

13 464 Pa，遠(yuǎn)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(guò)分析不同康復(fù)固定支具的應(yīng)變?cè)茍D（圖15），鏤空式康復(fù)固定支具的應(yīng)變最大為6.73，實(shí)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(gè)康復(fù)固定支具都為0，實(shí)體的康復(fù)固定支具的主要應(yīng)變最小，鏤空式最大達(dá)到了3.7，但在合格范圍之內(nèi)。

3 結(jié)論

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

2）力學(xué)分析表明，實(shí)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(shí)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(jì)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(duì)患者的受傷部位不能起到很好的保護(hù)作用。

4）鏤空式康復(fù)固定支具在3個(gè)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(mǎn)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(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題研究基金項(xiàng)目（SKLMS2021016）

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