基于3D打印最优解决方法的康复产品设计研究
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摘 要：科学技术的快速发展，使3D打印成为改变人们生产方式的关键技术之一，并在各个领域中得到了广泛的应用。在医学领域中，3D打印技术最重要的体现便在于康复产品设计，通过对康复产品的设计方案进行深入研究，以此探寻3D打印的最优解决方法，必将进一步推动我国医学领域的发展，从而使康复产品能够为人们的身体健康提供更加优质的服务。鉴于此，本文便以某康复矫形器的设计方案为例，对基于3D打印最优解决方法的康复产品设计进行深入的研究。
关键词：3D打印 最优解决方法 康复产品 产品设计
中图分类号：TP33 文獻标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0159-02
近年来，医疗领域的发展，使越来越多的患者体会到康复产品所带来的好处，这也使康复产品逐渐成为患者尽快恢复身体健康的必需品。与此同时，人们对康复产品的设计质量也越来越关注，康复产品不仅要具备能够帮助病人恢复健康的相关功能，其产品外观的美观性也非常重要。长期以来，由于康复产品在应用过程中无法适用于所有的患者，这也使患者对康复产品的需求量并不大，部分康复产品如果使用不得当，甚至还会给患者的身体造成一定的损害，这也使人们在对康复产品进行设计时，急需探寻最优的解决方法。3D打印技术的出现，为康复产品的个性化设计提供了可靠的技术保障，实现了对康复产品的最优化设计，有效解决了康复产品无法适用于所有患者的难题。鉴于此，以下便对基于3D打印最优解决方法的康复产品设计进行相应的研究。
1 基于3D打印最优解决方法的康复产品设计方案分析
1.1 仪器与软件
本文所设计的康复产品为上肢手腕部位的康复矫正器，该矫正器采用的仪器包括一台Windows 7系统的计算机，该计算机的处理器采用英特尔E5-2650v4，其内存为64G，处理器中的CPU主频采用2.20GHz。在该计算机中安装有容量为1TB的硬盘。在康复矫正器设计中，其模型构建主要是通过Mimics19.0三维建模软件与Geomagic Studio逆向工程建模软件来完成的，并利用CAD软件系列中的UG NX进行辅助设计，采用Abaqus软件进行有限元分析，模型导入与添加则利用MakerBot Desktop软件来完成。该康复矫正器利用3D打印机进行输出打印，其采用的打印材料为PLA热塑材料，该材料具有绿色无毒的应用优势，经该3D打印机进行打印输出，能够大幅提高康复矫正器的设计效率与生产精度。该康复矫正器的打印尺寸为30.5cm×30.5cm×45.7cm，该矫正器各个打印层之间的分辨率为100μm，打印喷嘴的直径为0.4mm。
1.2 数据采集方法
该康复矫正器是为一名女性患者量身定做的，在对这名女性患者进行康复产品定制设计时，其关键所在是对数据进行精确采集，在数据采集中主要是利用Philips-Medical-Systems-Ingenia3.0对患者的上肢手腕部位进行数据扫描，该名女性患者在数据扫描过程中保持仰卧体位，需要确保患者躯干的中轴线和扫描床的轴线相互平行，患者的上肢应保持伸直状态沿着头顶的方向向上举，手部的状态可看作其功能位，手腕部应保持25°～30°的伸直，其姆指和食指以对掌位的方式向外伸展，掌指与近指关节的屈曲角度为45°，掌指与远指关节的屈曲角度为10°～15°，各个手指关节有着较为相近的屈曲度数，并且各手指间应较为分开，将桡骨的中段当作数据扫描的中心，对患者的双上肢进行扫描，数据扫描模式采用T1-mDIXON-W，其层厚与层距分别是0.2cm与0.1cm，对矩阵进行512重建，设置曝光间隔为1.5s，以此输出MRI图像。
1.3 康复产品模型的构建与设计
对康复矫正器的设计主要是采用CAD软件来实现的，通过CAD软件来进行数字化设计，并通过3D建模软件进行产品建模，然后运用有限元分析软件进行产品分析。在对康复矫正器的模型进行构建时，需要将扫描到的MRI图像数据导入到Mimics软件中，应用Thresholding模块来分割前臂与手臂阈值，对其分割的灰度值范围确定为34～195，然后将分割好的手掌与前臂进行初始蒙版储存，并根据该蒙板，运用Multiple Slice Edit与Masks这两个模块来修补破损与粗糙的位置，然后通过Smooth mask模块来进行光顺处理，并通过Calculate 3D模块进行处理与计算，然后以STL格式进行存储。在对康复矫正器的产品模型进行表面处理时，需要将之前计算获得的手部与前臂STL格式的模型在Geomagic Studio软件中导入，然后利用多边型模块来平滑处理模块平面，使矫正器模型的厚度能够加厚至2mm，以此确保患者在佩戴该矫正器时不会紧紧的贴附在其皮肤上，这样在3D打印后可将衬垫添加至其中，便可减轻矫正器对患者桡骨部位进行摩擦与挤压时的痛感。利用软件中的精确曲面模块可对矫正器的轮廓线进行依次检测，并对其曲面片、格栅等进行构造，对曲面进行拟合操作，分析模型偏差，在利用精确曲面模块进行处理后，即可构建出该康复矫正器的NURBS曲面，通过对该曲面进行最终拟合，以此实现对康复矫正器的实体建模。在矫正器模型构建后，将其在Abaqus软件中导入，然后设置其特性，建立矫正器的装配体，对模型网格进行划分，确定其载荷边界，然后对模型进行后处理，这些操作都是有限元操作，通过这些操作可进一步优化矫正器的模型结构，在3D打印过程中也能节约耗材，避免载荷低区域给矫正器产品的强度所带来的不利影响，实现对康复产品模型的优化设计。 1.4 设计方案评价
在对康复矫正器这一康复产品的设计方案进行评价时，主要是通过QUEST2.0用户满意度评价表来实现的，同时还运用了李克特五点积分法对评价表进行了相应的设计。利用MRI数据，并根据具体的设计方案来对矫正器进行3D打印制作，同时选择30名患者进行佩戴。将手工制作的矫正器作为对比，让患者填写用户滿意度评价表，并汇总这些患者的认同度。该评价表主要包括填空题与选择题两种，共计12道题，评价表中的内容包括性价比、简易度、透气性、美观性、重量、用户身高及体重等，并应用李克特五点计分法将评价结果划分为很满意、满意、一般、不满意与很不满意五个级别。
2 基于3D打印最优解决方法的康复产品设计方案的研究结果及讨论
2.1 结果
在应用有限元软件进行30次的迭代运算分析，最终该矫正器模型达到了理想的生物力学收敛状态，借助于Abaqus软件来分析模型构造及其节点应力，证明矫正器中存在的挖空部分会对其自身的受力造成影响，但通过对比可了解到这种影响程度不大。在优化后，可知其限定优化区域在10%～20%之间时，可确保其力学性能变化幅度适中，这证明本文所设计的矫正器在透气性上具有一定的提升性，并可节约一定的材料，增强矫正器的美观性。通过SPPS19.0软件对用户满意度评价表的结果进行汇总，可以了解到在30名用户中，有22名用户对舒适度表示满意，有18名用户对简易性表示满意，有17名用户对矫正器这一康复产品的性价比评价为一般，有18名用户对康复产品的重量表示满意，还有26名用户对矫正器这一康复产品的透气性表示很满意。
2.2 讨论
由以上结果可以了解到，本文所设计的矫正器这一康复产品，在舒适度上有着非常良好的体验，同时其透气性也非常强，在重量及简易度上能够满足大多数用户的要求，同时在外观性上也有较为出色的表现。由此可见，在利用3D打印技术来对康复产品进行设计，相比于传统的手工制作方法，3D打印技术需要先对患者的相关数据进行扫描，然后在3D建模软件中对扫描的MRI数据进行产品模型构建和模型结构优化，最后在将优化后的模型数据导入到3D打印设备中，选用不同的打印材料来进行输出打印，从而有效满足了用户对康复产品的使用要求，充分证明了3D打印技术在康复产品设计中的可行性。
3 结语
综上所述，通过对本文所设计的矫正器进行深入的分析，以此探讨了3D打印最优解决方法在康复产品设计中的具体应用，证明了3D打印技术在康复产品设计中的可行性，有效节约了材料的同时，也提高了康复产品的设计质量与生产效率，进一步推动了医疗领域的进步与发展。
参考文献
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