CN102209965B - 定制支架、铸件以及用于设计和制造的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种定制装置和用于制造该定制装置的方法，包括用参考点和/或其它指示物标记身体。随后获得来自多个角度的身体的多个图像。使用所述图像来确定身体的轮廓，定位其它标记并使用其它标记来设计该定制装置。可以将该定制装置制造为单件结构，或者以多件来制造该定制装置并组装该多件以完成该定制装置。

Description

定制支架、铸件以及用于设计和制造的装置和方法

对相关专利申请的交叉引用

本专利申请要求2008年11月9日提交的美国临时专利申请No.61/112,751“Brace And Cast”、2009年4月9日提交的美国临时专利申请No.61/168,183“ORTHOPEDIC BRACES”、以及2009年6月10日提交的美国临时专利申请No.61/185,781“BESPOKE FRACTURE BRACE”的优先权，其经引用并入本文。

背景技术

存在用来在恢复期间保护身体的一部分的各种类型的支架和铸件。支架用来限制关节的移动，并且适用于通过阻止与损伤相关联的移动来允许关节痊愈或防止损伤。常用支架是弹性的，其由伸缩材料制成；或者是铰接的，其包括一些硬的组件。弹性支架常常由提供优良透气性和穿戴舒适度的诸如棉、合成弹力纤维、尼龙或其它混合物的编制材料制成。这些支架贴合肘、腕、腿和膝盖以便提供自然的移动自由度。支架通常是通过带子固定到病人身体的现成物品。支架可以具有放置在病人的身体与更具刚性的支架结构之间的衬垫或其它垫子。挠性的现成支架提供运动限制的便宜形态以及对目标身体部分的附加支撑。然而，通用尺寸设定和挠性材料的使用限制现成支架可以提供的控制的量。对于给定的个体，“现成”支架提供受限的贴合度。旋转轴不相对于先天关节轴准确地放置，并且对于需要运动的控制、贴合和位置的较大准确性的临床运动范围支撑情形用处不大。

铰接支架通常能提供比弹性或氯丁橡胶支架更大的支撑和稳定性。铰接支架是运动范围支架的子集。对于诸如膝盖和肘的许多动关节的治疗或康复，在损伤、手术或治疗之后的早期需要运动以取得良好的临床和功能结果。运动支架对受伤关节提供支撑，同时允许适当平面中的受控运动，其中运动的限制由医疗保健提供者建立。没有早期运动，僵硬导致不理想的临床结果和长期运动范围的减小。铰接膝盖支架是移动以提供手术之后或损伤之后的膝关节的增加支撑的动态支架的例子。基于手术期或者对于膝盖内韧带损伤的治疗使用铰接膝盖支架。它们最常用于膝盖中内侧副韧带损伤和前十字韧带损伤的治疗。诸如例行穿戴支架以便保护的足球前锋出于预防、以及损伤后的运动员出于保护也使用这些支架。康复性可拆除膝盖支架也可用作运动范围支架。这些支架具有合并到支架中的铰链，其可以规定和限制屈伸运动的程度。它们也可以利用“落锁”机构被锁定成完全伸展。这些运动范围支架常常用在必须在受控设置中更新运动范围的创伤或修复设置中。其它动态夹板能提供施加到关节的额外应力以在关节挛缩设置中取得增加的运动。这些支架施加额外的力于运动极限以协助充分伸展关节。

相比于支架或夹板，铸件通常是用来固定和保护肢体或身体部分的周缘装置。整形外科铸件是常常由石膏或玻璃纤维制成的、包围肢体或者在某些情形中身体的大部分以把断裂的骨骼保持就位以允许痊愈的周缘壳体。上肢铸件是包围臂、腕、和/或手的铸件。长臂铸件包围从手至腋窝下方约2英寸的臂，让手指和拇指自由。相比而言，短臂铸件在肘下方就停止。取决于损伤和医生的决定，两个变型可以包括一个或更多个手指或拇指，在此情形中，把它称为手指人字形绷带或拇指人字形绷带铸件。把下肢铸件类似地分类，其中包围脚和腿至大腿的铸件称为长腿铸件，而只覆盖膝盖下方的下肢和脚的铸件称为短腿铸件。可以向预期在恢复期在固定肢体上行走(称作负重)的病人施加行走踵或者提供帆布、皮毛或橡胶铸件鞋。在病人不在损伤肢体上行走的情况下，可以提供拐杖或轮椅。如果提供趾板，也可以把腿铸件的鞋底延伸到脚趾的趾尖。可以使得此添加稳定跖骨和对跖骨提供支撑以及保护脚趾免受额外创伤。这是对于断裂脚的常用治疗。在一些情形中，铸件可以包括上下臂和肘，但是让腕和手自由，或者包括上下腿和膝盖，让脚和脚踝自由。可以把这种铸件称为圆柱铸件，或者可以简单地称为长臂或长腿铸件。

整形外科铸件通常是在周缘施加于病人并且不想被病人拆除的单一用途、不可拆除的装置。通常，铸件的任何拆除均破坏下伏棉层的贴合度并且导致装置的更换。结构组件不在周缘的固定装置称作夹板。它们通常向身体部分的一部分施加刚性但是允许其它平面中的调整、扩张或运动。

铸件通常由医师或铸件技术员分层施加。初始时，用薄编织棉层或弹力织物覆盖将接受铸件的身体部分。随后，用分层施加的诸如纤维网的薄松棉包裹物包裹该部分。尝试尽可能均匀地施加棉，因为一旦施加硬外壳，任何折叠或不完美就可能是未来皮肤破损的起源。通常在铸件的末端区域上施加较大量的棉衬垫层。骨突出也接受额外衬垫。一旦施加衬垫，就把身体部分包裹在石膏或玻璃纤维中。这些材料是自设置，并且通过在包裹身体部分之前浸泡在水中来被启用。铸件是周缘装置，施加石膏/玻璃纤维作为围绕身体部分的包裹物。医师随后向铸件施加模子以尝试使得铸件贴合身体部分并且在关键平面中支撑身体部分。例如在骨折的治疗中，通常在有可能骨折变形或塌陷的平面中施加3点模子，以防止移位。由于铸件是周缘的，环向应力倾向于在与模子正交的平面中扩张铸件尺度。铸件的控制取决于设置过程期间铸件的适当模塑、材料上张力的量、所施加的衬垫的量以及医者的技能。一旦铸件已定型，就可以修剪铸件并且必要时向边缘施加额外衬垫以解决尖锐边缘。

铸件的不完美施加与包括皮肤破损、不舒适、急诊室探望、间隔室综合症、骨折减少或固着损失、骨折畸形、需要手术干预、神经损伤、血管损伤的多个复杂问题相关联。通过施加和拆除新铸件而进行的铸件修正常常发生，并且与相当高的花费和病人发病率相关联。

覆盖身体的躯干以及在一些情形中直到颈或者包括头或者一个或更多个肢体的身体铸件如今很少用于成年人，但是继续常用于儿科疾病的治疗。身体铸件包围病人身体的躯干，并且可以具有遍及肩的区段。身体铸件通常称作身体夹套。包括身体的躯干以及一个或更多个肢体的铸件以及包括臂的“主干”以及一个或更多个手指或拇指的铸件称为人字形绷带铸件。例如，肩人字形绷带铸件包括身体的躯干和一个臂，通常至腕或手。肩人字形绷带铸件如今不常用，已被允许损伤的早期移动性的专用夹板和背带代替以避免痊愈之后的关节僵硬。臀人字形绷带铸件包括身体的躯干以及一个或更多个腿。只覆盖一个腿至脚踝或脚的臀人字形绷带铸件可以称作单臀人字形绷带，而覆盖两个腿的臀人字形绷带铸件称为双臀人字形绷带。一个半臀人字形绷带铸件包围一个腿至脚踝或脚以及另一个腿至正好膝盖上方。臀人字形绷带覆盖躯干的程度大大依赖于损伤和外科医生。例如，人字形绷带铸件可以只延伸到肚脐，以便允许脊柱的运动以及通过拐杖的辅助行走的可能性，或者它可以延伸到肋骨或在一些罕见情形中甚至到腋窝。臀人字形绷带铸件先前在减少股骨骨折时常用，但是如今它们常用于儿科臀疾病的治疗。在一些情形中，臂人字形绷带铸件可能只沿着一个或更多个腿延伸到膝盖上方。这种称为裤子铸件的铸件用来固定受伤的腰椎或骨盆，在此情形中，铸件的主干部分通常延伸到腋窝。

身体铸件通常通过特殊框架的使用以及多个技术员或医师的使用来施加。病人如果是成年人可能需要镇静。施加于儿科病人的臀人字形绷带铸件或身体铸件通常需要全身麻醉，并且在手术室中施加铸件。通常穿戴身体和臀人字形绷带铸件达6至12周的长持续时间。过高的成本和发病率与更换装置的需要相关联。卫生对于儿科人字形绷带铸件而言是个难题，因为支架的污损常常发生。为更换铸件而需要全身麻醉是因除了医学原因以外的任何事而改变铸件的强烈妨碍因素。

用来保护受伤脊柱或者作为诸如脊柱侧凸的脊柱变形治疗的一部分的其它身体铸件包括Minerva铸件和Risser铸件。Minerva铸件包括身体的躯干(有时候只延伸下至肋骨)和病人的头，为病人的脸、耳以及通常头发和头顶提供开口。Risser铸件类似，从病人的臀向颈延伸并且有时候包括头的一部分。

铸件常常由石膏制成，包围肢体和/或身体。石膏绷带由已被灌输了在被弄湿之后硬化的熟石膏的棉绷带构成。可替选地，在铸件中常常使用由合成材料制成的绷带。例如，铸件常常由被灌输了聚氨酯的编结玻璃纤维绷带、有时候是热塑性绷带制成。这些合成材料铸件比石膏铸件更轻且干得快得多。

因为铸件直接施加于病人的身体，所以它们具有定制配合。相比而言，用于常见医学损伤或疾病的大多数支架是被调整为配合病人的现成物品。对于更严重的损伤、慢性疾病或手术期固定，需要更大的支架控制和贴合度。这些病人需要使用常常由诸如修复师和矫形师的专家制造的定制支架。这些专家通常也采取病人的模子，他们可以根据病人的模子制造病人的阳模。围绕此阳模，修复师随后可以包裹材料并构造定制装置。加强物和衬垫的量是基于矫形师的临床体验以及支架生产的“过程”的。当设计定制假肢、支架和矫形器时，医者常常依靠他们的手感知病人的软组织和骨骼结构。医者识别他们在组织下感觉到的骨突起并把这些位置标记为他们可以随后用来创建身体的定制装置的界标参考点。医者对病人和病人的模型反复地工作以创建贴合病人还具有其临床使用所必需的适当衬垫和支撑的支架。

支架制造的传统方法存在许多限制。整个过程是非常劳动密集和低效率的。制造和尺寸设定的方法的限制已限制了最终产品。制造局限已限制了设计的选择以及最终产品的功能。定制装置是劳动密集的，并且它们在几何复杂性方面受限。定制装置还可能是非常不准确的，因为它们是人工制成的，并且可能只模糊地表现病人的身体。人工制作过程也不允许对定制装置的特殊调整，其可包括可能需要特殊清理或避开的细嫩斑点、疹子、胎记、痣、乳头、缝合部、擦伤部、或者皮肤上的其它区域。需要用于设计更准确地配合病人、更薄、强度更高、更舒适和有选择的挠性的支架的改进系统和方法。

发明内容

本发明针对用于基于来自病人的扫描数据制造定制支架、铸件或装置的过程。在一优选实施例中，使用摄影测量过程，其中从病人的多个照片获得病人的表面数据。为了准确地测量病人的表面，可以按各种不同方式向病人的皮肤施加参考点。表面应当具有在每个照片中可见的至少十二个良好分布的参考点，并且对于物体的整个表面而言应当具有至少二十个参考点。更多的参考点将得到物体的更准确的测量结果。记号可以是由直接放置在病人上或者病人所穿戴的形状配合覆盖物(如弹力织物)上的墨、粘着剂或其它标记形成的点。在一实施例中，形状配合覆盖物的布料可以被印有点、有纹理的衬垫或相交线的网格，以使得病人一旦穿戴该覆盖物就将具有一组参考点。在又一实施例中，可以使用光投射器向病人上投射光的图案。光的图案可以是斑点阵列、相交线的网格或者允许病人上的点的图像被检测的任何其它图案。担当标记的病人上的光可以是利用投射器透射到病人上的白色或彩色光标志。可能需要多个投射器或镜子把光投射到病人的所有所需表面上。

除了用于获得病人身体表面的表面轮廓的参考点之外，医生或医者还可以标记病人身体的区域以指示支架的其它特征的位置。例如，标记可以指示支架的末端边缘、衬垫区域、骨突出、皮肤的敏感区域、孔、窗口、病理位点(骨折或手术位点定位)、深层解剖(外棘突过程和脊柱对齐)凹陷区域(在该处不应当把支架制作成精确对应于病人的轮廓)以及待在支架中形成的其它特征。可以直接在病人上或者病人所穿戴的形状配合覆盖物上做标记。像参考点那样，额外的标记必须提供清晰的视觉对比度。可以通过颜色或者以其它方式编码标记以指示待在标记处形成的特征的类型。也可以使用不同的编码来指示被识别出的区域中的变形的量或程度、窗口的类型或者其它支架特征。标记可以是提供额外信息的三维物体。例如，棒、箭头或其它物体标志可以指示关节的旋转轴或其它特征。

在标记了病人之后，把病人身体的需要铸件或支架的部分放置在一个或更多个静止或视频相机的前方。相机可以面向病人身体的一侧或更多侧，并且可以彼此隔开已知距离。在一些实施例中，可以围绕病人布置一组相机以使得可以拍摄围绕周缘的身体的完整的一组静止图像或照片。在一优选实施例中，以两个相机为组布置相机。可以把这两个相机安置在把相机破此隔开的托架上。这两个相机瞄准朝着病人或病人肢体的同一大致方向但是偏移一角度。在一优选实施例中，相机镜头可以在第一平面中彼此平行，而在第二平面中朝着彼此成角度。间隔开和角度允许这两个相机各自拍摄包括病人身体的相同部分但是来自略微不同的角度的图片。根据图片对身体上的参考点进行三角测量以获得表面轮廓。如果需要围绕整个病人的照片，则可以围绕并指向病人而布置三组或四组相机。可以把相机耦合到使得所有的相机被同时致动的单个开关。也可以把相机耦合到闪光机构。可以通过致动一个相机的快门来触发一个相机的闪光。瞄准病人的其它相机可以包括使得它们的快门响应于闪光而致动的光传感器。因而，第一个相机的致动将立即使得所有其它相机致动。由于在几分之一秒内拍摄所有图片，所以可以把身体放置在相机前方或之间，并且通常不需要固定病人或者保持身体或肢体静止达延长的时间段。

此迅速图像捕捉特征对于诸如儿科人字形绷带铸件或兽医支架的儿科或兽医医学装置是特别重要的。对于其它类型的扫描过程可能很难保持婴儿或动物稳定。对于大多数儿童和动物，铸件和支架是与显著疼痛和发病率相关联的外伤体验。支架和铸件的拆除和施加与不舒适相关联。对于许多应用，儿童和动物需要镇静或麻醉以便铸件的施加。例如，臀人字形绷带铸件最常在手术室中施加于诱导睡眠中的病人。

捕捉儿童解剖的三维图像要求在扫描的持续期间保持儿童固定。否则儿童将需要镇静。对于大多数儿科应用，只有摄影测量术将能提供近瞬时三维图像捕捉。结合标记和摄影测量术(photogrammetry)，儿童可以在使对于镇静或麻醉的需要最小化并且减少体验的外伤的同时经受支架的虚拟配合。因为许多婴儿具有大量幼儿脂肪，所以婴儿的标记可能是用于识别深层解剖的位置的最有效的手段。此技术的通常应用包括但不限于：儿科人字形绷带铸件、Pavlik铸件、内翻足铸件、跖骨内收铸件、Blount病铸件/支架、脚踝脚矫形器、儿科脚踝铸件、儿科行走铸件、脊柱TLSO铸件、绕环身体铸件、颈椎套、斜颈支架和其它医学装置。通过从图像获得数据，无需保持婴儿或动物静止达延长的时间段。

在另一实施例中，单个3-D相机可以借助单个相机同时捕捉多个离轴图像。该单个相机可以在单个胶片帧上捕捉多个图像。该多个图像可以用来捕捉3-D图像。还可以在病人保持很静止的情况下利用单个相机拍摄病人的多个图像，该单个相机围绕病人移动从而以不同角度捕捉多个图像。也可以将单个相机耦合到镜头系统，该镜头系统可以从合适角度和位置捕捉病人的图像。

为了得到准确的表面位置，身体上的每个参考点必须在两个或更多个照片或图像中可见。所述图像由计算机表面重构程序来分析。该程序通过也称为数字图像关联的摄影测量术对参考点进行三角测量以确定身体的表面几何。除了参考点之外，在病人上标记的装置的额外特征也在所述图像中示出并且对CAD程序操作者可见。所述特征可以包括装置或支架的边缘、孔、衬垫、窗口、铰链、不同材料和其它特征。系统操作者或CAD软件可以识别所述特征并且在装置或支架上的标记位置处添加所述特征。常常在需要支架或铸件时，病人正遭受某些内损伤，诸如MRI或X射线的额外信息是可用的。在一实施例中，可以把摄影测量术与MRI或X射线数据相结合以识别需要可接近的区域或位置或者对磨损敏感的骨骼的位置。通过整合MRI和/或X射线数据，可以更准确地制作装置。对来自其它形态的数据的使用尤其适用于在所有平面中准确地识别关节旋转轴以提供更准确的运动范围支架。

除了在照片中标记的特征之外，设计者还可以使用系统来添加包括通风孔、挠性衬垫、缓冲凹陷、挠性槽等的额外特征。设计者还可以规定支架或装置材料和厚度。在一些应用中，设计者可以规定用在支架中的多种材料。可以在需要结构强度的区域中规定强度高且硬的材料而在需要挠性和/或缓冲的区域上规定挠性材料。支架设计是包括如下这种装置的物理尺度的数据文件：该装置具有与通过摄影测量过程和额外特征确定的身体轮廓匹配的内部表面。

在一些情形中，支架或装置可能不与扫描的表面数据匹配。例如，病人可能有脊柱侧凸，可能需要矫正性背支架。可以利用支架来矫正背的弯曲以减小畸形。可以拍摄背的照片以获得表面数据。然而，并非设计使用检测到的脊柱位置的背支架，背数据可以被修改以帮助拉直背。在此实施例中，可以使用软件来设计比测量出的背更直的背支架。系统可以获得脊柱的总体长度和曲率的测量结果，操作者可以把支架设计调整为更直。在一个实施例中，对于背支架的尺寸设定，医师可以标记脊柱侧凸病人的棘突过程。随后通过摄影测量术捕捉棘突过程的位置和背的曲率。提供商可以随后矫正支架形态以调整曲线参考点以提供矫正模塑支架。病人的医生可以规定正常背位置与支架之间的实际差异。

除了扫描的表面数据和装置特征以外，CAD系统还可以向装置中设计挠性和通风孔。设计者可以为装置选择一种或更多种材料，CAD系统可以知道这些材料的力学特性。操作者可以随后输入可以在一个旋转或弯折方向上包括挠性而在第二旋转或弯折方向上包括较大刚性的挠性特性。可以使用CAD系统向装置中设计孔，所述孔为装置提供计算出的挠性。将影响挠性的因素包括材料特性、材料厚度、孔尺寸、形状和取向。除了提供挠性以外，所述孔还将为病人提供通风，这也将增大舒适度。

装置的额外特征包括模块化构造。这在用于诸如前臂的肢体中的断裂骨骼时有用。可以为病人设计如下这种本发明的模块化铸件：其可以具有可以随着病人痊愈依次拆除的数个模块化区段。医生可以标记病人以指示不同的模块化区段，模块化区段标记将通过摄影测量术来检测，支架可以被设计为具有被标记的模块化区段。随后可以制造支架，可以利用联接结构或任何其它类型的可拆除紧固件把不同的模块彼此紧固以使得可以随着病人痊愈逐个拆除不同的区段。如果病人折断臂，则可以把整个臂初始地固定在从手指延伸至肩的模块化支架中。在约2-3星期的第一时段之后，可以拆除上臂模块。在约2-3星期的第二时段之后，可以拆除肘和/或拇指模块。可以穿戴下臂(短臂铸件)模块以支撑臂直到骨骼痊愈为止。由于简单地拆除模块，所以不毁坏铸件并且不需要新铸件。这对病人和医生相当有益，因为需要少得多的时间和资源。可以把类似的模块支架用于受伤的手、腿或脚。随着病人痊愈，可以拆除支架的一些部分以允许舒适、移动和通风。

也可以将模块化设计或者使用多个材料设计的设计用于生长的儿童所穿戴的支架。背支架可以配合儿童病人达数月或更长。然而为了舒适，支架必须能够适应于儿童的生长。围绕臀的骨骼倾向于随着儿童的发育而生长，在没有挠性的或模块化的设计的情况下，儿童将定期地需要全新的支架。每当支架被更换，该生长就将需要重新配合病人。为了防止或最小化更换，支架可以被设计为具有挠性区段和/或模块化组件。例如，背支架可以被设计为具有允许生长的围绕臀的挠性或弹性模块化部分。当臀模块不能再适应病人时，可以用适当地配合病人的另一臀模块更换此模块化臀区段。模块化臀区段可以随后附着到支架的其余部分并被使用直到儿童的生长需要另一更换模块为止。

模块化在病人的最终配合中也是重要的。背支架的特定区域常常可能难以与病人配合。打印或构造支架是昂贵和耗时的。如果支架在特定区域中未良好地配合，则模块化面板的使用允许在无需更换整体构造的情况下特意更换支架的误配合区段。

在又一实施例中，可以设计具有多个可接近区域的支架或铸件。每个区域可以附着到允许支架的该部分通向病人的铰链或其它可松开的紧固件。这可以被设计在特定的关注区域上，例如，需要清洁或定期检查然后再次保护的受伤区域。通过彼此相邻地放置多个这些可接近区域，可以通过分别打开每个区域来清洁身体，而身体的其余部分被保持在装置内。本发明的支架允许改进的舒适度和卫生性，同时仍在治愈过程中保护病人。例如，医学过程可能需要在病人中放置销钉或其它物体。可能有必要避免接触以及允许检视这些区域。通过使用这些区域上的接近区域，医生将能够检视该区域以保证病人适当地痊愈。可接近区域特征还可对于将需要有规律地清洁的婴儿特别有用。本发明的支架可以被设计成通向允许儿童被清洁的下躯干区域。该区域可以被打开以便清洁，随后在清洁完成之后被关闭。此设计相对于必须部分锯开以接近儿童以便清洁的铸件是显著的改进。

在设计支架或装置之后，把支架设计数据传送给构造支架的制造机。在一实施例中，制造是快速成型、快速制造、分层制造、3D打印、激光烧结、以及电子束熔炼(EBM)、熔融材料沉积(FDM)、CNC等。制造机产生制造是塑料、金属或不同材料混合物的三维单件或多件结构。为了高效地制造所描述的装置，同时制造尽可能多的组成部分可能是理想的。许多制造机可以在预定时间段内制造配合于特定体积内的部件。例如，支架可以配合于病人的躯干周围并且在中央具有大的空间。可以制作此支架，但是它将只制作一个装置。为了提高效率，可以把支架设计为稍后熔融在一起的多件。并非制作开放中央区域大的单个支架，可以使用所描述的制造方法来同时制造占据相同具体体积的两个或更多个支架的组件。通过由添加材料机以高效的制造方式对组件布局以便制造，可以显著减少制造的成本。组件可以随后被组装并熔融在一起以形成支架。可以在制造了支架壳体之后向支架添加衬垫和其它组件。

摄影过程的使用相对于其它表面扫描技术具有许多优点。因为医生可以在形状配合覆盖物上或者直接向病人施加位置标记所以简化了用于把特征的位置从病人转移到支架或装置的过程。因而，更加有可能把特征的位置准确地放置在最终产品上。因为数码相机、计算机和电子存储器便宜所以也减少了器材成本。照片器材也是便携的，所以可以容易地把它输送到病人的位置。可以随后把数字数据以电子方式传送给位于协会处的制造机。可替选地，可以把数字装置数据记录到磁盘中并且传送给制造机。

本发明的定制设计过程是独特的，因为它在实际装置的制造之前向病人提供支架的虚拟配合。没有其它已知系统提供以虚拟方式设计诸如支架的定制产品的能力。特别地，本发明的过程可以检测在身体上放置的标记并且利用此信息来基于标记的位置设计产品。

虽然把装置描述成了医学装置，如，人类的铸件或支架，但在其它实施例中，可以把发明的过程用于人类使用的其它产品，包括：定制椅子、座椅、鞍、运动器材、鞋、衬垫、头盔、摩托车和自行车座椅、车把和把手等。也可以把描述的设备和方法用于骑手和马的定制鞍以及动物的铸件和支架。

附图说明

图1图示了正被医生标记以便背支架制造的病人；

图2图示了正被拍摄的被标记的病人；

图3图示了正被多个相机拍摄的病人的顶视图；

图4图示了显示病人的一部分的数字表示的计算机；

图5图示了显示用于背支架的设计过程的计算机；

图6图示了根据数字表示设计的基本背支架；

图7图示了用于向背支架中设计孔的过程；

图8图示了被设计为具有用于通风和/或挠性的孔的背支架；

图9图示了具有挠性通风孔的背支架；

图10图示了具有挠性面板的背支架；

图11图示了具有用于获得挠性的水平对齐细长槽的背支架设计；

图12图示了在添加槽之前的背支架设计；

图13图示了具有细长槽的虚拟材料块；

图14图示了与背支架设计组合的具有槽的虚拟材料块；

图15图示了支架和旋转轴；

图16-18图示了支架的多个视图；

图19-21图示了用于支架的衬垫的横截面视图；

图22-24图示了以不同弯折角度捕捉到的腿的图像；

图25-27图示了腿支架的视图；

图28-29图示了具有通风孔的腿支架的视图；

图30-31图示了具有可接近区域的支架；

图32-36图示了模块化支架；以及

图37图示了用来稳定臂的支架的区段。

具体实施方式

本发明是具有与身体紧密对应的表面的定制设计铸件、支架或其它装置。铸件或支架具有与病人身体紧密对应的内表面并且也可以具有整合构造。本发明的铸件或支架针对受伤的背、腿和臂或者其它身体部分。铸件或支架优选地由工业设计者使用计算机辅助设计(CAD)计算机程序来设计。病人的力学数据可以从病人身体的照片获得。该身体数据随后被数字化并输入到CAD程序中，参考该CAD程序设计铸件或支架。合适CAD程序的例子是Parametric Technology公司的Pro/Engineer。其它CAD软件包括：Dassault Systémes S.A.的子公司SolidWorks公司的SolidWorks。为了简单起见，将以背支架描述本发明的定制支架、铸件或装置，然而也可使用相同的过程来形成臂或腿支架或者任何其它身体支架、铸件或装置。支架可以是被设计成环绕和支撑肢体或身体的受伤部分的硬和强度高的结构。

例如，使用CAD系统为病人创建腿支架。腿支架可以包括大腿、膝盖、小腿和脚，并且具有与病人腿的表面轮廓和力学尺度匹配的内部表面。为了准确地创建与病人腿匹配的内部表面，测量用户腿的表面轮廓。可以通过数个不同方式获得腿外表面的测量结果。在一优选实施例中，使用摄影测量术或图像关联技术来获得可以是定义病人的腿或任何其它身体部分的外表面的一组3维坐标的外表面测量结果。

摄影测量术在它最宽泛意义上通过把物体的平坦2维图像转换回真实3维物体表面来反转摄影过程。需要两个或更多个不同照片来重构3维物体。在完美的摄影测量过程中，两个照片将提供完美地重构3维物体的足够信息。遗憾的是，摄影和测量过程通常不完美，从而基于两个照片的3维物体重构也将有缺陷。可以通过拍摄更多照片以及使用额外信息改进准确性来改进摄影测量物体测量过程。摄影测量过程将根据从多个照片获得的测量结果产生表示物体表面的一组3维坐标。

摄影测量术使用了三角测量的原理，藉此，空间中的相交线被用来计算点在全部三维即XYZ维中的位置。在一实施例中，使用多个相机同时拍摄腿或身体部分。为了对一组点进行三角测量，还必须对于该组中的所有图片知道相机位置和瞄准角度(也称作“取向”)。称为后方交会(resection)的过程对每个相机进行相机位置和瞄准角度计算。还应当校准相机，从而可以明确并消除它们的误差。

三角测量是被摄影测量术用来产生3维点测量结果的原理。通过使空间中的会聚线在数学上相交，可以确定点的精确位置。摄影测量术可以在被同时三角测量的点的数目几乎不受限制的情况下同时测量多个点。通过从至少两个或更多个不同位置拍摄图片并测量每个图片中的相同目标，生成从每个相机位置到目标的“视线”。由于相机位置和瞄准方向已知，所以线可以在数学上相交以产生每个目标点的XYZ坐标。

后方交会是被用来基于相机位置以及也称为相机取向的瞄准方向、根据照片数据确定物体坐标的过程。通常，在图像中被看到并且XYZ坐标已知的所有点被用来确定此取向。为了准确的后方交会，你可能在每个照片中具有十二个或更多个良好分布的点。如果物体上的点的XYZ坐标已知，则可以计算相机的取向。认识到后方交会需要相机的位置和瞄准方向是重要的。只知道相机的位置是不够的，因为相机可能位于相同的位置但是瞄准任何方向。结果，必须知道由三个坐标定义的相机位置以及由三个角度坐标定义的它瞄准何处。因而，虽然需要三个值来定义目标点的X、Y和Z坐标，但可能需要六个值来定义图片上的一点：位置的XYZ坐标以及瞄准方向的XYZ角度。

被拍摄的表面还应当具有出现在每个照片上并用于准确表面测量的最小数目的良好分布的参考点。参考点可以是放置在物体上的可见记号，其提供将在照片上清楚地示出的可见对比度。每个照片上应当有至少十二个良好分布的参考点，而物体的整个表面应当有至少十二个点。参考点应当在物体上遍及照片均匀地分布。可以利用更大数目的参考点更准确地测量物体的表面。

尽管可以用墨标志标记病人的皮肤，但在一优选实施例中，用诸如弹性棉管、弹力织物、紧身服、身体服装的形状配合材料覆盖病人。在其它实施例中，可以用形状配合材料包裹身体。在另一实施例中，可以用贴合身体并且可以被标记并在捕捉图像之后容易被去除的诸如挠性塑料或橡胶材料的可去除材料打印或喷涂身体表面。参照图1，图示了病人101，病人101穿戴覆盖病人身体、臂和腿的身体服装103。

在一实施例中，计算机程序处理摄影测量结果以产生所有测量点的最终XYZ坐标。为了这么做，程序对目标点进行三角测量并对图片进行后方交会。程序还可以校准相机。三维测量结果的典型准确性在理想工作条件下可以很高。例如，测量结果可以准确到50-100微米(0.002″至0.004″)。然而，摄影测量术测量结果的准确性由于准确性依赖于数个互相关因素而可能显著地变化。重要的准确性因素包括：相机的质量和分辨率、被测量的物体的尺寸、被拍摄的照片的数目、以及图片之间和图片相对于物体的几何布局。

摄影测量术测量结果可以是无量纲的。为了比例缩放摄影测量术测量结果，需要至少一个已知距离。该已知距离可以是在物体上标记的距离。例如，如果一些目标点的实际坐标已知，则可以确定这些点之间的距离并且可以使用这些点比例缩放测量结果。另一可能性是使用其上有目标的夹具并连同物体一起测量夹具。因为夹具上的目标之间的距离已知，所以可以使用它来比例缩放物体上的参考点之间的其它测量结果。通常把这种夹具称为比例尺。

在一实施例中，使用本发明的方法制作用于受伤肢体的支架或铸件。对受伤肢体拍摄一系列照片。如果骨骼断裂，则应当在拍摄照片之前减小骨折。随后使用上述摄影测量处理方法来获得受伤肢体的表面坐标。为了定义肢体上的公共表面点，可以在肢体上放置参考点。参考点可以简单地是容易可见的任何对比色彩点、图案、形状、物体、符号或其它光学指示物。参考点可以是黑色或彩色墨记号、粘着剂或物体或者任何其它可见参考点。在该优选实施例中，围绕正为其构造支架的身体的整个肢体或部分放置和均匀分布参考点。

除了参考点之外，还可以标记病人以定义支架的边缘或其它特征。参照图1，医生可以用笔105标记身体服装103以定义支架的边缘的位置。边缘标记可以是围绕身体或肢体延伸的一个或更多个连续线107。在其它实施例中，可以由定义支架的边缘并且在支架设计期间被连接的一系列记号来定义边缘。还可以在病人上标记额外的线109以在支架中创建开口。例如，病人可能具有已利用缝针闭合而不应当与刚性支架接触的来自手术的受伤区域。通过在支架中提供开口，病人的缝合部不会被压在支架结构上。在图1中，医生围绕病人身体的此部分描绘了圆以使得支架可以被设计为具有此区域的切口。医生还可以在身体服装103上做笔记。医生写下了“L6”以指示L6盘的位置。医生还在股骨的较大转子处标记了十字111并且在肩胛骨113处标记了虚线。这些解剖位置在支架设计中是重要的，并因此标记在身体服装103上。因为摄影测量术使用照片，所以数码图片将记录所有的线或其它标记。

参照图2，利用多个数码相机121拍摄病人的照片。在此例子中，相机121被安置在托架123上并且被水平地隔开已知距离。相机121具有同一水平位置，镜头可以处在同一平面中并且朝着彼此向内成角度。镜头的角度可以在约5至45度之间。病人101与相机121之间的距离也已知。可以同时致动两个相机121以使得两个或更多个照片将表示同一位置的病人101。为了得到身体轮廓信息，围绕整个周缘从各种角度对穿戴被标记的身体服装103的病人101拍摄图片，以使得身体的所有表面将被支架覆盖。每个照片应当包括参考点中的至少十二个。通过处理照片并对照片中的参考点以及其它线和标记进行三角测量，可以获得表示身体表面的坐标。

参照图3，图示了用来拍摄病人101和身体服装103的相机121系统的顶视图。在一实施例中，可以使用包括安置在托架123上并且围绕开放空间定位的多个相机121的设备来拍摄病人101。相机121指向病人101，并且以两个相机121为组布置。相机121可以安置在持有相机的托架123上，从而它们大致指向同一方向但是朝着彼此略微成角度。可以在镜头水平对齐、但是围绕竖直轴略微旋转的状态下定位相机121，从而相机121镜头不平行。此角度允许相机121分析表面中的差异，以使得3维表示很像其在人类立体视觉的情况下那样生成。

在此例子中，围绕病人101安置四组相机121，每组具有两个相机121。因而，对病人101拍摄各自来自不同角度的八个照片。相机121所拍摄的图片一起覆盖躯体的整体。可以依据关注的区域移动相机121位置。在图示中，可以把相机121配置成收集背支架的数据。然而，如果制作腿支架，则可以把相机121降低到腿周围的位置。

致动器可以耦合到每个相机121，并且被用来使得所有的相机同时拍摄肢体。可替选地，可以使相机121对同步以全部同时拍摄图片以同时捕捉物体的图像。由于快门速度通常只是几分之一秒，所以无需把病人101保持得绝对静止达延长的时间段。在其它实施例中，可以使用单个相机捕捉病人的多个图像。在此实施例中，相机可以在短时间段内或者同时地捕捉多个图像。相机可以具有各自捕捉不同图像的多个镜头。可替选地，病人可以相对于相机移动。通过旋转病人或围绕病人旋转相机并拍摄多个照片，单个相机可以捕捉可用来获得表面构形和其它标志数据的多个图像。

如上所述，处理照片并使用照片生成准确描述病人101的外表面的三维数据。随后使用三维数据设计并制造支架或铸件。因为表面数据很准确，所以支架或铸件将具有计及所有检测到的表面轮廓的定制配合。除了定制配合内部表面之外，边缘或支架特征还由边缘或特征标记清楚地定义，并且可以被用来辅助支架或铸件的设计。

在一些情形中，病人的身体条件使得摄影测量术图像将不导致准确的支架。例如，如果病人损伤了肢体，则损伤的区域可能肿胀。因而，肢体的任何照片均将导致比不肿胀的肢体大得多的扫描数据。在一实施例中，如果病人具有与损坏的肢体类似的完好肢体，则可以拍摄完好肢体，并且可以按镜像方式反转根据完好肢体获得的表面数据以创建用于损坏的肢体的支架的所需数据。可以把支架设计和制造成使得当肿胀消退时，支架将为病人准备好。

摄影测量术还具有优于包括光学和激光扫描的其它类型的表面扫描方法的各种益处，因为它还可以用来检测医生在病人上放置的、可以用来指示支架或者身体的特殊部分的标记。例如，医生可以在病人上描绘以标出他们将稍后在定制装置过程中参考的任何数目的笔记。这些标记可以指示：定制假肢/矫形器的边界、骨骼突起的区域、脂肪组织的褶皱、具体参考椎骨、要避开的身体上的敏感区域(疹子、胎记、痣等)、将需要增进通风的区域、用以允许无阻碍运动的关节周围的清空区域、设立的标记、将稍后在支架内添加额外压力的‘垫片’的参考边界以及各种其它信息。身体标记可以是用来标识病人上不同类型参考点的彩色点、线或符号，有纹理的标志或其它代码。例如，可以用第一颜色来标记病人以指示铸件或支架的期望边界。还可以用第二颜色或有纹理的标志来标记病人以指示骨骼突起或敏感区域。由于骨骼突起、或者深层骨骼解剖是容易皮肤破损的区域，所以支架可以在这些区域上具有特殊特征以避免对这些区域的损坏或磨损。例如，在设计过程期间，操作者可以在被标记为骨骼解剖的病人身体区域上减小支架。例子是支架在肩胛区域上的放置。可以人工触诊但是难以基于表面形态确定肩胛和它的边界。支架必须适应于肩胛以起到适当的作用。在这些技术中，在病人上标记肩胛的主体或边缘的位置，支架的主体将利用支架轮廓中的定制衬垫或缓解物来适应骨骼边缘。

支架将需要衬垫以对于病人而言舒适。可以如上所述那样在病人上标记衬垫的位置。例如，可以利用呈衬垫形状的编码标记来指示衬垫位置和形状。CAD系统将检测衬垫标记并能够制造与指定形状匹配的衬垫。在制造过程期间，衬垫可以由一定范围的厚度和结实度的软弹性材料制成。例如，可以使用CAD数据来从衬垫材料的板材切下衬垫。CAD系统还可以将支架设计成适应衬垫。例如，支架可以被设计和制造为具有在被编码和标记的区域处形成的凹陷或者其它附着机构。由于使用病人表面数据来形成支架和衬垫这二者，所以它们将很准确地配合在一起。如果在衬垫位置上存在设计到支架中的通风孔，则衬垫也可以被设计为具有与支架中的通风孔对齐的通风孔。

当使支架与病人配合时，医生应具有多个衬垫并且应能够为病人选择最佳衬垫厚度。因为支架可能由强度高且耐久的材料制成，所以衬垫可能随支架的使用而磨损并且可能需要定期更换。医生可以具有根据支架数据制造的额外衬垫。也可以使用附加制造过程制作额外衬垫，以使得衬垫具有贴合支架的外表面、以及贴合病人在具有诸如骨骼突起(如髂骨(iliaccrest))的复杂表面几何的区域中的解剖的内表面。

在其它实施例中，编码标记可以是图案、符号、有纹理的衬垫、条形码、3-D对象或其它指示物。因为这些相机把摄影图像用于它们的数据输入，所以病人上的编码标记或构形可以通过支架/铸件设计软件来识别。本发明的过程可以能够区分不同的颜色编码以及不同的衬垫纹理。纹理可以包括凹槽、蚀刻图案、凸或凹表面等。每个纹理可以表示支架在标志位置处的不同特征。检测系统软件可以自动检测和识别编码颜色或纹理。软件随后可以自动设计支架的与被定位于病人上的编码颜色或纹理相关联的请求特征。额外标记将被转换成病人的数字表示并且被用来帮助设计支架或铸件。

图4-8中图示了使用扫描的身体数据设计支架的过程。图4图示了CAD屏幕221上的人体躯体201的扫描图像。准确地测量躯体201的轮廓，扫描数据上还图示了在病人上放置的额外标记。在此例子中，医生描绘了病人的股骨较大转子的十字211，从而支架被设计为在此区域中具有额外空间以便腿的移动。线标记207指示支架的期望边界，线209指示支架侧面中的孔。记号“L6”也可从摄影测量术扫描数据中看见。

参照图5，表示支架的边缘的线207高亮显示。支架设计者把表示要在支架中形成的孔的线209高亮显示。在此实施例中，使用鼠标控制的光标215高亮显示所述线。在其它实施例中，设计者可以选择在线上点击以高亮显示整个线。在此例子中，粗线表示要从支架中拆除的线的部分。然而，可以使用任何其它可见标记来标识要拆除的线。

在一些情形中，支架或装置可能不与病人的扫描表面数据完美地匹配。例如，设计者还可以考虑表示股骨骨骼较大转子位置的标记十字211。将在摄影测量期间捕捉的图像上指示标记，十字可以是指示较大转子位置的指定符号。软件可以随后通过扩张支架的此部分来调整较大转子上支架的设计。

在另一例子中，病人可能有脊柱侧凸并且可能需要改变病人正常姿态的矫正背支架。可以使用支架来矫正背的弯曲以减小弯曲变形。可以如上所述那样拍摄背的照片以获得表面数据。然而，实际脊柱位置可能无法检测，除非表面将背骨骼显示为表面特征。为了清楚地指示背的棘突过程，医生可能需要标记各自的位置。可以编码标记以标识具体骨骼或者指示损坏的骨骼。标记可以环绕骨骼，是十字标记、或者清楚地标识骨骼位置的任何其它标记。当处理摄影测量图像时，将清楚地指示棘突过程的位置。可以随后使用背表面和棘突过程位置设计背支架。

并非设计使用检测到的脊柱位置的背支架，背数据可以被修改以创建拉直病人背的支架。设计者可以获得支架的期望曲率变更以及脊柱的总体长度和曲率的测量结果。病人的医生可以规定支架与正常背位置之间的差异。设计者于是可以调整所记录的背曲率以设计更直的背支架，同时维持由支架限定的期望内部体积。在一实施例中，设计程序可以包括用于调整支架设计的系统，该系统允许支架的一部分的调整被携带至支架的其它部分。例如，如果背数据表明拍摄的脊柱弯曲，则设计者可以操控顶点以减小弯曲。并非只调整顶点部分，程序将对支架的周围部分做类似调整以使得矫正支架将适当地配合病人。例如，可以把支架划分成可以各自对应于不同棘突过程的许多不同薄水平区段。当一个区段移动时，其它区段将移动更小的程度以使得侧凸弯曲减小。可以使用算法来比例缩放支架的其它区段在CAD设计上的移动。通过在一个区段移动时自动调整支架的不同区段，支架设计得以简化并且是准确的。

在其它实施例中，设计的支架或铸件可以根据对病人拍摄的摄影测量术测量结果而变化。例如，病人可能由于创伤或炎症而肿胀。支架设计系统可以计及肿胀并且允许设计者创建将在肿胀减小之后配合病人的较小支架。在一实施例中，系统可以使用完好肢体的照片并使用镜像表面数据作为肿胀肢体的支架的指导。完好肢体可能不是损坏肢体的完美匹配，但是在许多情形中，它对于形成合适支架或铸件而言是足够准确的。

在图6中，图示了移除了边缘207之外的躯体区域以及孔线209之内的区域的躯体。虽然未示出，但操作CAD软件的设计者可以旋转图示的躯体以示出支架210的任何视图。可以向内部躯体表面添加材料厚度以创建基本支架设计。因为标记被摄影测量术系统准确地检测到，所以所有被标记的边缘和孔位置被转换成数字表示，且无需重新检查或重新测量病人，所需支架边界和特征就被准确地识别出。该过程完成支架210的基本设计。

除了在病人上标记的病人特征之外，还可以向支架添加额外特征。例如，可以在支架210中制作多个孔以提供支架的通风和挠性部分。参照图7，图示了具有穿过支架210一部分的一组圆柱体225的支架210。在此例子中，圆柱体225在横截面上是圆形的并且限定多个圆孔。参照图8，设计者于是可以从支架210移除与圆柱体225相交的材料以制造具有多个孔227的支架。

用来制造支架的结构材料在压缩和张紧方面是强的。通过在支架中形成孔，可以向支架添加通风以及有选择的挠性。通过向结构材料中设计开口，可以弯折而非压缩或拉伸结构材料，这允许支架具有弯折移动。支架设计者可以将支架设计成根据病人的具体需要控制挠性。可以把支架设计成控制挠性的方向、移动的范围、移动的弹性等。在支架中区域性地创建细节和定制的孔并且改变这些孔的能力在每个水平独立地、并且在不同平面中独立地允许对弯折和扭转运动的控制。向支架中构建的接合部也在每个水平独立地允许受控的运动。

参照图9，图示了具有细长孔322、324的图案的背支架318。孔322、324可以向背支架318添加通风以及挠性。孔322、324倾向于在孔322、324的宽度上添加挠性。因而，在此例子中，具有水平取向孔322的支架318的上部将倾向于允许竖直挠性。相比而言，围绕支架318下部的竖直取向孔324将允许围绕支架318的径向挠性。可以把下支架318定位于病人的臀上。随着病人移动和生长，此区域可能需要扩张挠性。

参照图10，图示了由三个部分制成的背支架418。并非将支架制作为单件结构，以稍后组装的三个单独部分制造支架可能更为高效。也可以从不同材料中制作面板之一。例如，中央面板424可以是比侧面更具挠性的材料。虽然背支架428的侧面板422可能需要由相当刚性的材料制成，但中央面板424可能不需要相同的强度而可能由更具挠性的材料制成。可以随后利用合适的紧固件把中央面板424固定到支架418的其余部分。

例如参照图11，图示了具有多个细长的水平槽325的背支架310。槽325允许支架在竖直方向上是挠性的但是在轴向旋转方面是刚性的。当向支架310施加弯折运动时，竖直元件将倾向于压缩槽325的中央。然而，当围绕中轴向支架施加旋转扭矩时，支架310将是更具刚性的。在图示的背支架310中，支架正面和背面上的孔是按偏移的行和列布置的细长槽325。每个水平行中的槽325相对于相邻竖直行的槽325偏移。槽325之间的材料形成大多水平取向的细长带。存在与每个槽325的中央部分相交的短竖直带326。如所讨论的，该材料在压缩和张紧方面是强的。因此，此设计配置抵抗病人背的轴向旋转或扭转。然而，因为材料的水平带未竖直对齐，所以支架310可以向前和后弯折，这允许病人的背弯折。当病人向前弯折时，压缩支架的正面且材料弯折，从而支架正面处的槽325在高度上变短并且变小。相反，可以把支架的背拉伸得更长并且可以弯折该材料，从而支架背面处的槽325变高。在此例子中，因为槽325宽且短，所以它们对水平力更具刚性而对竖直力更具挠性。相比而言，高且窄的槽将对竖直力更具刚性而对水平力更具挠性。因而，可以通过改变槽325开口的布置和尺寸来控制支架310的挠性。

参照图12，在添加槽之前，背支架310设计是这样的实心形式：其是刚性的而不向用户提供任何通风，如CAD软件显示器上所示。可以如上面参照图7所述那样通过向支架设计人工添加槽来形成槽325或其它通风孔。可替选地，也可以通过以更自动化且在时间上更高效的方式组合背支架来添加具有槽的支架310。参照图13，图示了具有预先形成的槽325的材料块327。设计者可以输入支架310的尺度并限定支架310的需要槽325的中央区域。

参照图14，支架310和材料块327由CAD程序虚拟地组合并显示在计算机屏幕上。图示了支架310的上和下部分没有槽而支架的中央部分需要槽与块327相交。设计者于是可以移除块327的在支架310边缘之外的部分。所得到的支架310被设计为具有带有槽325的中央部分，如图11中所示。

在一实施例中，通过改变孔尺寸、形状、取向、材料厚度并且由各自具有不同力学特性的两种或更多种不同材料制造支架，可以将期望的挠性设计到支架中。可以把这些计算整合到CAD软件中以使得通过输入挠性需求，软件可以计算满足结构需求的支架设计的细节。通过遍及支架的形状修改支架的力学特性，支架可以倾向于按照需要沿着特定旋转方向维持刚性、扩张、压缩、旋或弯折。

在一实施例中，支架包括贴合的表面、以水平和竖直“梁”示出的结构组件、以及环绕支架并按照需要提高结构特性的边界。水平梁在此例子中可以向前压缩，因为不存在限制压缩的竖直梁。这将允许前向屈折。然而，支架侧面上的竖直梁限制了横向屈折。沿着支架的脊柱向上延伸的竖直边界轮廓将限制后向屈折。

可以在结构组件之间放置高度穿孔的较薄层。这将不会提供结构影响，但是意在包含病人的组织并且防止皮肤在槽的压缩期间移动到槽中并被夹紧。通风孔小(3/8”以下)，从而减少‘窗口水肿’问题的机会。该层担当某种‘网’以包含身体，同时不影响结构需求。孔可以设计成使得表面容易压缩或扩张。这可以包含：沿着水平轴呈细长状的孔；以及网格图案，其是偏移的(像棋盘，旋转了45度)以使得无竖直梁在网格中产生，从而减损了表面的结构特性。

与先前的支架技术不同，本发明描述了这样的方法：其中由医疗保健专家规定包括弯折和旋转特性的力学特性。还规定了通风的图案。随后，计算机创建支架以满足力学和通风规定，同时也与身体表面的贴合形状匹配并且满足支架的总体几何约束。医疗保健专家选择支架的形状、力学特性，选择穿孔类型或设计。随后，创建这样的支架：其中结构元件的宽度和厚度变化以满足支架的力学和设计考虑。随后，通过添加性制造或任何其它制造方法来制造支架。

在许多支架应用中，支架的内表面必须在不造成皮肤破损的情况下施加压力。必须避免压迫点。高度贴合的支架将使接触应力最小化并由此将使皮肤的破损最小化。然而，在接触点上可能需要更软的材料。除了在内部利用小穿孔使窗口水肿最小化之外，利用添加性制造技术，内表面可以由与外部骨架连续产生以允许内层更加贴合的层压结构构造而成。可以在内壁上打印薄的可偏转贴合层。在其它实施例中，可以向支架添加完全不同的材料。例如，在一些其它实施例中，支架设计和制造可以包括打印的网眼或者在允许压缩和通风的内壁上打印泡沫状多孔材料。内层将通过添加性制造来产生，其中所有层被连续制造。

因而，可以以均质材料或者以材料层压层的复合结构来设计支架。外层可以是担当为身体或肢体提供所需强度的外骨架的强度很高的结构。而支架的内层可以是被设计成促进病人痊愈的硬和软的材料的组合。可以在与骨骼相邻的区域上使用软的柔性材料。骨骼的位置可能在病人移动时改变。因而，使支架的此区域舒适是重要的。相比而言，可以针对身体的较软脂肪和肌肉组织使用较硬的材料。因为这些较软内表面与硬材料相比可能损坏或者可能磨损得更快，所以可以把它们设计成卡入和卡出支架的可更换面板或部分。

支架的透气性是使得本发明的支架更加舒适的另一特征。可以将支架设计为具有贯穿支架的通风通路。因为在CAD系统上设计支架，所以通风孔的位置是已知的并且可以被自动设计到放置在支架中的任何额外衬垫或面板中。在一些情形中，衬垫可以由透气性材料制成，支架的硬实心部分中的通风孔可以向软多孔衬垫的大得多的内表面提供通风。

支架设计还可以通过将梁的竖直和水平取向相组合来控制挠性，支架可以特征在于挠性区域的从一个部分到另一部分的差异，而不危及通风。在一实施例中，材料梁是弯曲的。支架的一部分可以在第一侧面具有更多水平取向的梁而在第二侧面具有更多竖直取向的梁。以此方式，第一侧面将更有可能在压力下压缩和扩张，而第二侧面将不会。第二侧面相比而言将更有可能弯折和担当枢轴。如果例如身体正面的特征在于更多水平取向的梁而侧面的特征在于更多竖直取向的梁，则支架虽然拒绝任何横向屈折，但将允许前向屈折。然而，同时，通风将遍及支架同样均匀。可以把此图示的配置应用于允许向前弯折但是阻止侧面至侧面弯折的背支架。左侧面可以表示支架的正面，右侧面可以表示支架的右侧面。正面中的梁的水平对齐以及侧面处的梁的竖直对齐允许前向旋转但是阻止侧面至侧面的旋转。

本支架发明的基本原理是支架的对称挠性。参照图15，用XYZ坐标系示出了支架410，其中支架的正面面向X轴、左侧面面向Y轴且顶面面向Z轴。在此例子中，支架410是背支架，支架410和病人的下部是静止的。如果病人向左倾斜，则支架410将围绕X轴顺时针弯折，如果病人向右倾斜，则支架410将围绕X轴逆时针弯折。如果病人向前弯折，则支架410将围绕Y轴逆时针弯折，向后弯折将使得支架410围绕Y轴顺时针旋转。如果病人向右扭转，则支架410的顶部将围绕Z轴顺时针旋转，向左扭转将使得支架410的顶部围绕Z轴逆时针旋转。通过知道那些方向应阻止病人的移动，支架410可以在弯折时不对称。

参照图16-18，图示了背支架510的不同视图。图16图示了支架510的前视图，图17图示了侧视图，图18图示了后视图。支架510可以在正面区段以及左右侧的正面部分上配置有水平梁505。因为不应当压缩脊柱，所以支架510的背面可以包括竖直梁507而不具有竖直梁。因为背面比正面更具刚性，所以背面将倾向于弯折但不压缩。相比而言，正面将响应于背面的弯折而扩张或压缩。因为竖直梁507被安置在支架510的宽度上，所以它们可以阻止支架510从侧面到侧面弯折。虽然支架510具有竖直和水平对齐的梁，但这些只表示梁的大致对齐。实际支架的梁将彼此交叉并且成角度或弯折以提供所需方向强度和挠性。

参照图19-21，可以向支架中设计的另一特征是各自悬垂的接触衬垫611的密集网格涉及每个衬垫611为‘中空’，从而给予它环形的形状。这允许接触‘环’615接触皮肤，每个接触衬垫611可以在中央处具有通风孔619。通风孔619向皮肤提供改进的气流。它的‘圆环’形状使得窗口水肿不太可能，因为没有硬边缘按压皮肤而干扰血液流动。较大的接触衬垫611面积将很可能提高对皮肤的舒适度。空气还将围绕每个接触衬垫611流动，并且可以经过穿孔图案经过外壁排空。这将提高对用户的舒适度并且冷却表皮温度。

因为可以将每个接触衬垫611创建为单个回转‘单元’，可以把它创建成使得围绕每个衬垫的‘托’存在‘井’。超出‘井’，壁厚度增长，因为单元的厚部分与相邻单元相交。这允许创建强度相对高的结构，其在期望处(每个衬垫的托周围)是挠性的，而在期望处(每个托之间)强度高。在单个表面中满足强度和柔性。这些点接触通过允许血液流往接触点之间的皮肤来使循环减小了的区域最小化。压缩区域可以因此通过扩散过程来接收血液供给。此策略使皮肤破损的较大缺血区或区域的可能性最小化。另外，通过改变支撑接触点的杆的力学特性，可以使皮肤处剪切应力的量最小化。如果杆是足够挠性的，对于皮肤在支架内的运动，运动将不发生在支架与接触点之间，而是代之以将发生于杆的水平、支架的外骨架外层与接触衬垫之间。通过使剪切和缺血最小化，这种衬垫式结构可以使皮肤破损的可能性最小化。

对于动态支架，可以将这些接触衬垫611构造制造为被附着的结构的连贯体积，或者对于更动态的支架，可以将接触衬垫611打印为通过与外部外骨骼和通风图案连续的离散元件，但是从而除了外骨骼以外的支撑结构和接触衬垫611不接触。由于接触衬垫，这种构造将允许支架的选择区域中的不同运动而不对力学特性有任何影响。

图19-21中图示的衬垫611是支架的内表面的一部分。每个衬垫611在压缩以及水平移动方面是挠性的且可移动的。在一实施例中，衬垫611各自具有耦合到框架的茎621以及接触部分615。当衬垫611被压缩在病人身体的一部分上时，例如当支架被病人磨损时，接触部分615被压缩在茎621上，茎621被压缩在框架629上。茎621可以比接触部分窄得多并且可弯折。当衬垫611的接触部分615水平移动时，茎621将响应于衬垫611移动而弯折。茎621还以如下方式耦合到框架629：茎621可以在相对于框架629的平面垂直的方向上移动。因而，衬垫611可以响应于衬垫611在支架的框架上的任何垂直压缩而移动。在一实施例中，支架的一部分或整个内部表面可以包括所描述的衬垫611。在支架中使用的衬垫611可以都相同或者各自可以具有不同的设计特性。例如，位于诸如皮肤下骨骼的较硬表面上的衬垫611可以具有允许关节和/或骨骼的舒适移动的挠性衬垫611。相比而言，位于身体的较软区域上的衬垫611可以更具刚性，因为软区域可能不需要如此多衬垫。图19图示了单个衬垫611元件的例子的横截面。图20图示了处于直压缩的衬垫611，图21图示了处于对角压缩的衬垫611。在压缩的图示中，茎621响应于施加到衬垫611的压力而弯折。

在其它实施例中，可以使用不同的挠性衬垫设计，包括非圆形表面、不同的弹性茎和不同的通风机构。可以通过衬垫的接触面积以及茎在框架上的弹性系数来量化衬垫的软度或硬度。接触面积大且弹性系数低的衬垫将很软。相比而言，接触面积小且弹性系数高的衬垫将是较硬的衬垫。量化衬垫的软度或硬度的公式是(衬垫表面积)×(茎弹性系数)＝X。例如，如果衬垫面积是1平方英寸且弹性系数是每英寸10lb，则当将衬垫向框架中压缩1/4英寸时，力将是每平方英寸2.5lb。如果将衬垫向框架中压缩1/2英寸，则力将是每平方英寸5lb。可以将每个衬垫的动态硬度/软度特性分别设计到支架中。衬垫面积的范围可以是从约1/4平方英寸到约5平方英寸，茎的弹性系数的范围可以时从约.01lb/英寸到约100lb/英寸或更大。

可以向支架设计添加的其它特征包括允许支架在关节处移动或者打开以更容易附着到身体以及从身体拆除的铰链。铰链可以位于诸如用户膝盖或肘的关节处以使得支架能够与膝盖或肘关节一起移动。为了确定铰链的适当取向，可以以不同关节角度拍摄肢体的一系列照片。例如参照图22，可以利用一个或更多个相机121在膝盖弯折的情况下对腿791拍摄第一组照片。参照图23，可以在膝盖793略微弯折的情况下拍摄第二组照片，参照图24，可以在膝盖793伸直的情况下拍摄第三组照片。通过使用累积数据，设计者可以确定铰链的最准确位置以及每个腿791位置的表面坐标。肘或膝盖不以绕固定轴完美旋转的方式移动，然而设计者可以确定支架的最紧配合旋转轴。一旦确定了最佳旋转轴，设计者就可以将铰链整合到支架设计中。

参照图25-27，铰链830可以是耦合支架801的上部822和下部824的圆形结构。在一实施例中，上部822和下部824通过安置在支架801的相对侧的两个铰链830连接，并且限定旋转轴。铰链830可以包括使铰链830的旋转摩擦最小化并且允许下部824和上部822的平滑移动的承载结构。承载件830可以包括内座圈和外座圈。内座圈可以具有围绕外径延伸的承载表面，外座圈可以具有围绕座圈的外径延伸的承载表面。在座圈之间安置诸如滚珠承载件、滚轴承载件等的承载件。承载材料可以是金属、陶瓷、塑料等。利用表面坐标，设计者可以把承载结构整合到支架的设计中。

为了插入和拆除肢体，支架801可以具有允许用户容易插入和拆除肢体的打开机构。例如，支架801可以沿着长度裂开并被划分成耦合在一起的两个或更多个部分。为了插入肢体，整个支架可以是打开的，并在肢体被插入之后，支架部分8220、824可以围绕肢体固定。在一实施例中，支架801可以在一侧具有铰链826而在相对侧具有闩锁机构828。可以松开闩锁828，从而可以打开支架801。为了使打开铰链适当工作，它必须沿着支架801的长度对齐。更具体地，如果支架801包括膝盖或肘的铰链826，则耦合到上部822和下部824的铰链826必须对齐，从而可以打开支架。在一实施例中，当支架801的上部822和下部824对齐时，打开铰链826对齐。因而，支架801只可当上部822和下部824对齐时打开。

当获得了外表面坐标时，可以把支架的内表面设计成与肢体的外表面匹配。这提供了与损伤的肢体完美匹配的支架或铸件。匹配的表面允许支架或铸件具有更准确和舒适的配合。设计者还可以确定足以支撑和保护肢体的支架的厚度。设计者可以沿着长度把支架分裂成两件以使得可以打开支架并且病人可以插入或拆除肢体。

参照图25-27，系统还可以确定沿着支架801的长度延伸的铰链826的最佳位置。因为外表面不是直的，所以只能沿着直线在支架801的最外部分处安置铰链826。在一实施例中，计算机设计软件将定位优选铰链826位置，该位置可以沿着处于腿的背面处的直线的短距离内的最长线延伸。此配置允许闩锁被安置在腿的正面上，这允许更容易拆除或附着支架或铸件。例如，腿支架的背面处的最长直线可以处于腿的腓部区域的背面处。设计系统将沿着这样的线来整合铰链：该线沿着处于自该线起预定距离(如，1/2至1英寸)内的腓部区域的背面延伸。设计系统可以用填充材料填充支架的弯曲部与铰链之间的间隙。闭合机构可以耦合到支架的相对侧，其可以是闩锁、夹持器、棘轮或其它闭合机构。闭合机构可以是可调整的以使得支架的内部体积可以是可变的。可以紧紧夹持闭合机构以使得如果肢体由于萎缩而变小，也可以使得支架较小以维持适当的配合。可以在肢体由于增大的肌肉尺寸或肿胀而变大的情况下扩张支架。

在一实施例中，臂或腿支架包括相对于彼此围绕膝盖铰链或承载件移动的上和下部。在此实施例中，打开机构可以包括各自耦合到支架801的上和下部的上和下铰链。设计者可以如图25中所示那样将支架801的上部822和下部824与直线818对齐并随后如图26中所示那样在直线818和支架801的相交处插入直铰链826。在此例子中，铰链826具有轴向对齐的两个区段。因而，上部822和下部824必须对齐以打开支架801。沿着支架801的相对侧，设计系统可以如图27中所示那样插入将把支架保持在一起的一个或更多个耦合机构828。

现有铸件的另一问题是它们不允许空气在肢体上循环。这可能不舒适，因为不容易清洁肢体和去除死皮。为了允许肢体上的一定空气循环，可以将支架或铸件设计为具有可以分布在支架表面上的通风孔。许多小孔903可以分布在整个铸件或支架901上并且在内和外表面之间延伸，如图28中所示。这允许支架或铸件901在结构上强度很高，但是仍允许空气在皮肤上循环。内表面也可以具有允许空气在皮肤上流动的表面中的通道或凹槽。

在其它实施例中，可以如图29中所示在支架或铸件912中形成较大的孔914。由于这些较大的孔914下的这些区域将不提供支撑或保护，所以可以把较大的孔定位在支架的不太关键的区域上。例如，可以使用腿支架保护膝盖。因而，通风孔不应当位于意在使支架保护的区域中。除了功能目的之外，可以把孔或任何其它装饰、标识、或者其它特征构建到支架或铸件设计中。

参照图30，在一实施例中，支架901可以具有多个可接近区域902、904、906。接近区域902、904、906根据损伤和病人可以大或小。可以在摄影测量之前在病人上标记不同的区域902、904、906。每个接近区域902、904、906可以附着到允许被支架901覆盖的病人各个部分被接近的铰链912或其它可松开紧固件。可以把接近区域902、904、906策略性地放置在特定的关注区域上，例如，需要清洁或定期检查的受伤区域。在其它实施例中，接近区域902、904、906还可以沿着支架901的整个长度延伸。通过分别打开每个区域902、904、906而身体或肢体的其余部分被支架901保护和固定，可以因为清洁、检视、拆除缝针951或其它原因而接近被支架901覆盖的整个肢体或身体区域。参照图31，在另一实施例中，支架920可以具有单个接近区域922，而支架的上部924的其余部分可以耦合在一起。

参照图32-37，在一实施例中，支架930可以是可以具有如下这种模块化构造的模块化设计：其具有可以从支架911完全拆除的模块化区段。此设计对于诸如前臂的断裂肢体骨骼可能是有用的。铸件是医学领域中公知的。当骨骼断裂时，可以把骨骼设置为减小骨折的尺寸，可以围绕手、下臂和上臂放置铸件。随着臂痊愈，用较小铸件更换和拆除铸件。病人根据断裂的类型可以经历数个铸件更换。这可能很耗费时间，因为必须锯掉每个铸件并且必须在臂或腿上构造新的更短铸件。还如所述那样，利用铸件锯子施加和拆除铸件对可能需要在这些过程期间镇静的儿童很有创伤。

在一实施例中，可以为可具有包括上臂940、护腕942、肘938、下前臂932、上前臂934和拇指人字形绷带936的数个模块化区段的病人设计模块化支架930。可以随着病人痊愈依次拆除各区段。可以在不同模块区段之间的联结处标记病人。通过摄影测量过程检测标记，并向支架930中设计不同的模块区段。因为通常对断裂的骨骼拍摄X射线，所以可以利用摄影测量图像查看此X射线数据，并且可以将支架930设计为具有所需结构完整性以保护身体的损坏区域处的臂。可以如所描述的那样设计支架930，并且可以通过诸如附着到模块化区段或者在支架中形成的螺钉915或任何其它类型耦合件的可拆除紧固件把模块化区段固定到每个相邻区段。

参照图32，如果病人折断臂，则可以在初始时利用从手指延伸至肩的支架930固定整个臂。参照图33，在第一时段之后，可以从上臂模块940拆除护腕942。这允许肘在隔离时段之后屈折。如果把护腕942铰接到上臂模块940，则可以打开耦合件。可替选地，护腕942可以通过尼龙搭扣耦合到上臂模块940并且可以解除尼龙搭扣以拆除护腕942。参照图34，在第二时段之后，可以在对于治疗适当时拆除整个上臂模块940以允许肘屈折。环绕肘并且允许屈折、但是不允许旋转的肘模块938仍然存在。

参照图35，拆除肘模块938而留下‘短臂’铸件以便治疗剩余部分。此上前臂934可以利用铰链912耦合到下前臂932并且可以暂时打开以便检视和皮肤的清洁，虽然它将闭合以在治疗期间保持臂稳定。参照图36，可以在治疗期间的任何时间拆除‘拇指人字形绷带’936，以允许拇指的运动。最后，参照图37，为了额外的稳定性和安全性，在治疗之后在需要的情况下，支架930的下前臂模块932可以保持作为可以通过尼龙搭扣带子保持就位的‘夹板’。

在其它实施例中，可以为损伤的手、脚或腿制作类似支架。例如，当病人弄伤手时，可能在初始时需要把整个手放置在包括用于腕、手掌、手指和拇指的不同模块的模块化支架中。支架还可以包括接近部分。医生可以标记损伤的区域以及接近位置和模块接缝中的每一个所期望的位置。随后可以设计并制造支架。随后将支架组装有所有的模块和任何所需衬垫。随着手痊愈，可以从支架拆除各个模块，病人可以重获手的使用。最终，只有损坏的手指可能需要在支架中直到病人完全恢复为止。因为手具有许多小的组成部分，所以可能难以制作和拆除传统手铸件。本发明的过程大大简化了恢复过程，因为随着病人痊愈，只需要一个支架并且简单地拆除模块。

在指定时间段拆除模块可能对痊愈过程很重要。处于固定状态达延伸的时间段的关节可能变得很僵硬。因而，尽快使关节活动是重要的。可以继续穿戴下臂模块925以支撑病人的臂直到损伤的骨骼完全痊愈为止。本发明的支架具有优于传统情形的许多益处。由于模块被拆除，所以不需要新支架。由于支架模块是可拆除的，所以在必要的情况下病人可以清洁肢体并且医生可以检视肢体。在标记和拍摄损伤的肢体之后，病人不需要留在医院。相比于需要定期拆除和更换铸件而言，在拆除每个区段时节省了大量时间。可以在肢体由于萎缩而皱缩的情况下向支架中插入额外衬垫。最后，如果病人再次折断肢体，则可以在肢体未显著改变的情况下重新使用定制模块化支架。除了是适当尺度之外，支架或铸件还必须对于所需使用而言具有足够的强度。可能需要脚踝支架或行走铸件在行走或跳跃的同时支撑用户的重量和碰撞，且臂支架或铸件必须能够承受正常使用力。在一实施例中，支架或铸件的强度由支架或铸件组件的几何以及用来制造所述组件的材料来确定。合适的材料包括高强度塑料，如高强度聚酰胺金属、合金以及组合物，如环氧粘合剂中的碳纤维。

在另一实施例中，皮肤上的标记可以确定用于骨骼轮廓的衬垫的区域或者用于随着时间添加额外衬垫以维持轮廓的区域。使用此系统，可以通过相同的过程打印贴合的衬垫以配合于铸件内壁内的“配合区域”的界限内。可以制造渐进厚度的贴合的表面衬垫的阵列并利用初始铸件向医疗保健提供者提供所述表面衬垫的阵列。内贴合衬垫可以由可以通过添加性制造技术制造的较软挠性材料制成。

内衬垫可以具有与外骨架的通风孔匹配的多孔性以便改进通风。内衬垫可以具有锁定装置，所述锁定装置被制造到衬垫中以使得它们以正确的取向卡入正确的位置。可替选地，可以使用粘合剂使衬垫附着到支架。因为衬垫和支架是定制制成的，所以可以将它们标记有可以是指示衬垫和支架应当在何处以及可能如何彼此附着的符号、颜色编码或文本的位置指示物。例如，衬垫上的文本可以叙述“通过使连接器附着到衬垫中的孔A来使此衬垫附着到支架的上背区段”。

随着身体痊愈，移动的缺乏可能导致造成身体皱缩的萎缩。因而，第一组衬垫可以是薄的。当原始薄的铸件或支架不再适当地配合时，拆除薄衬垫并更换为较厚衬垫。贴合衬垫的阵列可以包括预期需要的不同厚度。由于存储了用于衬垫的数字设计，所以可以根据所存储的衬垫设计来制造额外衬垫。

可以使用CAD系统设计铸件或支架的负荷承载构件。通常，铸件或支架将比用户所需的强度高得多。在一可替选实施例中，设计者可以把用户的重量和活动水平输入到CAD系统中，随后可以基于预期的负荷来计算所需强度。CAD系统随后可以设计将能够支持负荷需求的负荷承载结构。

可以把医学装置设计为被设计成通过快速成型过程同时制造的单件或多件结构。可替选地，可以把医学装置设计为在使用之前组装的多件结构。此多件构造可能在制造方面效率更高。并非将支架形成为空间效率不高的单件，可以由稍后组装的多个较平坦区段制造支架。当将支架设计为具有大的开放中央体积时，制造机制造支架但是中央体积是空的。在中央体积是空的或者用其它结构填充的情况下，制造机可以以相同的速度和成本工作。因而，通过将支架设计为多个平坦区段，可以按更高效的方式同时制造用于一个或更多个支架的组件。在制造所述组件之后，可以组装它们以形成支架，例如如图10中所示。

一旦完成设计，就可以使用由CAD系统产生的设计数据来制造支架或铸件。因为用于支架或铸件的信息是数字格式的，所以可以在任何地方制造支架或铸件。在一优选实施例中，制造在本地发生，从而病人可以尽快收到支架或铸件。可替选地，病人可以在远程位置，可以将支架或铸件设计信息以电子方式容易地传送给位于更工业化的区域中的制造商。随后可以使用设计数据制造支架或铸件并向位于远程乡村地点的病人运送支架或铸件。

在一优选实施例中，通过使用了针对流体或粉末状材料池的能量束的快速成型过程来制造支架或铸件。类似的制造过程被称为添加性制造、快速制造、分层制造、3D打印、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积制造(FDM)、立体光刻(SLA)、电子束熔炼(EBM)和其它方法。这些制造过程使用偏转地穿过材料并造成被暴露的材料硬化的能量束。另一可能的制造过程是熔融材料沉积(FDM)。

制造机使用横截面设计数据以相继的一系列层构造主要或整个支架或铸件组装件。随着每层材料硬化，定制铸件、支架或装置组件的已完成部分竖直移动到池中，且下一个横截面层形成并熔融到相邻的所形成的层。当所有层都形成时，完成定制铸件、支架或装置组件。该结构可以是单件，也可以是完成装置可能所需要的多件组装件。因为可以精确控制制造过程以创建滑动表面，所以甚至可以与支架或铸件的其它部分同时地制造铰接部分。

在一实施例中，把支架或铸件制造为单个整合结构以使得完成最终产品。如上所述，可以把本发明的支架或铸件的移动组件耦合到具有旋转组件的打开铰链或者肘或膝盖。例如，打开的铰链可以具有：具有在孔内旋转的所需棒的承载组件。快速成型方法可以同时制造棒和对应的孔。

在其它实施例中，可以向铸件或支架添加额外组件以使得组件不在同一材料上滑动。在一实施例中，可以在旋转点处向支架或铸件添加衬套或承载件。衬套可以由诸如不锈钢、陶瓷、聚甲醛或特氟隆的光滑材料制成。在其它实施例中，使用承载件。承载件可以是具有滚轴、针状物、滚珠承载件或任何其它类型承载件的密封部件。承载材料可以是陶瓷、金属或塑料。可以使用已知机构来保留滑动表面之间的承载件和/或衬套。

在另一实施例中，可以通过其它扫描过程获得并向CAD程序中输入身体或损伤肢体的表面数据。例如，可以利用三维光学扫描仪扫描身体或肢体。必须从多侧扫描身体或肢体以获得完整的三维数字图像。扫描仪创建身体或肢体的表面上许多点的几何测量结果的数据集。通过获取身体或肢体的更多测量结果，三维数字图像的细节和准确性得以改进。合适的手持激光扫描仪包括Polhemus的FastSCAN系统和Handyscan的Handyscan 3D系统。光学扫描仪的缺点是它们可能仅检测身体的表面而不检测放置在病人上的标记。而且，扫描可能花费大量时间，因为可能需要在病人的整个身体上移动光束。病人还必须在扫描过程期间保持很静止。如所讨论的，此静止在动物或婴儿未镇静的情况下极其困难。因为这些缺点，摄影测量术是用于获得病人的表面和标记数据的优选方法。

扫描数据被转换成可由CAD程序读取的可用表面文件。更具体地，可以参考根据肢体或身体的扫描得到的表面数据以便通过重构过程外推肢体或身体的形状。重构过程使用这样的算法：其利用来自扫描身体或肢体数据的线连接相邻点(称为点云)，以根据形成多边形模型的许多小多边形形状构造连续表面。重构过程产生的数据是与肢体或身体的表面紧密匹配的连续三维数字表示。用来执行扫描仪数据重构过程的软件的例子是GeoMagic的Geomagic Studio和作为Parametric Technology公司的Pro/Engineer的插件模块的Pro Scan Tools。把肢体或身体的重构表面文件输入到用于铸件或支架设计的CAD程序中。

在一实施例中，使用快速成型机同时制造接合支架或组件。虽然容易同时制造这些部分，但可能难以创建诸如在支架的相对侧面上安置的膝盖关节的部分。在一实施例中，膝盖关节具有可以安装成整合或模块化机构的滚珠承载构造。并非同时制造座圈和滚珠承载件，可以为关节仅制造承载座圈。在制造之后，可以在座圈组件之间插入承载件。承载件提供平滑滑动机构并且还上紧滑动组件之间的配合。如果承载件磨损，则可以更换它们，所以可以修理腿支架。可替选地，承载件可以是可以在磨损时更换和拆除的模块化设计。在又一实施例中，关节可以是也可以在它已磨损时更换的滑动模块化衬套。

如所讨论的，摄影测量术可以检测用来向支架设计者和CAD软件指示病人的额外信息的其它标记。可以在获得膝盖的图像之前指示和确定膝盖的旋转轴。例如，可以在膝盖的任一侧上放置指示轴的细长棒或任何其它标记以指示旋转的轴。将检测棒或标记，CAD软件将把此标记解释成指示旋转的轴。可替选地，也可能可以基于如以上参照图22-24所图示的在多个弯折角度拍摄的膝盖的多个图像得出旋转的轴。可以使用类似标记指示定制支架或装置中需要的任何其它关节的旋转轴。

因为通过关节控制运动范围，所以可以通过在腿支架的膝盖关节中使用阻挡物限制运动范围。在一实施例中，阻挡物可以随着病人痊愈可变和可调整。初始地，可以把运动范围限制到窄移动。随着病人痊愈，可以扩张运动范围直到病人重新获得身体和/或肢体的运动完整范围为止。在一实施例中，可以向运动范围的末端施加抵抗机构。因而，可以通过增加的弹性弹力抵抗最后的预定角度运动。与阻挡物相似，弹性区域随着病人痊愈可变并且通常将扩张。

在一实施例中，CAD系统可以包括设计者容易改变铸件或支架外观的图形用户接口(GUI)。GUI可以是专用、定制、专属应用，或者它可以简单地是Pro/E内部构建的CAD模型。GUI可以具有允许通过优选地与用户的皮肤颜色匹配但是也可以是任何其它颜色的具体颜色查看支架或铸件。

当设计者完成铸件或支架的设计时，可以使用CAD软件产生的设计数据创建唯一和定制制造的支架或铸件。快速成型是使用数字设计数据和软件根据包括金属和塑料的各种类型材料制造组件的系统的通常类别。这些极其最常使用反射穿过流体或粉末状材料堆的能量束。暴露于能量束使得材料熔融在一起和硬化。这些制造机能够创建所有定制铸件或支架组件。

为了通过快速成型机构造铸件或支架组件，可能需要修改CAD设计数据。把组件的正常CAD设计数据转换成沿着组件的长度延伸的向量数据的许多平行横截面。在CAD软件之间传送数据，制造机通过许多连接的三角形面近似组件横截面的形状。较小的面产生较高质量的表面但是需要较多时间计算并且可能创建很大的制造数据集。CAD设计程序的输出可以是作为导出选项的标准STL文件，与JPG导出或任何其它文件格式类似。

把向量数据转换为发送给能量束扫描头的移动信息的快速成型扫描仪控制器读取组件横截面的向量数据。在激光束实施例中，快速成型机包括具有在流体或粉末材料池上在X和Y坐标中反射激光束的两个镜子的扫描头。随后使用制造信息控制打印头横截面以连续创建每个组件横截面。扫描头控制器读取制造数据并且使得打印头把片状材料、粉末或流体的连续层曝光为激光的精确图案。一旦完全形成层，就把组件移动到池中，所以材料的薄层覆盖先前形成的层。在向先前形成的层熔融并且形成新层的情况下重复过程许多次。在电子束实施例中，通过磁场在X和Y坐标中在材料池上反射电子束。按顺序形成组件横截面直到完成组件制造为止。

对添加性制造快速成型的主要优点是创建很复杂的形状和几何特征的能力。可以通过诸如光敏聚合物的塑料材料通过快速成型机构作轻重量和强度高的铸件或支架。快速成型的额外益处是在一个运转的过程中创建复杂、互链接和组装的部分。相比而言，现有技术使用的传统手段需要各个生成许多部分，随之是这些部分的组装件。因而，组装件即使在各个部分自身可能花费很少制造的情况下，也可能添加显著的成本。

可以把快速成型过程应用于包括热塑性塑料、光敏聚合物、金属粉末、共晶金属、钛合金和其它材料的各种材料。因为本发明的铸件或支架旨在便宜，所以优选的材料是热塑性材料。一些合适快速成型机的例子包括：EOS GmbH的激光烧结机、Arcam AB的电子束烧结机以及3D Systems公司的选择性激光烧结机和激光立体光刻机。类似制造过程已知为名称：添加性制造、快速制造、分层制造、3D打印、激光烧结、电子束熔炼(EBM)等。这些制造过程中的所有制造过程使用在材料池上扫描能量束的类似操作原理固化材料的精确图案以形成每层直到整个组件完成为止。

另一可能制造过程是熔融材料沉积(FDM)。FDM通过分层放下材料在“添加性”原理上工作。塑料丝或金属线不从线圈卷绕并且向可以开启和关闭流动的挤压喷头提供材料。喷头被加热以熔化材料并且可以通过数值受控机构(通过CAD软件直接控制)在水平和竖直方向上移动。以与立体光刻类似的方式，随着塑料在从喷头的挤压之后立即硬化根据层构建模型。

可以在按顺序的过程中制造本发明的支架或铸件。在一实施例中，可以拍摄并且通过参考点标记病人的肢体或身体部分。处理照片并且三角测量参考点以创建肢体的3-D表面数据文件。照片可以包括各种位置中肢体的数据，可以使用照片确定移动膝盖或肘的位置。设计者可以向支架或铸件添加诸如打开铰链、闭合机构、装饰特征、膝盖或肘旋转机构的额外特征，随后把最终设计转换成电子数据文件。可以在根据光敏聚合物材料的单个制造过程中，把支架或铸件数据文件传送给创建支架或铸件的快速成型机。可以在制造商设施处安装诸如衬套、承载件或脚掌插入件的所需任何额外组件。随后把完成的支架或铸件传递给末端用户。由于可以经由邮件在数字媒体上、经由单元或卫星以电子方式传送数字数据，所以本发明的过程大大改进了铸件或支架的分发、制造和设计。

将理解，已参照特定实施例描述了本发明的系统，然而可以在不脱离发明系统的范围的情况下对这些实施例做添加、删除和改变。例如，可以把对于设计和制造身体或肢体支架描述的相同过程应用于如下内容的构件和设计：肩人字形绷带、臀人字形绷带、人字形绷带铸件、Pavlik支架、内翻足铸件、跖骨内收铸件、Blount病铸件/支架、脚踝脚矫形器、儿科脚踝铸件、儿科行走铸件、脊柱TLSO铸件、绕环身体铸件、颈椎套、斜颈支架和其它医学装置。在其它实施例中，可以把本发明的过程用于人类使用的其它产品，包括：定制椅子、座椅、鞍、运动器材、鞋、衬垫、头盔、摩托车和自行车座椅、车把和把手等。也可以把描述的设备和方法用于骑手和马的定制鞍以及动物的铸件和支架。也可以把描述的设备和方法用于其它应用，包括：汽车车身修理以及需要表面轮廓重现的其它物体的重构或修理。在一实施例中，可以使用本发明的过程修理或更换诸如珠宝的特殊设计物品和雕塑。可以通过艺术家制造并随后拍摄这些物品，可以存储数字表示。如果物品损坏、丢失或破裂，则可以使用数字数据制作模子以重现或修理物体。虽然已描述的定制铸件、支架和装置包括各种组件，但很好理解，可以在各种其它配置中重新布置和修改描述的配置和这些组件。

Claims (22)

1.一种用于设计支架的方法，包括：

在病人的身体上创建墨标记以指示所述支架的边缘的位置；

获得所述墨标记和所述身体的多个数字照片；

使用摄影测量过程或图像关联过程处理所述数字照片以获得所述支架的所述边缘的所述位置以及所述身体的表面的数字表示；

在计算机存储器中存储所述支架的所述边缘以及所述身体的所述表面的所述数字表示；以及

在计算机上创建所述支架的设计，所述支架的所述设计具有外表面、与所述身体的所述表面对应的内表面、以及与所述墨标记对应的所述支架的所述边缘。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建所述墨标记之前用贴合材料覆盖所述身体。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨联结标记以指示所述支架的第一模块和第二模块之间的接缝的位置；以及

调整所述支架的所述设计以在所述身体上的所述墨联结标记所指示的所述位置处并入所述支架的所述接缝。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨孔标记以指示孔在所述支架中的位置；以及

调整所述支架的所述设计以在所述身体上的所述墨孔标记所指示的所述位置处并入所述孔。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨敏感区域标记以指示敏感区域的位置；以及

调整所述支架的所述设计以在所述身体上的所述墨敏感区域标记所指示的所述位置上并入凹陷区域。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

输入所述支架的挠性特性；以及

调整所述支架的所述设计以并入所述支架的所述挠性特性。

7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

创建墨关节标记以指示关节在所述身体上的位置；

确定所述关节的旋转轴；以及

调整所述支架的所述设计以并入与所述墨关节标记在所述身体上的位置相邻的铰链，并将所述铰链与所述关节的所述旋转轴对齐。

8.一种用于设计定制装置的方法，包括：

在病人的身体上创建墨标记以指示所述装置的边缘的位置；

捕捉所述墨标记和所述身体的多个数字照片；

使用摄影测量过程或图像关联过程处理所述数字照片以获得所述装置的所述边缘的所述位置以及所述身体的表面的数字表示；

在计算机存储器中存储所述装置的所述边缘以及所述身体的所述表面的所述数字表示；以及

创建所述装置的设计，所述装置的所述设计具有外表面、与所述身体的所述表面对应的内表面、以及与所述墨标记对应的所述装置的所述边缘。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建所述墨标记之前用贴合材料覆盖所述身体。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨特征标记以指示特征在所述定制装置上的位置；以及

调整所述定制装置的所述设计以在所述身体上的所述墨特征标记所指示的所述位置处并入所述特征。

11.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨孔标记以指示孔在所述定制装置中的位置；以及

调整所述定制装置的所述设计以在所述身体上的所述墨孔标记所指示的所述位置处并入所述孔。

12.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨敏感区域标记以指示敏感区域的位置；以及

调整所述定制装置的所述设计以在所述身体上的所述墨敏感区域标记所指示的所述位置上并入凹陷区域。

13.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

输入所述定制装置的挠性特性；以及

调整所述定制装置的所述设计以并入所述定制装置的所述挠性特性。

14.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

创建墨关节标记以指示关节在所述身体上的位置；

确定所述关节的旋转轴；以及

调整所述定制装置的所述设计以并入与所述墨关节标记在所述身体上的位置相邻的铰链，并将所述铰链与所述关节的所述旋转轴对齐。

15.一种用于设计定制装置的方法，包括：

在病人的身体上创建墨标记以指示身体结构的位置；

获得所述墨标记和所述身体的多个数字图像；

使用摄影测量过程或图像关联过程处理所述数字图像以获得所述身体结构的所述位置以及所述身体的表面的数字表示；

在计算机存储器中存储所述身体结构的所述位置以及所述身体的所述表面的所述数字表示；以及

创建所述装置的设计，所述装置的所述设计具有外表面、与所述身体的所述表面对应的内表面、以及与所述墨标记的所述位置对应的所述装置的特征。

16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

在所述身体上放置所述墨标记之前用贴合材料覆盖所述身体。

17.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨孔标记以指示孔在所述定制装置中的位置；以及

调整所述定制装置的所述设计以在所述身体上的所述墨孔标记所指示的所述位置处并入所述孔。

18.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

在所述身体上创建墨敏感区域标记以指示敏感区域的位置；以及

调整所述定制装置的所述设计以在所述身体上的所述墨敏感区域标记所指示的所述位置上并入凹陷区域。

19.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

输入所述定制装置的挠性特性；以及

调整所述定制装置的所述设计以并入所述定制装置的所述挠性特性。

20.如权利要求15所述的方法，进一步包括：

在创建所述装置的设计之前用编码墨标记来标记所述身体；以及

识别所述编码墨标记。

21.如权利要求20所述的方法，进一步包括：

提供与所述编码墨标记的标识对应的所述定制装置的所述设计的特征。

22.如权利要求20所述的方法，进一步包括：

提供与所述编码墨标记的位置对应的所述定制装置的所述设计的特征。

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