CN103118641B - 具有开窗、有限柔性和模块化构造的定制支架、石膏和装置及其设计和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于定制支架以及制造定制支架的方法，包括利用参考点和/或其它指示器来标记身体。然后从不同角度获得身体的多个彩色或红外照片。照片被用于确定身体的拓扑数据并且识别标记的位置。拓扑数据和标记然后被用于设计定制支架。

Description

具有开窗、有限柔性和模块化构造的定制支架、石膏和装置及其设计和制造方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2010年6月22日提交的美国专利申请12/820968的名称为ModularCustomBraces,CastsAndDevicesAndMethodsForDesigningAndFabricating、2010年6月25日提交的美国专利申请12/823512的名称为CustomBraces,CastsAndDevicesHavingFenestrationsAndMethodsForDesigningAndFabricating、以及2010年6月25日提交的美国专利申请12/823626的名称为CustomBraces,CastsAndDevicesHavingLimitedFlexibilityAndMethodsForDesigningAndFabricating的优先权。美国专利申请12/823512、12/823626、12/820968的内容通过引用而结合在本文中。

背景技术

有很多不同类型的支架和石膏用于在恢复过程中保护身体的一部分。支架用于限制关节的运动，并且可用于防止损伤或通过防止与损伤有关的运动而允许关节痊愈。常见的关节是弹性的，由伸缩材料制成，或是包括一些硬成分的铰链式。弹性的支架通常由纺织材料，诸如棉花、莱卡、尼龙，或者提供非常高的透气性和穿着舒适感的其它混合物制成。这些支架与手肘、手腕、腿和膝盖相合，提供自然的移动自由度。支架通常是现成的产品，其利用带子固定到病人的身体上。支架能够具有放置在病人的身体和更为刚性的支架结构之间的垫或其它缓冲。柔性的现成支架提供不昂贵的模式，用于限制运动并增加对目标身体部位的支撑。然而，柔性材料的使用和通用的尺寸设定限制了现成的支架能够提供的控制的量。对于给定的个体，“现成”支架提供有限的相合性。旋转轴线相对于天然关节轴线不精确地定位，并且在位置、相合性和运动控制方面要求更大精确性的运动支撑情况的临床范围不那么有用。

铰链式支架通常比弹性或氯丁橡胶支架提供更大的支撑和稳定性。铰链式支架是一系列运动支架的子集。对于很多摩动关节诸如膝盖和手肘的康复或治疗，在受伤、手术或治疗之后早期需要运动，以便获得良好的临床和功能性结果。运动支架对受伤的关节提供支撑，同时由健康护理提供者建立运动限制，以允许在合适的平面中受控的运动。没有早期运动，则导致僵硬，长期的运动范围减小，并且临床结果不是最优。铰链式膝盖支架是动态支架的示例，其运动以便在受伤或手术之后对膝盖关节提供增加的支撑。铰链式膝盖支架用于膝盖内或者基于围手术期的韧带受伤的治疗。它们最常用于膝盖中的前十字韧带受伤和内侧副韧带受伤的治疗。这些支架还被伤后的运动员基于保护使用，以及被诸如橄榄球前锋基于预防来使用，它们按惯例带支架用于保护。康复性可移除膝盖支架还可用作一系列运动支架。这些支架具有结合到支架中的铰链，其能够指定和限制弯曲和伸展运动的程度。这些还可以借助“落锁”机构而锁定到完全伸展。这些一系列运动支架通常用在创伤或重建设置中，其中运动范围必须以受控的设置推进。其它动态夹板提供施加给关节的额外的应力，以在关节痉挛固定中获得增加的运动。这些支架在运动的极限处施加额外的力，以便辅助拉伸关节。

与支架或夹板相反，石膏通常是周向装置，用于稳定和保护肢或身体部位。骨科石膏是周向的外壳，通常由灰浆或纤维玻璃制成，围绕肢，或在一些情况下，围绕大的身体部分，以将摔断骨头保持就位，以允许愈合。上肢石膏围绕手臂、手腕和/或手。长臂石膏从手至腋窝以下大约2英寸围绕手臂，使手指和拇指是活动的。相反，短臂石膏仅停止在手肘以下。依赖于受的伤和医生的决定，两种类型可以都包括一个或多个手指或拇指，在这种情况下，其被称为手指人字石膏或拇指人字石膏。下肢石膏类似地分类，围绕脚和腿的石膏称为长腿石膏，而仅覆盖脚和膝盖以下的小腿的称为短腿石膏。在恢复期期间可以对期望以稳定的肢来行走的病人施加步行足跟，或者提供帆布、皮革或橡胶石膏鞋（称为承重）。当病人不以受伤的肢行走时，可以提供拐杖或轮椅。如果提供头尖铁片的话，腿石膏的底部还可以延伸到脚趾尖。可以进行这种增加，对跖提供支撑并且稳定跖，并且保护脚趾不受到额外的创伤。这对于摔断的脚是常见的治疗。在一些情况下，石膏可以包括上臂和下臂以及手肘，但不覆盖手腕和手，或者可以包括大腿和小腿以及膝盖，但不覆盖脚和脚踝。这样的石膏可以称为筒状石膏，或者就称为长臂石膏或长腿石膏。

骨科石膏通常是单次使用、不可移除的装置，其周向地应用于病人，并且不应被病人移除。通常，石膏的任何移除扰乱下面的棉花层的相合性，并且导致装置的移位。结构构件不是周向的稳定装置称为夹板。它们通常将刚性施加给身体部分的一部分，但允许在其它平面中运动、膨胀或调整。

石膏通常由医师或石膏技术人员按层来施加。将接受石膏的身体部分起初以薄的纺织棉花层或松紧织物来覆盖。该部分然后以薄的松弛的棉花包层来外包覆，棉花包层是例如按层施加的Webril。尝试尽可能均匀地施加棉花，因为任何折起或不完美都可能成为一旦施加了硬外壳后将来皮肤溃烂的原因。通常，较大量的棉花填充层应用在石膏的末端区域上。骨头突起处也接受额外的垫充。一旦施加了垫充，则身体部位以灰浆或纤维玻璃来包覆。这些材料是自固定的，在围绕身体部位包覆之前浸入水中而激活。石膏是周向装置，灰浆/纤维玻璃被施加作为身体部位周围的包层。然后医师将模具施加给石膏，尝试使石膏相合，并且将身体部位支撑在临界平面中。例如，在骨折的治疗中，通常，三点模具被施加在骨折可能失稳或变型的平面中，以便防止位移。由于石膏是环绕式的，周向应力将使石膏尺寸在垂直于模具的平面中扩展。石膏的控制依赖于从业者的技能、施加的垫充量、材料上的张紧的量、在固定过程期间石膏的适当成型。一旦石膏已经固定，则石膏可以被修整，额外的垫充可以施加到边缘，如果处理尖锐的边缘需要的话。

石膏的不完美施加与多种复杂因素有关，包括皮肤的溃烂、不舒适、急救室的访客、隔室并发症、固定的失去或骨折减少、骨折的畸形愈合、对于手术介入的需要、神经受伤、脉管受伤。利用移除修改石膏和施加新石膏经常发生，并且与显著成本和病人的病症相关联。

覆盖身体躯干并且在一些情况下达到颈部或包括头或一个或多个肢的躯干石膏当今对于成年人较少使用，但继续常见地用于治疗儿科的情况。躯干石膏围住病人身体的躯干，并且可以具有延伸超过肩的部分。躯干石膏通常称为石膏背心。包括身体躯干和一个或多个肢的石膏以及包括臂的“躯干”以及一个或多个手指或拇指的石膏称为人字石膏。例如，肩人字石膏包括身体躯干以及一个手臂，通常到达手腕或手。肩人字石膏当今较少使用，已经被允许伤处的早期活动以便避免愈合之后的关节僵硬的特殊夹板和吊带所取代。髋部人字石膏包括身体的躯干和一个或多个腿。仅覆盖一条腿至脚踝或脚的髋部人字石膏可以称为单髋部人字石膏，而覆盖两条腿的髋部人字石膏则称为双髋部人字石膏。一又二分之一髋部人字石膏围绕一条腿至脚踝或脚以及另一条腿至膝盖上方。髋部人字石膏覆盖躯干的程度很大程度上取决于受伤处和外科医生。例如，人字石膏可以仅延伸到肚脐，允许脊柱的活动性并且使得能够借助拐杖来走动，或者其可以延伸到胸廓或者在一些少见情况下甚至延伸到腋窝。髋部人字石膏之前常用于减少股骨骨折，但如今它们常用于小儿髋部情况的治疗。在一些情况下，髋部人字石膏可以仅从一个或多个腿向下延伸至膝盖之上。这种石膏称为马裤石膏，用于稳定受伤的腰脊柱或骨盆，这种情况下，石膏的躯干部分通常延伸到腋窝。

躯干石膏通常在使用特殊框架和使用多个技术人员或医师的情况下应用。病人如果是成年人可能需要镇静剂。对儿科病人施加躯干石膏或髋部人字石膏通常需要全身麻醉，并且在手术室中施加石膏。躯干石膏和髋部人字石膏通常穿戴6至12周的时间。更换装置的需要可能导致额外的成本和病症。对于儿科人字石膏来说，卫生是困难的问题，因为支架的污损是经常发生的。除了医疗原因之外，需要全身麻醉来更换石膏对更换石膏是强烈的反激励。

用于保护受伤的脊柱或作为对脊柱变形如脊柱侧凸的治疗而使用的其它躯干石膏包括Minerva石膏和Risser石膏。Minerva石膏包括身体的躯干（有时仅向下延伸至胸廓）和病人的头，为病人的脸、耳朵、及通常头的顶部和头发提供了开口。Risser石膏是类似的，从病人的髋部延伸到颈部，有时包括头的一部分。

石膏通常由灰浆制成，包围肢和/或躯干。灰浆绷带包括已经用熟石膏浸渍的棉花绷带，该熟石膏在湿润之后变硬。或者，在石膏中经常使用由合成材料制成的绷带。例如，石膏经常由利用聚氨酯浸渍的编织纤维玻璃绷带制成，有时由热塑性塑料绷带制成。这些合成材料石膏比灰浆石膏更轻并且干燥得比灰浆石膏快得多。

因为石膏直接应用于病人的身体，因此它们具有定制的配合。相反，用于常见医疗创伤或情况的大部分支架是现成的物品，其被调整以适配于病人。对于较为严重的受伤、慢性情况或围手术期的稳定，需要更大的支架控制和相合性。这些病人需要使用定制的支架，它们通常由诸如修复学家和矫正学家等专家制作。这些专家通常取得病人的模具，从该模型他们能够制造病人的实在的模型。在该实在模具周围，修复学家可以在实在模型周围包覆材料，这些材料可以用于构成定制的装置。垫充和加强的量基于矫正学家的临床经验和支架制造的工艺。当设计好定制的修正、支架和矫正之后，医学从业者经常依赖于他们的手来感觉病人的软组织和骨结构。从业者识别出在组织之下感觉到的骨头凸起，并且将这些位置标记为坐标参考点，然后他们使用这些坐标参考点来产生用于身体的定制装置。从业者对病人和病人的模型反复地进行工作，以产生支架，该支架与病人相合，且具有对于其临床应用必要的合适垫充和支撑。

对于传统的支架制造方法有很多限制。整个过程是非常劳动力密集且效率差的。设定尺寸和制造方法的限制对于终端产品有限制。制造限制对设计选择、以及终端产品的功能性有限制。定制装置是劳动力密集的，并且它们在几何复杂性方面受到限制。定制装置还可能是高度不精确的，因为它们是手工制造的，并且可能仅模糊地表示了病人的身体。手动制造的工艺还不允许对定制装置的特殊调整，特殊调整可以包括间隙，或用于痛处、疹子、胎记、胎块、乳头、缝线、伤痕或可能需要特殊间隙或避免接触的皮肤上的其它区域的定制窗口。需要设计支架的改进的系统和方法，该支架更为精确地适配于病人、更薄、更强、更舒适并且可选择性地为柔性。

发明内容

本发明涉及基于来自病人的扫描数据制造定制支架、石膏或装置的过程，该定制支架可以在支架结构和病人之间包括垫充。在一个实施例中，使用照相测量过程，其中，从病人的多个照片获取病人的表面数据。为了精确地测量病人的表面，能够以各种不同方式将参考点施加到病人的皮肤上。在每个照片中，表面应该具有至少十二个良好分布的参考点，对象的整个表面上应该具有至少二十个参考点。越多的参考点将导致对象的越精确的测量。标记可以是由墨水形成的点、标签或直接放置在病人身上或形状适配覆盖物（诸如由病人穿的松紧织物）上的其它标记。在一个实施例中，形状适配覆盖物的布料可以被印刷有点、有纹理的垫或相互交叉的线的网格，使得一旦病人穿上该覆盖物，则病人将具有一组参考点。在又一实施例中，光投射器可以用于将可视图案或红外光投射到病人身上。光图案可以是一系列斑点，相交线的网格或允许病人身上的点图像被检测的任何其它图案。病人身上的可见光或不可见光用作标记，其可以是白色或彩色光标记，它们被利用投射器投射到病人身上。可能需要多个投射器或镜子将光投射到病人的所有要求的表面上。光可以包括可见光或不可见光，诸如红外光（IR）。

除了用于获得病人身体表面的表面轮廓的参考点之外，医生或从业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端部边缘，垫充区域，骨头突出，皮肤的敏感区域，孔，窗口，病态部位（骨折或手术部位区域），下部的结构（先前的脊柱棘突和脊柱对准），支架不应该根据病人的轮廓来精确地制造的凹入区域，以及在支架中形成的其它特征。标记可以是直接制在病人身上或者在病人穿的形状适配覆盖物上的墨水标记。与参考点相似，额外的标记必须提供清楚可见的对比度。标记可以由颜色或以另一方式编码，以指示要在标记上形成的特征的类型。不同的编码还可以用于指示识别的区域的变形的程度或量、窗口的类型或其它支架特征。标记可以是提供额外信息的三维对象。例如，杆、箭头或其它对象标记可以指示关节或其它特征的旋转轴线。

在病人被标记之后，需要石膏或支架的病人身体的一部分被放置在一个或多个静止的彩色和/或IR摄像机之前。摄像机可以面对病人身体的一侧或多侧，并且可以彼此隔开已知的距离。在一些实施例中，一组彩色和/或IR摄像机可以被布置在病人周围，使得可以取得围绕一周的身体的完整一组静止图像或照片。在优选实施例中，摄像机以每组两个摄像机布置。两个摄像机可以安装在托架上，该托架使得摄像机彼此隔开。两个摄像机瞄准相同的大致方向，朝向病人或病人的肢，但偏离开一个角度。在优选实施例中，摄像机镜头可以在第一平面中彼此平行，并且在第二平面中角度朝向彼此。分隔开及其角度允许两个摄像机各拍摄包括病人身体的相同部分的照片，但是从稍微不同的角度。从照片三角化身体上的参考点，以获得表面轮廓。如果需要围绕整个病人的照片，则可以在病人周围布置三组或四组摄像机并且朝向病人。彩色和/或IR摄像机可以联接到单个的开关，该开关造成所有的摄像机被同时地致动。摄像机还可以联接到闪光灯机构。一个摄像机的闪光灯可以由正在被致动的一个摄像机的快门来触发。瞄准病人的其它摄像机可以包括光传感器，这些光传感器造成它们的快门响应于光闪而被致动。因此，第一摄像机的致动将立即造成所有其它摄像机被致动。或者，彩色和/或IR摄像机可以是包括IR光源的光学装置的一部分。这些光学装置可以安装在病人周围，其可以被致动以顺序地取得病人的彩色和/或IR照片。由于所有的照片在几分之一秒之内拍摄，因此身体可以被放置在摄像机之前或摄像机之间，通常没有必要稳定病人或者将身体或肢保持静止一段较长的时间。

该快速图像获取特征对于儿科医疗装置或兽医装置尤其重要，诸如儿科人字绷带石膏或动物用支架。对于其它类型的扫描过程来说，使婴儿或动物保持不动可能非常困难。对于大部分的儿童和动物来说，石膏和支架是难受的经历，其与很大的痛苦和病状相关联。石膏和支架的施加和移除都与不舒适相联系。对于很多应用来说，在施加石膏时，儿童和动物需要镇静或麻醉。例如，最通常的是，在手术室中在病人被诱导睡眠时，对病人施加髋人字绷带石膏。

获取儿童解剖结构的三维图像需要儿童在扫描期间保持不动。否则，儿童将需要镇静。对于大多数儿科应用来说，仅照相测量将提供几乎是瞬间的三维图像获取。将标记和照相测量进行组合，儿童可以经历虚拟的支架适配，同时最小化了对镇静或麻醉的需要，并且降低了所承受的痛苦。因为很多的婴儿具有大量的婴儿脂肪，因此对于识别下面的解剖结构的位置来说，婴儿的标记可能是最有效的方式。该技术的常用应用包括但不限于：儿科人字绷带石膏，Pavlik支架，畸形足石膏，跖骨内收石膏，Blounts病石膏/支架，脚踝矫正，儿科踝石膏，儿科行走石膏，脊柱-TLSO支架，环型身体石膏，颈圈，斜颈支架和其它医疗装置。通过从图像获得数据，不需要使婴儿或动物保持不动一段较长的时间。

在另一实施例中，单个3D摄像机可以通过单个摄像机同时拍摄多个偏离轴线的图像。单个摄像机可以在胶卷的单个帧上获取多个图像。多个图像可以用于获取3D图像。如果病人保持非常静止的话，还可以利用围绕病人移动的单个摄像机获取病人的多个图像，以便在多个角度获取多个图像。单个摄像机还可以联接到镜头系统，该镜头系统能够从适当的角度和位置获取病人的图像。

为了获得精确的表面位置，身体上的每个参考点可以在两个或更多个彩色和/或IR照片或图像中是可见的。这些图像被计算机表面重构程序所分析。该程序可以通过照相测量术（也称为数字图像相关法）对参考点进行三角化，以确定身体的表面几何形状以及将来自多个照片的表面数据连接起来。除了参考点之外，标记在病人身上的装置的其它特征也在图像中显示出来，并且对于CAD程序操作员是可见的。特征可以包括支架或装置的边缘，孔，垫，窗口，铰链，不同的材料以及其它特征。系统操作者或CAD软件可以识别这些特征并且将这些特征添加到支架或装置的标记的位置。通常，当需要支架或石膏时，病人承受一些内损伤，诸如MRI或X射线的额外的信息可能有用。在一个实施例中，照相测量可以与MRI或X射线数据结合以识别需要接触的位置或区域，或者对磨损敏感的骨头的位置。通过结合MRI和/或X射线数据，装置可以更为精确地制造。在所有平面中精确地识别关节的旋转轴线以获得运动支架的更为精确的范围方面，使用来自其它模块的数据尤其有用。

除了标记在照片中的特征之外，设计者可以使用系统添加额外的特征，包括通风孔，柔性垫，缓冲凹部，柔性槽等。设计者还可以指定支架或装置的材料和厚度。在一些应用中，设计者可以指定在支架中使用的多种材料。在需要结构强度的区域中可以指定强的和硬的材料，而在需要柔性和/或缓冲的区域上可以指定柔性材料。支架的设计是一个数据文件，其包括装置的物理尺寸，其具有与照相测量过程所确定的身体轮廓匹配的内表面和其它特征。

在一些情况下，支架或装置可能不匹配扫描的表面数据。例如，病人可能具有脊柱侧凸并且可能需要矫正后背支架。支架可以用于矫正后背的弯曲，降低变形。可以取得后背的照片，获得表面数据。然而，不是设计使用检测的脊柱位置的后背支架，后背数据可以被修改以帮助后背变直。在该实施例中，可以使用软件来设计比测量的后背更直的后背支架。系统可以获得脊柱的整体长度和弯曲的测量值，操作者可以将支架设计调整得更直。在一个实施例中，对于后背支架的尺寸，医师可以标记脊柱侧凸病人的脊柱棘突。然后通过照相测量来拍摄后背的弯曲和脊柱棘突的位置。然后提供者可以矫正支架的形态，调整弯曲参考点以提供矫正的模制支架。支架和正常的后背位置之间的实际差异可以由病人的医生来指定。

除了扫描的表面数据和装置特征之外，CAD系统还可以将柔性和通风孔设计到装置中。设计者可以选择用于装置的一个或多个材料，CAD系统可以知道这些材料的机械性质。然后操作者可以输入柔性特性，其在一个旋转或弯曲方向包括柔性，在第二旋转或弯曲方向更为刚性。所设计的柔性还可以包括对于装置的不同区域的多个柔性特性。例如，装置的第一区域可以具有第一弯曲柔性和第一轴向旋转柔性，装置的第二区域可以具有第二弯曲柔性和第二轴向旋转柔性。装置还可以被设计为具有方向性的柔性，意味着装置可以沿着特定的方向弯曲、旋转或以其它方式变形。例如，在X、Y和Z坐标系统中，带方向的柔性可以允许绕着X轴线弯曲或旋转，但在其它方向较硬，以抵抗绕着Y轴线和/或Z轴线的弯曲或旋转。CAD系统可以用于将孔设计到装置中，其为装置提供计算的柔性。将影响柔性的因素包括材料特性，材料厚度，孔尺寸，形状和定向。为了提供柔性之外，孔还将为病人提供通风，这也将增加舒适度。在一个实施例中，可以通过使装置移动给定的偏转距离或弯曲角度所需要的弯曲力或使得装置的一部分旋转给定的旋转角度所需要的旋转转矩来量化柔性。

装置的额外特征包括模块化结构。当用于肢（例如前臂）的摔断的骨头时，这是有用的。本发明的模块化支架或石膏可以设计用于病人，其具有若干模块化的部分，这些部分随着病人痊愈可以相继地被移除。医生可以标记病人以指示不同的模块化部分，模块化部分的标记将被照相测量所检测并且支架可以被设计带有标记的模块化部分。然后可以制造支架，并且利用关节机构或任何其它类型的可移除紧固件来将不同的模块彼此固定，使得不同的部分能够随着病人痊愈而分别地移除。如果病人摔断了臂，则整个臂初始可以用从手指延伸到肩膀的模块化支架来稳定。在大约2-3周的第一时间段之后，上臂模块可以被移除。在大约2-3周的第二时间段之后，手肘和/或拇指模块可以被移除。下臂模块（短臂石膏）模块可以被穿戴，以支撑臂，直到骨头痊愈。由于模块被简单地移除，石膏不被破坏，并且不需要新的石膏。这对病人和医生是非常有利的，因为需要更少的时间和资源。可以为受伤的手、腿或脚制造使用类似的模块化支架。随着病人痊愈，支架的各部分可以被移除，允许舒适性、移动和通风。

模块化的设计或者使用多种材料设计的设计还可以用于生长中的儿童所穿戴的支架。胸腰骶矫正（TLSO）支架可以用于各种类型的后背受伤，包括脊柱受伤和脊柱弯曲侧凸。后背支架可以配合于儿童病人达到若干个月或更长。然而，为了舒适，支架必须能够适应于儿童的生长。随着儿童生长，髋部周围的骨头也将生长，如果没有柔性或模块化的设计，儿童将定期地需要全新的支架。这种生长将需要在每当更换支架时重新适配该病人。为了防止或最小化更换，支架可以被设计为带有柔性部分和/或模块化构件。例如，后背支架可以被设计为在髋部周围带有柔性或弹性的模块化部分，其允许生长。当髋部模块不再能够容纳病人时，该模块化的髋部部分可以用适当地适配病人的另一个髋部模块来更换。然后，该模块化的髋部部分可以附接到支架的其余部分上并且被使用，直到儿童的生长需要另一个更换模块。

模块化在病人的最终适配方面也是很重要的。后背支架的特定区域可能经常难以适配于病人。打印或构造支架是昂贵和费时间的。如果支架在特定区域不是非常适配，则使用模块化的板允许支架的不适配的部分被专门地更换，而不需要更换整个构造。模块化设计还允许更有效率的打印。

在一个实施例中，连接器机构可以被结合到模块化支架设计中。连接器机构能够以刚性的方式可释放地联接模块化支架的不同部分。连接器可以是薄的，并且与支架的厚度基本上相同。不是平面状的，连接器的内表面可以是弯曲的，以与支架和病人的拓扑结构相合。在一个实施例中，连接器可以包括多个凸片，该多个凸片从模块化支架的第一部分的内表面和外表面延伸，并且连接器包括形成在模块化支架的第二部分的内表面和外表面中的凹槽。凹槽的形状可以对应于凸片的形状。凸片中的一个或多个可以具有卡齿，其将第一连接器机构坚固地锁定在一起。

在又一实施例中，支架或石膏可以被设计为具有多个可进入的区域。每个区域可以附接到铰链或其它可释放的紧固件，允许病人进入支架的部分。这可以在感兴趣的特定区域之上设计，例如需要被清洁或定期检查然后再次保护的伤口区域。通过将多个这种可进入区域彼此相邻放置，通过分别地打开每个区域可以清洁身体，而身体的其余部分被保持在装置中。本发明的支架允许改善的舒适性和卫生性，同时仍然在痊愈过程中保护病人。例如，医疗过程可能需要将销或其它对象放置到病人体内。可能需要避免与这些区域接触并且允许检查这些区域。通过在这些区域上使用进入区域，医生将可以检查该区域以确保病人正良好地痊愈。可进入区域特征对于需要经常被清洁的婴儿来说可能也特别有用。本发明的支架可以被设计为带有下躯干区域的入口，允许儿童被清洁。该区域可以被打开用于清洁，然后在完成清洁之后被关闭。该设计与必须部分地被锯开以接近儿童来清洁的石膏相比有很大改善。

在一个实施例中，支架或石膏具有与肢的扫描表面相合的顺滑内表面。因为支架的内表面精确地与病人相合，因此支架可以被病人穿戴而不需任何垫充。支架可以由硬塑料材料制成，支架的内表面还应该非常顺滑。为了舒适，内表面可以具有少于500Raμin的表面光洁度。可以被病人穿戴而不需要垫充的支架或石膏有若干优点，包括：简化的支架设计和构造，较轻的重量，更为节制，更好的通风，不吸收水，更容易清洁等。

在支架或装置被设计之后，支架设计数据被传输给构造支架的三维制造机器。在一个实施例中，三维制造机器是快速成形、快速制造、分层制造、3D打印、激光烧结、电子束熔化（EBM）、熔融材料沉积（FDM）、CNC等。制造机器产生三维的单件式或多件式结构，其可以是塑料、金属或不同材料的混合。为了有效率地制造所述的装置，可能需要同时制造尽可能多的构件部分。很多制造机器可以在预先确定的一段时间内制造适配在特定的体积内的部件。例如，支架可以适配在病人的躯干周围，在中间具有大的空间。该支架可以被制造，但其仅是一个装置。为了改善效率，支架可以被设计为多件式，这些件稍后被联接或熔融在一起。不是制造带有较大开口中心区域的单个支架，所描述的制造方法能够用于同时制造用于两个或更多个支架的构件，它们占据相同的特定体积，作为单件式支架。使用三维制造机器的制造成本可以与打印构件所需要的时间量成比例而不是与原材料成本成比例。通过将尽可能多的构件横截面放入打印区域中，可以最小化打印时间。如果后背支架或肢支架通常具有大的开口中心区域，则打印成本效率可能是不好的。然而，如果支架是模块化设计，则模块化的部分的件可以以更为有效的方式制造。例如，多个模块化部分的件可以同时制造，第一部分的件的凸表面邻近另一个部分的件的凹入表面。通过以有效的制造方式来布置构件，以便由加成材料机器来制造，则制造的成本可以显著降低。然后，构件可以被组装并且联接或熔融在一起以形成支架。在一个实施例中，支架的内表面可以以高精度制造，使得内表面非常光滑。

在支架壳体已经形成之后，在内表面上可以执行其它处理以增加光滑度。内表面可以被滚磨、磨光、抛光，或者可以使用其它工艺来产生支架的光滑的内表面。这些工艺可以由手或机器来执行。在其它实施例中，填充材料可以被沉积在支架壳体的内表面上，以产生光滑表面。例如，内表面可以被打印，涂层可以填充不均匀的表面并且干燥为光滑的表面。或者，内表面可以被加热，造成支架的材料再次流动，并且产生光滑的内表面。

与其它表面扫描技术相比，使用照相过程具有很多优点。从病人将特征的位置传输给支架或装置的过程被简化了，因为医生能够对病人直接或者在形状适配覆盖物上施加位置标记。因此，特征的位置更有可能被精确地放置在最终产品上。装置的成本还降低了，因为数字摄像机、计算机和电子存储器是不昂贵的。照相装置也是可携带的，因此能够容易地传输到病人的位置。数字数据然后能够被电子地传输到位于行会的制造机器处。或者，数字装置数据可以被记录在磁盘上并且传输到制造机器。

本发明的定制设计过程是独特的，因为其在制造实际装置之前为病人提供了支架的虚拟适配。没有其它已知系统以虚拟的方式提供设计定制的产品诸如支架的能力。尤其是，本发明的过程可以检测放置在身体上的标记，利用该信息基于标记的位置来设计产品。

尽管已经将装置描述为医疗装置，诸如用于人类的支架或石膏，但在其它实施例中，能够将本发明的过程用于人类所使用的其它产品，包括：定制的椅子、座椅、鞍、运动装置、鞋、垫、盔、摩托车和自行车座椅、把手和手柄等。所描述的装置和方法还可用于动物的支架和石膏以及马和骑马者的定制的鞍。

附图说明

图1示出了病人正在被医生标记，用于后背支架的制造；

图2示出了被标记的病人正在被拍照；

图3示出了正在由多个摄像机拍照的病人的俯视图；

图4示出了显示病人的一部分的数字显示的计算机；

图5示出了计算机，该计算机在显示后背支架的设计过程；

图6显示了由数字表示设计的基本的后背支架；

图7示出了在后背支架中设计孔的过程；

图8示出了设计有孔的后背支架，这些孔用于通风和/或柔性；

图9示出了带有柔性的通风孔的后背支架；

图10示出了带有柔性板的后背支架；

图11示出了具有水平排列的长狭缝以获得柔性的后背支架设计；

图12示出了在加入狭缝之前的后背支架设计；

图13示出了具有长狭缝的虚拟材料块；

图14示出了狭缝与后背支架设计组合的虚拟材料块；

图15示出了支架和旋转轴线；

图16-18示出了支架的多个视图；

图19-21示出了支架的垫料的横截面图；

图22-24示出了以不同的弯曲角度被拍摄的腿图像；

图25-27示出了腿支架的视图；

图28-29示出了带有通风孔的腿支架的视图；

图30-31示出了具有可接触区域的支架；

图32-36示出了模块化的支架；

图37示出了用于稳定手臂的支架的一部分；

图38示出了具有外骨骼架构的支架；

图39示出了具有硬外层和软内层的支架；

图40示出了具有内部通风通道的支架；

图41-42示出了具有热可锻区域的支架；

图43-46示出了用于检测病人的表面的IR光学系统；

图47-60示出了用于沿着接缝连接模块化支架的不同部分的紧固件的实施例；

图61示出了打印单件支架的三维制造机器；

图62示出了打印模块化支架的各部分的三维制造机器；

图63示出了组装构造的模块化支架。

具体实施方式

本发明是定制设计的石膏、支架或另一装置，其具有紧密地对应于身体的表面。石膏或支架可以具有紧密地对应于病人的身体的光滑内表面，并可以具有成一体的构造。本发明的石膏或支架用于受伤的后背、腿、手臂或其它身体部位。石膏或支架优选由工业设计师使用计算机辅助设计（CAD）计算机程序来设计。病人的机械数据可以从病人身体的可见光或红外照片获得。该身体的拓扑可以从照片确定，然后拓扑数据被数字化并输入到CAD程序中，参考该数据来设计石膏或支架。适当的CAD程序的示例是ParametricTechnologyCorporation的Pro/Engineer。其它的CAD软件包括：SolidWorksCorporation的SolidWorks，SolidWorksCorporation是DassaultSystèmes,S.A.的子公司。为了简要，本发明的定制的支架、石膏或装置将被描述为后背支架，然而，同样的工艺可以用于形成手臂或腿支架或任何其它身体支架、石膏或装置。支架可以是硬的和强的结构，其被设计为围绕和支撑身体或肢的受伤部分。

例如，使用CAD系统来为病人产生腿支架。腿支架可以包括大腿、膝盖、小腿和脚，并且具有与病人的腿的机械尺寸和表面轮廓相符的内表面。为了精确地产生与病人的腿相符的内表面，测量使用者的腿的表面轮廓。腿的外表面的测量能够以若干不同的方式进行。在优选实施例中，使用照相测量或图像关联技术来获得外表面的测量值，其可以是限定病人的腿或任何其它身体部位的外表面的一组三维坐标。

最广泛意义上的照相测量反转了照相过程，其将对象的平面二维图像转换回真实的三维对象表面。可能要求两个或更多不同的照片来重建三维对象。在完美的照相测量过程中，两个照片将提供足够的信息来完美地重建三维对象。然而，照相和测量的过程通常是不完美的，使得基于两张照片重建三维对象也将具有缺陷。可以通过获得更多照片和使用额外的信息来改善照相测量对象测量过程，以便改善精度。照相测量过程将从多个照片获得的测量值产生代表对象表面的一组三维坐标。

照相测量使用三角测量原理，使用空间中的交叉线来计算一个点在三个（XYZ）维度上的位置。在一个实施例中，使用多个摄像机同时对腿或身体部位拍照。在其它实施例中，距离摄像机已知距离的光源发出的光被投射到病人，并且取得病人的照片。通过对每个光点进行三角测量，可以确定从摄像机到达每个光点的距离。为了三角测量一组点，必须还知道组中的所有照片的摄像机位置和瞄准角度，该瞄准角度也称为“定向”。称为后方交会的过程进行每个摄像机的摄像机位置和瞄准角度的计算。摄像机还应该被校准，使得它们的误差可以被限定并且去除。

三角测量是由照相测量使用来产生三维点测量的原理。通过数学地交叉空间中的会聚线，能够确定点的精确位置。照相测量能够同时测量多个点，对于同时三角测量的点的数量几乎没有限制。通过从至少两个或更多不同位置获取照片，并且测量每个照片中的相同目标，获得从每个摄像机位置至目标的“视线”。由于摄像机位置和瞄准方向是已知的，这些线能够被数学地交叉，产生每个目标点的XYZ坐标。

基于摄像机位置和瞄准方向（也称为摄像机的定向），使用后方交会从照片数据确定对象的坐标。典型地，图像中XYZ坐标的所有看见的和已知的点被使用来确定该定向。对于精确的后方交会，在每个照片中可以具有十二个或更多分布良好的点。如果已知对象上的点的XYZ坐标，则能够计算摄像机的定向。重要的是意识到后方交会需要摄像机的位置和瞄准方向。仅仅知道摄像机的位置是不充分的，因为摄像机可以定位在相同平面中但以任何方向瞄准。因此，必须知道由三维坐标限定的摄像机位置，以及由三个角坐标限定的瞄准位置。因此，尽管需要三个值来限定目标点的X、Y和Z坐标，但可能需要六个值来限定照片上的点，即位置的XYZ坐标、以及瞄准方向的XYZ角度。

被拍照的表面还应该具有最小数量的良好分布的参考点，这些参考点出现在每个照片上并且用于精确的表面测量。参考点可以是位于对象上的可见标记，其提供将清晰地显示在照片上的可见对比。在每个照片上应该具有至少十二个良好分布的参考点，对象的整个表面上应该具有至少二十个点。参考点应该在对象和整个照片上均匀分布。在具有更多参考点的情况下，对象的表面能够被更精确地测量。

尽管能够以墨水标记来标记病人的皮肤，但在优选实施例中，病人被形状适配材料覆盖，形状适配材料是诸如弹性棉花管、松紧织物、紧身连衣裤、连衣裤。在其它实施例中，身体可以用形状适配材料包覆。在另一实施例中，身体表面可以涂上或喷上可移除的材料，诸如与身体相合的柔性塑料或橡胶材料，其可以被标记，并且在拍摄图像之后被容易地移除。参考图1，病人101被示出为穿着覆盖病人身体、手臂和腿的连衣裤103。

在实施例中，计算机程序处理照相测量，以产生所有测量点的最终XYZ坐标。为了做到这些，程序对目标点进行三角测量并且对照片进行后方交会。程序还可以校准摄像机。在理想的操作条件下，三维测量的典型的精确性可能是非常高的。例如，测量可以精确到50-100微米（0.002"至0.004"）。然而，照相测量测量的精度可能变化很大，因为精度依赖于若干相互关联的因素。重要的精度因素包括：摄像机的分辨率和质量、被测量的对象的尺寸、照片的数量、照片相对于对象以及相对于彼此的几何布局。

照相测量的测量值可以是无量纲的。为了标出照相测量的测量值的尺度，要求至少一个已知的距离。该已知的距离可以是对象上标记的距离、摄像机之间的已知距离、或者光源和摄像机之间的已知距离。例如，如果已知一些目标点的实际坐标，则这些点之间的距离可以被确定，这些点可以用于对测量值进行标度。另一个可能性是使用固定装置，目标在该固定装置上，并且随着对象来测量固定装置。由于固定装置上的目标之间的距离是已知的，因此其能够用于对对象上的参考点之间的其它测量值进行标度。这种固定装置通常称为标度条。通过已知两个摄像机之间的距离和摄像机与病人身上的点之间的线的角度，也可以确定病人拓扑尺寸。从该信息，摄像机和病人身上的点之间的距离可以通过三角测量来确定。类似地，可以通过已知光束源与摄像机之间的距离、来自源的光束的角度、以及由摄像机检测到的光点的角度，也可以确定病人拓扑尺寸。从该信息，摄像机和病人身上的光点之间的距离可以通过三角测量来确定。光可以是红外光，摄像机可以是红外摄像机。

在实施例中，本发明的方法用于制造用于受伤的肢的石膏或支架。对受伤的肢拍摄一系列照片。如果骨头断了，在拍摄照片之前应该减少骨折。然后，上述照相测量处理方法可以被使用获得受伤的肢的表面坐标。为了限定肢上的公共表面点，可以在肢上放置参考点。参考点可以是任何有对比的彩色点、图案、形状、对象、符号、或能够容易地看见的其它光学指示物。参考点可以是利用笔放置在身体上的黑色或彩色的墨水标记。在其它实施例中，参考点可以是光，诸如可见光、红外光，点或网格，标签或对象，或任何其它可见的参考点。在优选实施例中，在整个肢或者正为其构造支架的身体部分周围放置并均匀地分布参考点。

参考图43，在实施例中，病人的三维表面数据可以使用包括彩色图像摄像机551、红外（IR）摄像机553和联接到信号处理器的红外（IR）光源555的光学装置来获得。IR光源555、IR摄像机553和彩色图像摄像机551能够全部安装在光学装置550的一侧，使得彩色摄像机551和IR摄像机553具有基本上相同的视界，并且IR光源551将光投射到该相同的视界中。IR光源555、IR摄像机553和彩色图像摄像机551可以在光学装置550上彼此隔开固定且已知的距离地安装。彩色图像摄像机551能够提供在摄像机551的视野区域中的病人560或病人的一部分的彩色信息。IR摄像机553和IR光源555能够提供病人550在IR摄像机553的视野区域内的暴露于IR光源555的每个区域的距离信息。红外光源555能够包括红外激光二极管和漫射器。在漫射器处，激光二极管能够引导红外光束，造成伪随机斑纹或结构光图案投射到病人550上。漫射器可以是衍射光栅，该衍射光栅可以是带有特定周期结构的计算机产生的全息图（CGH）。IR摄像机553传感器可以是CMOS检测器，其带有中心为IR激光器波长的带通滤波器。在实施例中，彩色图像摄像机551还能够检测投射到病人身上的IR光。

参考图44，光学装置550能够检测红外摄像机553和病人身上的IR光之间的距离，因为摄像机553以与红外光源555不同的角度看到病人，并且红外光源555和IR摄像机553之间的距离被限定。结构光距离检测的原理在于，对于对象上的每个光点，给定IR光源555和IR传感器553之间的特定角度，能够通过三角测量确定对象和IR光源555或IR摄像机553或彩色摄像机551之间的距离。由IR摄像机553和彩色摄像机551检测的病人身上的光点的角度将根据病人与光学装置550的距离而改变。在实施例中，校准过程可以用于确定平面上距离光学装置550不同距离的各个光点的角度。通过知道IR光的每个点的角度和相应的距离，可以确定光点距离光学装置550的距离。对象的这些距离计算也称为三维映射。每个光点的距离值还可以与可见彩色图像数据匹配，使得能够确定和存储病人图像的每个像素的颜色和距离信息。

因为单个照片能够拍摄固定位置的病人，IR光源555能够将IR光投射在病人身上，IR摄像机553能够取得病人560的单个照片。同时，彩色摄像机551也可以取得病人560的单个照片。在其它实施例中，可以在不同位置取得病人的多个图像，相应的图像漂移直接与到摄像机的距离相关。每个连续的图像作为下一帧计算的参考图像，使得病人的移动可以被检测，并且三维映射中的变化可以被记录。

如所讨论的，IR摄像机能够检测投射到病人身上的光图案，通过三角测量，能够确定IR摄像机和彩色摄像机和病人身上的光图案的每个点之间的距离。然而，点的距离信息仅能够确定由IR摄像机553或彩色摄像机551检测的病人身体的三维表面或者病人身体的一部分。参考图45，为了确定病人周围的三维表面或病人的一部分，可以将多个光学装置550放置在病人周围，可以组合来自这些摄像机中每一个的三维表面信息来确定病人身体的周围的三维表面或者病人身体的一部分。在实施例中，来自每个IR光源555的IR光可以被同时发射，可以同时取得所有IR摄像机553和彩色摄像机551的照片。在其它实施例中，IR光源555可能与不是相同光系统550的一部分的IR摄像机553相干扰。不是在同一时间从所有的IR光源555透射IR光，光学系统550能够被构造为顺序地照亮IR光并且对病人560拍照。第一光学系统550将发射IR光并且取得病人560的IR照片和彩色照片。然后，第一光学系统550可以停止将IR光投射到病人560，第二光学系统550可以发射IR光，取得病人560的IR照片和彩色照片。然后，第二光学系统550能够停止将IR光投射到病人560。对于剩余的光学系统550，该描述的过程能够被顺序地重复。

在取得IR照片之后，能够以各种不同方式由光学系统550组合病人560的不同侧面的表面数据。例如，多个IR摄像机553能够产生所拍照的病人560的距离信息，这些距离信息可以使用照相测量过程组合，以便确定病人560的全部或部分周向三维表示。来自光学系统550的表面数据将包括也由至少两个相邻的光学系统550拍摄的病人560的相同表面区域中的一些。因为三维形状数据是相同的，系统能够识别这些匹配的表面形状，并且组合表面数据，获得病人560的被拍摄部分的连续表面数据。在实施例中，光学系统550可以在病人560周围排列，IR摄像机553以平面方式径向排列，并且朝向病人560的横截面内的中心点559。光学系统550能够分别产生病人560的一部分的表面数据。因为在公共平面上取得IR照片，因此通过确定表面数据与中心点559的距离，能够结合来自不同光学系统550的表面数据。在实施例中，可以在没有病人560的情况下由物理中心点标记559的光学系统550取得第一组校准IR和/或彩色照片。然后，IR和/或彩色照片能够拍摄病人560。由该信息，能够确定中心点559相对于病人560的表面数据的位置。通过知道表面数据相对于公共中心点559的距离和排列，能够组合不同的光学系统550的表面数据。在实施例中，光学系统550能够布置在病人560的截然相反侧。尽管示出了四个光学系统550，但在其它实施例中，可以使用两个或更多个光学系统550以获得病人560的表面数据。可能需要三个光学系统550来具有病人560的一些重叠的表面数据。

参考图46，在其它实施例中，可以通过使用病人560身上的对准标记557来组合光学系统550的表面数据。病人560可能正在穿着连体套装，可见的或IR标记557可以放置在病人560上在两个或更多个光学系统550的视界内的位置上。彩色摄像机551可以检测可见的和IR标记，IR摄像机553可以仅检测IR标记。光学系统能够区分来自IR标记的IR光，因为IR标记557的形状可能更大或者可能具有不同的形状。可以通过使用照相测量过程来组合来自相邻光学系统550的表面数据，其将由这两个光学系统550所拍摄的标记557的位置进行匹配。

除了参考点之外，病人还能够被标记以限定支架的边缘、模块化支架的接缝或其它特征。参考图1，医生可以用笔105来标记连衣裤103，限定支架的边缘或模块化支架的接缝的位置。边缘或接缝的标记可以是一个或多个连续的墨水线107，其在身体或肢周围延伸。在其它实施例中，边缘或接缝可以由限定了支架的边缘的一系列墨水标记来限定并且在支架设计期间被连接。额外的墨水线109也可以标记在病人上，以便在支架中产生孔或开口。例如，由于手术，病人可能具有受伤的区域，其已经被缝线所封闭，并且不应该与刚性的支架接触。通过在支架中提供开口，病人的缝线将不被压靠在支架结构上。在图1中，医生已经在病人的身体的该部分周围画了圆圈，使得支架能够设计有用于该区域的切口。医生还能够在连衣裤103上做记号。医生写下了“L6”以指示L6盘的位置。医生也已经在股骨的大转节处标记墨水十字111，并且在肩胛骨113处以虚线墨水线标记。这些解剖学位置在支架的设计中是重要的，因此标记在连衣裤103上。因为照相测量使用照片，因此数字照片将记录所有的墨水线或其它墨水标记。

参考图2，以多个数字摄像机121取得病人的照片。在该示例中，摄像机121安装在托架123上并且水平隔开已知距离。摄像机121能够具有相同的水平位置，并且镜头可以处于相同的平面并且向内彼此成角度。镜头间的角度可以在大约5至45度之间。病人101和摄像机121之间的距离也可以是已知的。两个摄像机121能够同时被致动或者以照片之间非常小的时间被顺序地致动，使得两个或更多同时或顺序的照片将表示在相同位置的病人101。为了获得身体轮廓信息，从围绕整个周向的各个角度对穿着标记的连衣裤103的病人101进行照相，使得身体各部分的所有表面将被支架所覆盖。每个照片应该包括至少十二个参考点。通过处理照片和对参考点和其它线进行三角测量，以及在照片中标记，能够获得表示身体的坐标。在实施例中，摄像机121中的一个或两个可以是所述的包括彩色图像摄像机、红外（IR）摄像机和红外（IR）光源的光学装置。

参考图3，示出了用于拍摄病人101和连衣裤103的摄像机121的俯视图。在实施例中，包括安装在托架123上并且围绕开放空间定位的多个摄像机121的装置可以用于对病人101拍照。摄像机121指向病人101，并且以两个摄像机121成一组地布置。摄像机121可以安装在托架123上，托架123保持摄像机，使得摄像机121大致指向相同的方向，但彼此稍微成角度。摄像机121可以定位成，镜头水平地排列，但绕着竖直轴线稍微旋转，使得摄像机121的镜头不平行。该角度允许允许摄像机121分析表面中的差异，使得产生三维表示，如同是人类的立体感视觉。

在该示例中，四组摄像机121安装在病人101周围，每一组具有两个摄像机121。因此，对病人101取得来自不同角度的八张照片。由摄像机121一起取得的照片覆盖了整个躯干。取决于感兴趣的区域，摄像机121的位置可以移动。在图示中，摄像机121可以构造成收集后背支架的数据。然而，如果制造腿支架，则摄像机121可以被降低到腿附近的位置。

致动器可以联接到每个摄像机121，并且用于使得所有的摄像机同时或顺序地对肢或病人的其它部分进行拍照。或者，摄像机121的对可以被同步，使得所有的摄像机同时照相，以便在同一时间拍摄对象的图像。由于快门的速度通常仅是几分之一秒，因此不需要将病人101保持绝对静止达到较长时间段。在其它实施例中，单个摄像机可以用于拍摄病人的多个图像。在该实施例中，摄像机可以同时或在较短的时间段内拍摄多个图像。摄像机可以具有多个镜头，每个镜头拍摄不同的图像。或者，病人可以相对于摄像机移动。通过使病人旋转或者使摄像机绕着病人旋转并且取得多个照片，单个摄像机可以拍摄多个图像，这些图像可以用于获得表面的拓扑和其它标记数据。在实施例中，摄像机121中的一些或全部可以是所述的包括彩色图像摄像机、IR摄像机和IR光源的光学装置。

如上所述，彩色和/或IR照片被处理并且用于产生精确地描述病人101的外表面的三维数据。三维数据然后用于设计和制造支架或石膏。因为表面数据是非常精确的，因此，支架或石膏将具有对应于所有检测到的表面轮廓的定制的适配。除了定制适配的内表面外，边缘、接缝或支架特征也由边缘、接缝或特征标记清楚地限定，并且用于辅助支架或石膏的设计。

在一些情况下，病人的身体情况使得照相测量的图像将不会导致精确的支架。例如，如果病人伤了肢，则受伤的区域可能肿胀。因此，肢的任何照片将导致比未肿胀的肢大得多的扫描数据。在实施例中，如果病人具有与受损的肢相似的完好无损的肢，则该完好无损的肢可以被拍照，并且从完好无损的肢获得的表面数据能够以镜像方式反转，以产生受损的肢的支架所要求的数据。可以设计和制造支架，使得当肿胀消退的时候，支架将可以用于病人。

利用彩色照片的照相测量与包括光学扫描和激光扫描的其它类型的表面扫描方法相比还具有各种优点，因为其还可以用于检测由医生放置在病人身上的标记，这些标记可以用于指示身体或支架的特定部分。例如，医生能够用笔在病人身上画，产生墨水标记，以便标记将在稍后的定制装置过程中参考的任何数量的记号。这些标记可以指示：定制的修复/矫正的边界、支架设计的接缝、骨头凸起的区域、脂肪组织的褶、特定参考脊椎骨、要避开的身体上的敏感区域（疹子、胎记、胎块等）、需要加强透气的区域、关节周围的间隙区域以允许不受阻碍的运动、设定记号、稍后将在支架内增加额外压力的“垫片”的参考边界、以及各种其它信息。身体标记可以是彩色的墨水点、线或符号或用于识别病人身上的不同类型参考点的其它编码。例如，病人可以用第一墨水颜色或编码来标记，以指示支架或石膏的期望边界。病人还可以用第二墨水颜色或编码来标记，以指示骨头凸起或敏感区域。由于骨头凸起或下面的骨头结构是容易皮肤溃烂的区域，支架在这些区域上可以具有特殊的特征，以便避免这些区域的磨损或损坏。例如，在设计过程期间，操作者可以在标记为骨头结构的病人身体的区域上减小支架。一个例子是支架在肩胛骨区域上的放置。肩胛骨及其边缘可以手动地触诊，但难以基于表面形态来确定。支架必须适应肩胛骨以便正常工作。在技术中，在病人身上标记肩胛骨的边缘或主体的位置，支架的主体将适应骨头边缘，定制的垫充或缓冲区域在支架轮廓中。

在实施例中，支架不需要垫使病人感到舒适。支架可以是可调节的支架或可以制造若干支架。随着肢痊愈或萎缩，支架可能需要被加紧，或者可能需要定期更换。在实施例中，支架可以是具有可调节部分的可调节支架，这些可调节部分能够分别变紧或变松。可调节支架的示例在美国临时专利申请No.61/375699“AdjustableBrace”中公开了，其内容通过引用而结合于本文中。在其它实施例中，可以设计和制造具有不同尺寸的多个支架。支架的内表面可以对应于肢的扫描数据。然而，每个支架可以具有不同的尺寸，随着肢的形状随时间的改变，这些不同的尺寸将提供对肢的不同的适配。肢的表面可能因为萎缩、痊愈或者肌肉质量或脂肪的增加而改变。

支架可能需要垫使病人感到舒适。如上所述，可以在病人身上标记垫的位置。例如，可以用垫的形状的编码标记来指示垫的位置和形状。CAD系统将检测垫的标记并且能够制造出于指定的形状匹配的垫。在制造过程期间，可以由厚度和坚固性在一个范围之内的软弹性材料制造垫。例如，CAD数据可以用于由一片垫材料切割垫。CAD系统还可以设计支架以容纳垫。例如，支架可以被设计和制造为带有在编码和标记的区域处形成的凹部或其它附接机构。由于病人的表面数据被用于形成支架和垫，因此它们将非常精确地配合在一起。如果在垫位置上在支架中设计通风孔，则该垫也可以设计有通风孔，与支架中的通风孔对准。

当支架配合到病人时，医生可以具有多个垫，并且能够选择用于病人的最佳垫厚度。因为支架能够由强的和耐用的材料制成，因此在使用支架的情况下，垫可能被磨损，可能需要定期更换。医生能够具有由支架数据制造的额外的垫。也可以使用加成制造过程制造额外的垫，使得垫具有与支架相合的外表面和与病人的解剖结构相合的内表面，在一些区域中与复杂的表面几何结构相符，诸如骨头凸起，诸如髂嵴。

在其它实施例中，编码的标记可以是图案、符号、带纹理的垫、条编码、三维对象或其它指示器。因为这些摄像机使用照相图像作为它们的数据输入，因此病人身上的编码的标记或拓扑可以由支架/石膏设计软件来识别。本发明的过程能够区分不同的彩色编码以及不同的垫纹理。纹理可以包括凹槽、蚀刻的图案、凸表面或凹表面等。每个纹理可以表示支架在标记位置的不同特征。检测系统软件可以自动地检测和识别编码颜色或纹理。然后软件可以自动地设计与位于病人身上的编码颜色或纹理相关联的支架所要求的特征。额外的标记将被转换为病人的数字表示并且用于帮助设计支架或石膏。

图4-8中示出了使用扫描的身体数据来设计支架的过程。图4示出了CAD屏幕221上的人躯干201的扫描图像。躯干201的轮廓被精确地测量，扫描数据上还示出了放置在病人上的额外的标记。在该示例中，医生已经为病人的股骨大转节画了十字211，因此在该区域支架设计有额外的空间，用于腿的移动。线标记207指示了支架的期望的边界，线209指示了支架一侧中的孔。从照相测量扫描数据还可以看到标记“L6”。

参考图5，显著示出了表示支架的边缘的线207。表示要在支架中形成的孔的线209已经被支架设计人员显著示出。在该实施例中，鼠标控制的光标215被用于高亮示出墨水线。在其它实施例中，设计人员能够选择在墨水线上点击，以便高亮示出整条线。在该示例中，较暗的线表示线的要被从支架移除的部分。然而，可以使用任何其它可见标记来识别线的要被移除的部分。

在一些情况下，支架或装置可能不完美地匹配病人的扫描表面数据。例如，设计人员还可以考虑墨水标记的十字211，该十字211表示股骨的大转节的位置。墨水标记将显示在照相测量期间拍摄的图像上，十字可能是指示大转节的位置的指定的符号。然后，软件可以通过扩展支架的该部分来调节支架在大转节处的设计。

在另一示例中，病人可以要求后背或胸腰骶矫正（TLSO）支架。TLSO支架可以用于各种后背疾病，包括受伤的脊柱或矫正支架。例如，病人具有脊柱侧凸，可能需要矫正后背支架，其改变病人的正常姿态。脊柱侧凸支架可以用于矫正后背的弯曲，降低弯曲变形。可以取得后背的照片，如上所述地获得表面数据。然而，可以不检测实际的脊柱位置，除非表面显示了后背骨头作为表面特征。为了清楚地指示后背的棘突，医生可能需要标记每个棘突的位置。标记可以被编码以识别特定的骨头或者指示损坏的骨头。标记可以围绕骨头、是十字标记、或者是清楚地识别骨头的位置的任何其它标记。当照相测量图像被处理时，棘突的位置将清楚地被指示。然后，后背表面和棘突的位置可以被用于设计后背支架。

不是设计成使用检测的脊柱位置的后背支架，后背数据可以被修改以产生使病人的后背变直的支架。设计人员可以获得脊柱的整体长度和弯曲的测量值以及支架的所期望的弯曲变更。支架和正常的后背位置之间的差异可以由病人的医生来指定。然后，设计人员可以调节所记录的后背弯曲，以设计更直的后背支架，同时维持支架所限定的期望的内部体积。在实施例中，设计程序可以包括用于调节支架设计的系统，其允许支架的一个部分被调节，以便放置到支架的其它部分上。例如，如果后背数据显示了拍照的脊柱弯曲，设计人员可以操作顶点以减小弯曲。不是仅调节顶点部分，程序将对支架的周围部分进行类似的调节，使得矫正支架将适当地适配于病人。例如，支架能够分为很多不同的薄的水平部分，每个部分可以对应于不同的棘突。当一个部分移动时，其它部分将移动更小的角度，使得减小脊柱侧凸弯曲。在CAD设计中，可以使用算法对支架的其它部分的移动进行标度。当一个部分移动时，通过自动地调节支架的不同部分，支架设计被简化并且精确。

在其它实施例中，所设计的支架或石膏可以与从病人所取得的照相测量的测量值不同。例如，由于创伤或炎症，病人可能肿胀。支架设计系统可以考虑肿胀，并且允许设计人员创造出在肿胀被减小之后将与病人适配的更小的支架。在实施例中，系统能够使用完好无损的肢的照片并且使用镜像图像表面数据作为支架的指导，用于肿胀的肢。完好无损的肢可能不是损伤的肢的完美匹配，但在很多情况下，其足以精确以形成适当的支架或石膏。

在图6中，躯干被示出为孔线209内的区域和边缘207之外的躯干区域被移除。尽管没有示出，但操作CAD软件的设计人员能够旋转所示的躯干，以便示出支架210的任何视图。内部躯干表面的材料厚度可以增加，以便产生基本的支架设计。由于标记被照相测量系统精确地检测，因此所有的标记边缘和孔位置都被转换为数字表示，并且需要的支架边界和特征被精确地识别，不需要重新检查或重新测量病人。该过程完成支架210的基本设计。

除了标记在病人身上的病人特征之外，还能够对支架添加额外的特征。例如，在支架210中可以形成多个孔，以便提供通风和支架的柔性部分。参考图7，支架210示出为一组柱体225穿过支架210的一部分。在该示例中，柱体225的横截面是圆形的，并且限定了多个圆形的孔。参考图8，设计人员然后能够从支架210移除与柱体225相交的材料，以便产生带有多个孔227的支架。

用于制造支架的结构材料在压缩和张紧方面较强。通过在支架中形成孔，可以将通风和选择性柔性加入到支架中。通过在结构材料中设计开口，结构材料可以弯曲，而不是压缩或拉伸，这允许支架具有弯曲运动。支架设计人员可以根据病人的特定需要来设计支架，以控制柔性。可以设计支架来控制柔性的方向、运动的范围、运动的弹性等。创造详细和定制的孔并且在支架中区域性地改变这些孔的能力允许控制在不同平面中独立地、以及在各个水平独立地弯曲和扭转运动。在支架中加入转动关节还允许以各个水平独立地控制运动。

参考图9，后背支架318被示出为具有长孔322、324的图案。孔322、324能够对后背支架318添加通风及柔性。所设计的柔性还可以包括对于后背支架318的上部区域和下部区域的多个柔性特性。例如，后背支架318的上部区域可以具有第一弯曲柔性和第一轴向旋转柔性，后背支架318的下部区域可以具有第二弯曲柔性和第二轴向旋转柔性。孔322、324趋于在孔322、324的宽度上增加柔性。因此，在该示例中，带有水平定向的孔322的支架318的上部区域将趋于允许竖直的柔性。相反，支架318的下部区域附近的竖直定向的孔324将允许围绕支架318的更为径向的柔性。下部支架318可以定位在病人的髋关节上。随着病人移动和成长，该区域可能要求膨胀柔性。

参考图10，模块化的后背支架418被示出为由三个部分构成。不是将支架制成为单件式结构，其可以更为有效地以三个分开的部分制造支架，这三个分开的部分稍后被组装。还能够将其中的一个板由不同材料制成。例如，中间的板424可以是比两侧的板更为柔性的材料。尽管后背支架428的侧板422可能需要由较坚固的材料制成，但中间的板424可能不需要相同的强度并且可以由更为柔性的材料制成。中间的板424可以利用适当的紧固件固定到支架418的其余部分。在实施例中，紧固件可以被包括到支架的设计中，并且可以允许支架418的各部分被坚固地保持在一起。

参考图47和48，示出了紧固件900的俯视图和仰视图，紧固件900可以用于将支架的第一部分991沿着接缝997牢固地连接到支架的第二部分992。在该示例中，接缝997被示出为是直线。在其它实施例中，接缝997可以是弯曲的。在实施例中，接缝997可以垂直于第一部分991的内表面和外表面。在另一实施例中，第一部分991的接缝边缘可以是凹曲线，第二部分992的接缝边缘可以是凸曲线，使得压缩力可以在接缝997上传递，而不会使第一部分991和第二部分992的对准偏移。

在实施例中，紧固件990能够包括从第二部分992延伸的多个凸片993、994以及形成在第一部分991中的凹槽995、996。在图49-51中示出了凸片993、994的实施例的细节。图49示出了图47和48中所示的凸片993的横截面侧视图A-A。凸片993的前端是锥形的，底表面可以是支架的内表面或外表面。图50示出了凸片994的横截面视图B-B，该凸片994具有锥形的前端和与紧固件990锁定在一起的卡齿998。凸片994的顶表面可以是支架的内表面或外表面。

参见图51，示出了凸片993和994的前视图。第二部分992的横截面可以是弯曲的，凸片993的下表面可以与第二部分992的下表面的弯曲匹配，上表面可以是凸表面。凸片994还可以具有与第二部分992的上表面匹配的弯曲上表面。凸片998的前部的下部可以是直的，凸片994的位于卡齿998和第二部分992之间的部分可以是弯曲的。参考图52-54，其示出了凹槽995、996的细节。图52示出了图47和48中所示的凹槽995的横截面侧视图A-A。第一部分991中的凹槽995包括形成在第一部分991的下表面中的凹表面，其从接缝997向内延伸。图53示出了图47和48中所示的凹槽996的横截面侧视图B-B的实施例。凹槽996可以形成在第一部分991的上表面中并且从接缝997向内延伸，并且可以包括在第一部分991的上表面和下表面之间延伸的通孔部分999。图54是凹槽995、996的前视图，示出了第一部分991的弯曲。

参考图54-60，示出了凸片993、994的横截面侧视图，凸片993、994被插入凹槽995、996中，以便连接支架的第一部分991和第二部分992。图54示出了进入凹槽995的凸片993。图56示出了部分在凹槽995中的凸片993，图57示出了完全插入凹槽995中的凸片993。凸片993的底部保持为与第一部分991的底部平齐。当被完全插入时，第一部分991沿着接缝997联接到第二部分992。图58示出了进入凹槽996的凸片994。图59示出了部分地在凹槽996中并且向上偏转的凸片994。图60示出了完全插入凹槽996中的凸片994，卡齿998在通孔999内，将凸片锁定就位。在该实施例中，仅能够通过偏转凸片994以便将卡齿998从通孔999移去而将第一部分991和第二部分992分开。图47-60中所示的连接器特别有利于模块化的支架设计，因为它是一种整体式的弯曲设计，其与病人的表面拓扑的任何弯曲表面相合，并且能够在第一部分991和第二部分992之间提供坚固的连接。

在其它实施例中，参考图11，后背支架310被示出为具有多个长的水平狭缝325。狭缝325允许支架是竖直柔性的，但轴向旋转是刚性的。当弯曲运动施加于支架310时，竖直的分量将趋向于压缩狭缝325的中心。然而，当旋转转矩绕着中心轴线施加于支架时，支架310将更为刚性。在示出的后背支架310中，支架的前部和后部的孔是长狭缝325，它们以偏离的行和列布置。每个水平行中的狭缝325相对于狭缝325的相邻的竖直行偏离。狭缝325之间的材料形成长的条带，其大部分为水平定向。存在短的竖直条带326与每个狭缝325的中心部分相交。如所讨论的，材料在压缩和张紧方面较强。因此，该设计构造耐受病人后背的扭转或轴向旋转。然而，因为材料的水平条带不是竖直对准的，因此支架310能够向前和向后弯曲，这允许病人的后背弯曲。当病人向前弯曲时，支架的前部被压缩并且材料弯曲，因此支架的前部的狭缝325的高度变短并且变小。相反地，支架的后部可以被拉伸得更长并且材料可以弯曲，使得支架的后部的狭缝325变得更高。在该示例中，因为狭缝325是宽且短的，它们对于水平力是刚性的，而对于竖直力更为柔性。相反，高且窄的狭缝对于竖直力将是刚性的，而对于水平力更为柔性。因此，支架310的柔性可以通过改变狭缝325的开口的尺寸和布置来控制。

参考图12，在添加狭缝之前，后背支架310的设计是刚性的实心形式，并且对于使用者不提供任何通风，如CAD软件显示装置上所显示的。如同参考图7在以上所述，可以通过手动地对支架设计添加狭缝来形成狭缝325或其它通风孔。或者，还可以通过更为自动化和有时间效率的方式来组合后背支架而添加带有狭缝的支架310。参考图13，材料块327被显示为带有预成型的狭缝325。设计者可以输入支架310的尺寸，并且限定支架310具有狭缝325的中间区域。

参考图14，支架310和材料块327由CAD程序虚拟地组合，并且显示在计算机屏幕上。支架310的上部和下部被显示为不带有狭缝，而支架具有狭缝的中间部分与块327相交。然后，设计者能够移除块327的在支架310的边缘之外的部分。所得到的支架310被设计为中间部分具有图11所示的狭缝325。

在一个实施例中，通过改变孔尺寸、形状、定向、材料厚度并且由各具有不同的机械性质的两种不同材料制造支架，能够在支架中设计所需的柔性。这些计算可以集成到CAD软件中，使得通过输入柔性需求，软件可以计算与结构需求相符的支架设计的细节。通过改变支架的整个形状上的机械性质，其可以根据需要地沿着某个旋转方向弯曲、旋转、压缩、膨胀或保持刚性。支架还可以被设计为具有带方向的柔性，意味着该装置可以沿一个或多个特定方向弯曲、旋转或以其它方式变形，但抵抗在其它方向上以相同的方式的运动。例如，在X、Y和Z坐标系统中，带方向的柔性可以允许支架绕着X轴线弯曲或旋转，但支架可以抵抗绕着Y轴线弯曲或旋转。支架在不同的区域可以具有不同的带方向的柔性。在一个实施例中，可以通过使装置移动给定的偏转距离或弯曲角度所需要的弯曲力或使得装置的一部分旋转给定的旋转角度所需要的旋转转矩来量化所设计的柔性。还可以限制装置所设计的柔性，使得运动范围被限制到某个移动范围。

参考图38，在一个实施例中，支架451包括相合表面（conformalsurface）453，显示为水平条455和竖直条457的结构构件，以及“边缘”456，该边缘456围绕支架451并且提高所需要的结构性质。示出了支架451的后侧，支架451的前部的水平条455可以向前压，因为不存在竖直条457来限制压缩。这将允许向前弯曲。然而，支架的侧部上的竖直条457限制侧向弯曲。由沿着支架451的后侧向上延伸的竖直条457限制向后的弯曲。

高度地穿孔的较薄层459可以被放置在结构构件之间。这将不提供结构冲击，但将包住病人的组织，并且防止皮肤在狭缝压缩期间进入狭缝461并且被挤压。通风孔463可以是小的（低于3/8”），从而降低“窗浮肿”问题的几率。该层459作为包住身体类型的“网”，同时不影响结构需求。孔463可以被设计成使得表面容易地膨胀或压缩。这可能包括沿着水平轴线较长的孔463、以及偏移（类似象棋，旋转45度）的网格图案，使得网格中不产生竖直条，从而减弱了表面的结构性质。

与之前的支架技术不同的是，本发明描述了一种方法，其中，由健康护理专员来指定机械性质，包括弯曲和旋转性质。还指定通风的图案。然后，计算机创造出支架，满足机械和通风规格，同时还匹配身体表面的相合形状，满足支架的整体几何约束。健康护理专员选择支架的形状、机械性质，选择穿孔的类型或设计。然后，创造出支架，其中，结构元件的厚度和宽度是变化的，以满足支架的机械和设计方面的考虑。然后，通过加成制造或任何其它制造方法来制造支架。

在很多支架应用中，支架的内表面必须施加压力而不造成皮肤溃烂。必须避免压力点。高度地相合的支架将最小化接触应力并且将因此最小化皮肤溃烂。然而，在接触点上可以要求较软的材料。除了使用加成制造技术利用小的内部穿孔来最小化窗浮肿之外，内表面可以由与外骨骼架构467连续制造的分层结构构成，以允许内层459更为相合。薄的可偏转的相合层可以打印在内壁上。在其它实施例中，完全不同的材料可以添加到支架中。在一些其它实施例中，支架设计和制造可以包括在内壁上打印的网或打印类似泡沫的多孔材料，以允许压缩和通风。该内层将通过加成制造来制造，所有层连续制造。

因此，支架可以被设计为同种材料或作为如图39所示的分层材料的复合结构。外层471可以是非常强的结构，其作为外骨骼架构，为身体或肢提供所需的强度。而支架469的内层473可以是硬材料491和软材料493的组合，它们被设计为加快病人的痊愈。软的柔性材料493可以用在靠近骨头的区域上。在病人移动时，骨头的位置可以改变。因此，重要的是，支架的该区域是舒适的。相反，较硬的材料491可以用在身体的较软的脂肪和肌肉组织上。因为这些较软的内表面可能比硬材料更快地被损坏或磨损，它们可以被设计成卡入支架及拆下的可更换的板或部件。

支架的可呼吸性是使得本发明的支架更为舒适的另一个特征。参考图40，支架可以被设计为带有内通风通道479，其在支架477上延伸。因为支架477在CAD系统上设计，因此已知通风孔481的位置，其可以自动地设计到放置在支架477中的任何额外的垫充或板中。在一些情况下，垫可以由可呼吸的材料制成，支架的硬的实心部分中的通风孔可以对软的多孔垫的大得多的内表面提供通风。

通过组合竖直定向条和水平定向条，支架设计还可以控制柔性，支架可以具有柔性彼此不同的不同区域，但不会影响通风。在一个实施例中，材料条是弯曲的。例如，支架的一部分在第一侧可以具有更为水平定向的条，在第二侧可以具有更为竖直定向的条。以此方式，第一侧在压力下将更容易压缩和膨胀，而第二侧则不会。相反，第二侧将更容易弯曲，并作为枢轴。例如，如果身体的前部具有更为水平定向的条，侧面具有更为竖直定向的条，则支架将允许向前弯曲，但抵抗任何侧向弯曲。然而，同时，在支架上将同等均匀地进行通风。该示出的构造可以应用于后背支架，其允许向前弯曲，但防止侧向弯曲。左侧可以表示支架的前部，右侧可以表示支架的右侧。前部的条的水平对准以及侧部的条的竖直对准允许向前旋转，但防止侧向旋转。

该支架发明的基本原理是支架的不对称的柔性。参考图15，以XYZ坐标系的方式示出了支架410，支架的前部朝向X轴线，左侧朝向Y轴线，顶部朝向Z轴线。在该示例中，支架410是后背支架，病人的下部和支架410是静止的。如果病人向左侧倾斜，则支架410将绕着X轴线顺时针弯曲，如果病人向右侧倾斜，则支架410将绕着X轴线逆时针弯曲。如果病人向前弯，则支架410将绕着Y轴线逆时针弯曲，弯曲的后部将造成支架410绕着Y轴线顺时针旋转。如果病人扭向右侧，则支架410的顶部将绕着Z轴线顺时针旋转，扭向左侧将造成支架410的顶部绕着Z轴线逆时针旋转。通过了解哪个方向稳定病人的移动，支架410可以在弯曲方面是不对称的。

参见图16-18，示出了后背支架510的不同视图。图16示出了支架510的前视图，图17示出了侧视图，图18示出了后视图。支架510可以构造成在左侧和右侧的前部具有水平的条505。因为脊柱不应该被压缩，当不具有竖直条时，支架510的后部可以包括竖直的条507。因为后部比前部坚硬，后部将趋于弯曲而不是压缩。相反，响应于后部的弯曲，前部将压缩或膨胀。因为竖直条507安装在支架510的宽度上，因此它们可以防止支架510侧向弯曲。尽管支架510具有竖直和水平对准的条，但这些仅表示条的大致对准。实际的支架的条将彼此交叉，并且成角度或弯曲，以提供所需要的带方向的强度和柔性。

参考图19-21，可以设计到支架中的另一个特征是，各个悬起的接触垫611的密集网格包括“中空的”每个垫611，赋予其环形的形状。这允许接触“环”615接触皮肤，每个接触垫611在中间可以具有通风孔619。通风孔619为皮肤提供改善的空气流。它的“油炸饼圈”形状使得不容易发生窗浮肿，因为没有硬边缘压在皮肤上扰乱血液流动。并且相对大的接触垫611的区域将会增加皮肤的舒适性。空气将在每个接触垫611周围流动，并且可以通过穿孔图案排出外壁。这将增加使用者的舒适性，并且降低表面皮肤的温度。

因为每个接触垫611可以作为单独的往复循环的“单元”，其能够被制造为“井”存在于每个垫的“躯干”周围。在“井”之上，壁厚增加，因为单元的后部分与相邻的单元相交。这允许产生较强的结构，其在需要处（每个垫的躯干周围）是柔性的，而在需要处（每个躯干之间）是强的。在单个表面中既满足强度又满足柔性。在柄上的该接触点使得皮肤接触分布在很多单独的点上。这些点接触通过允许血液流动到接触点之间的皮肤而最小化循环降低的区域。因此，压缩区域能够通过扩散过程而接收血液供应。该策略最小化了较大的缺血性区域或皮肤溃烂区域的可能性。此外，通过改变支撑接触点的柄的机械性质，可以最小化皮肤上的剪切应力的量。如果柄足够柔性，随着皮肤在支架内的运动，在接触点和支架之间将不会发生运动，然而将在柄的水平位置，在接触垫和支架的外骨骼架构外层之间将发生运动。通过最小化剪切和缺血性，这种带垫的结构能够最小化皮肤溃烂的可能性。

对于动态支架，这些接触垫611构造可以被制造成所附接的结构的相关联的体积，或者对于更为动态的支架，接触垫611可以被打印为与外骨骼架构和通风图案分立的元件，但接触垫611和除外骨骼架构之外的支撑结构不接触。这样的构造将允许支架所选区域中的不同的运动，不会由于接触垫而对机械性质产生影响。

如图19-21中所示的垫611是支架的内表面的一部分。每个垫611是柔性的，并且可以压缩移动，以及水平移动。在一个实施例中，每个垫611具有接触部分615和联接到框架的杆621。当垫611压靠到病人身体的一部分上时，例如，当支架由病人穿戴时，接触部分615压靠到杆621，该杆621压靠框架629。杆621可以比接触部分窄得多，并且可以弯曲。当垫611的接触部分615水平移动时，响应于垫611的移动，杆621将弯曲。杆621也联接到框架629，使得杆621能够相对于框架629的平面沿垂直方向移动。因此，响应于垫611的任何垂直压缩，垫611能够移动到支架的框架上。在一个实施例中，支架的内表面的一部分或整个内表面能够包括所描述的垫611。在支架中使用的垫611能够全部都相同，或者每个可以具有不同的设计特性。例如，位于较硬的表面（例如，皮肤之下的骨头）之上的垫611可以具有柔性的垫611，其允许骨头和/或关节的舒适移动。相反，位于身体的较软区域之上的垫611可以较硬，因为软的区域可能不需要很多的垫充。图19示出了单个的垫611元件的示例的横截面。图20示出了直接压缩的垫611，图21示出了斜压缩的垫611。在压缩的图示中，杆621响应于施加到垫611的压力而弯曲。

在其它实施例中，可以使用不同的柔性垫，包括非圆形的表面，不同的弹性杆以及不同的通风机构。可以通过抵靠框架的杆的弹性系数以及垫的接触面积来量化垫的硬或软。带有大的接触面积和低的弹性系数的垫将是非常软的。相反，带有小的接触面积和高的弹性系数的垫将是较硬的垫。对垫的硬或软进行量化的公式是（垫的表面面积）×（杆的弹性系数）=X。例如，如果垫的面积是1平方英寸并且弹性系数是10磅每英寸，当垫被压入框架1/4英寸时，力将是2.5磅每平方英寸。如果垫被压入框架1/2英寸，则力将是5磅每平方英寸。每个垫的动态硬/软特性可以被独立地设计到支架中。垫的面积可以从大约1/4平方英寸至大约5平方英寸，杆的弹性系数可以从大约0.01磅/英寸至大约100磅/英寸或更大。

可以添加到支架设计中的其它特征包括铰链，其允许支架在关节处移动或者打开以便更容易地附接到身体和从身体移除。铰链可以位于关节处，诸如使用者的膝盖或手肘，使得支架能够随着膝盖或手肘关节移动。为了确定铰链的适当定向，可以在不同的关节角度取得肢的一系列照片。例如，参考图22，利用一个或多个摄像机121取得腿791的第一组照片，其中，腿791的膝盖是弯曲的。参考图23，取得第二组照片，膝盖793稍微弯曲，参考图24，取得第三组照片，膝盖793是直的。通过使用累积的数据，设计者可以确定每个腿791位置的表面坐标以及铰链的最精确位置。手肘或膝盖不是绕着固定的轴线完美旋转地移动，但设计者可以确定支架的最紧密拟合的旋转轴线。一旦确定了最佳的旋转轴线，设计者能够将铰链结合到支架设计中。

参考图25-27，铰链830可以是圆形结构，其联接支架801的上部822和下部824。在一个实施例中，上部822和下部824通过安装在支架801的相对侧上的两个铰链830连接，并且限定旋转轴线。铰链830可以包括轴承结构，该轴承结构最小化铰链830的旋转摩擦，并且允许上部822和下部824的顺畅移动。铰链830可以包括内座圈和外座圈。内座圈可以具有在内直径周围延伸的轴承表面，外座圈可以具有在座圈的外直径周围延伸的轴承表面。在座圈之间安装轴承，诸如滚珠轴承、滚柱轴承等。轴承材料可以是金属、陶瓷、塑料等。利用表面坐标，设计者能够将轴承结构结合到支架的设计中。

为了插入和移去肢，支架801可以具有开口机构，允许使用者容易地插入和移去肢。例如，支架801可以沿着长度分割开，分为两个或更多个部分，这些部分被联接在一起。为了插入肢，整个支架可以被打开，在肢插入之后，支架的部分822、824可以围绕肢固定。在一个实施例中，支架801在一侧可以具有铰链826，在相对侧具有卡齿机构828。卡齿828可以被松开，使得支架801可以被打开。为了使得开口铰链正常工作，其必须沿着支架801的长度对准。更具体而言，如果支架801包括用于手肘或膝盖的铰链826，则联接到上部822和下部824的铰链826必须对准，使得支架能够被打开。在一个实施例中，当支架801的上部822和下部824对准时，开口铰链826对准。因此，支架801仅当上部822和下部824对准时可以打开。

当已经获得外表面坐标时，支架的内表面可以被设计为与肢的外表面匹配。这将提供与受伤的肢完美匹配的支架或石膏。匹配的表面允许支架或石膏具有更为精确和舒适的适配。设计者还可以确定支架足以支撑和保护肢的厚度。设计者能够沿着长度将支架分为两片，使得支架能够被打开，病人可以插入或移去肢。

参考图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，铰链826仅可以沿着直线安装在支架801的最外的部分。在一个实施例中，计算机设计软件将定位优选的铰链826的位置，其可以沿着腿的后部的直线短距离内的最长直线延伸。该构造允许卡齿安装在腿的前部，这允许支架或石膏更容易地移除或附接。例如，腿的后部的最长的直线可以在腿的小腿肚区域的后部。设计系统将沿着一条线结合一铰链，该线沿着小腿肚区域的后部延伸，该铰链距离该线一预先确定的距离，例如1/2至1英寸。该设计系统可以利用填充材料来填充铰链和支架曲线之间的空隙。封闭机构可以联接到支架的相对侧，其可以是卡齿、夹、棘齿、或其它封闭机构。封闭机构可以被调整，使得支架的内部体积可以改变。封闭机构可以夹紧，使得如果肢由于萎缩而变小，则支架也可以变小，以便保持适当的适配。如果肢由于增大的肌肉尺寸或肿胀而变大，则支架还可以膨胀。

在一个实施例中，臂或腿支架包括上部和下部，它们可以绕着膝盖铰链或轴承而相对于彼此移动。在该实施例中，开口机构可以包括上铰链和下铰链，它们各联接到支架801的上部和下部。设计者能够使支架801的上部822和下部824与图25所示的直线818对准，然后将直铰链826插入支架801和直线818的交点，如图26所示。在该示例中，铰链826具有轴向对准的两个部分。因此，上部822和下部824必须对准，以打开支架801。沿着支架801的相对侧，设计系统能够将插入一个或多个联接机构828，这些联接机构828将支架保持在一起，如图27所示。

现有的石膏的另一个问题是它们不允许空气在肢上循环。这可能是不舒适的，因为肢不容易清洗，死皮不能够被移除。为了允许一些空气在肢上循环，支架或石膏可以被设计为带有通风孔，这些通风孔可以分布在支架的表面上。很多小孔903可以分布在整个石膏或支架901上，并且在内表面和外表面之间延伸，如图28所示。这允许支架或石膏901在结构上是非常强的，但仍然允许空气在皮肤上循环。内表面还可以具有在表面中的通道或凹槽，其允许空气在皮肤上流动。

在其它实施例中，更大的孔914可以形成在支架或石膏912中，如图29所示。由于在这些较大的孔914之下的这些区域将不提供支撑或保护，较大的孔可以位于支架的不那么重要的区域之上。例如，腿支架可以用于保护膝盖。因此，通风孔不应该位于支架要保护的区域中。除了功能目的之外，在支架或石膏设计中可以加入孔或任何其它装饰物、标志或其它特征。

参考图30，在一个实施例中，支架901可以具有多个可进入的区域902、904、906。根据受的伤以及病人，进入区域902、904、906可以大或小。在照相测量之前，在病人身上可以标记不同的区域902、904、906。每个进入区域902、904、906可以附接到铰链912或其它可释放的紧固件，允许由支架901覆盖的病人的各个部分可以被进入。进入区域902、904、906可以策略性地放置在感兴趣的特定区域之上，例如需要被清洁或定期检查的伤口区域。在其它实施例中，进入区域902、904、906还可以沿着支架901的整个长度延伸。通过分别打开各区域902、904、906，由支架901覆盖的整个肢或身体区域可以被进入用于清洁、检查、移除缝线951或其它原因，而肢或身体的其余部分被支架901保护和稳定。参考图31，在另一个实施例中，支架920可以具有单个的进入区域922，支架的上部924的其余部分可以被联接在一起。

参考图32-37，在一个实施例中，支架930可以是模块化设计，其能够具有模块化构造，带有模块化部分，这些模块化部分可以从支架911完全地移除。该设计可用于摔断肢的骨头，诸如前臂。石膏在医疗领域是熟知的。当骨头摔断时，骨头可以被固定，降低骨折的尺寸，并且石膏被放置在手、小臂和上臂周围。随着臂的痊愈，石膏被移除并且用较小的石膏来替代。根据摔断的类型，病人可能经历若干次石膏更换。这可能是耗费时间的，因为每个石膏必须被锯下，在臂或腿上必须构造新的较短的石膏。并且如上所述，利用石膏锯施加或移除石膏对于儿童来说可能是非常不方便的，儿童可能需要在这些过程期间服用镇静剂。

在一个实施例中，可以为病人设计模块化的支架930，该支架930可以具有若干模块化部分，包括：上臂部分940、袖肌部分942、手肘部分938、下前臂部分932、上前臂部分934和拇指人字绷带部分936。随着病人痊愈，这些部分可以被相继地移除。可以在不同的模块部分之间的相交处对病人进行标记。由照相测量过程来检测这些标记，并且不同的模块化的部分被设计到支架930中。因为X射线通常照射摔断的骨头，该X射线数据可以利用照相测量图像来观看，支架930可以设计带有所需的结构整体性，以在身体的受损区域保护臂。支架930如上所述地设计，模块化的部分可以通过可移除的紧固件固定到各个相邻的部分，紧固件是例如螺钉915或是形成在支架中或者附接到模块化部分的任何其它类型的联接件。

参考图32，如果病人摔断了臂，则整个臂初始可以用从手指延伸到肩膀的支架930来稳定。参考图33，在第一时间段之后，袖肌部分942可以从上臂模块940移除。这允许手肘在隔离一段时间之后弯曲。如果袖肌部分942铰接到上臂模块940，则联接件可以被打开。或者，袖肌部分942可以利用Velcro联接到上臂模块940，并且可以撕下Velcro以便移除袖肌部分942。参考图34，在第二时间段之后，当适宜于治疗时，整个上臂模块940可以被移除，允许手肘弯曲。手肘模块938仍然存在，其围绕手肘并且允许弯曲，但不允许旋转。

参考图35，手肘模块938被移除，留下“短臂”石膏，用于余下的治疗。该上前臂934可以利用铰链912联接到下前臂932，并且可以被临时地打开，用于清洁皮肤和检查，但其可以封闭，为了在治疗期间保持臂稳定。参考图36，在治疗期间的任何时间，“拇指人字绷带”936可以被移除，允许拇指的运动。最后，参考图37，支架930的下前臂模块932可以保持为“夹板”，如果需要的话，在治疗之后其可以由Velcro带保持就位，用于额外的稳定性和安全性。

在其它实施例中，可以为受伤的手、脚或腿制造类似的支架。例如，当病人伤了手时，整个手可以初始需要被放置在模块化支架中，该模块化支架包括用于手腕、手掌、手指和拇指的不同模块。支架也可以包括进入部分。医生可以标记受伤的区域以及每个模块接缝和进入位置的期望位置。然后可以设计和制造支架。然后，用全部的模块和任何需要的垫来组装支架。随着手痊愈，各个模块可以从支架移除，病人可以恢复手的使用。最后，仅受损的手指可能需要在支架中，直到病人已经完全恢复。因为手具有很多小的部分，因此难以制造和移除传统的手石膏。本发明的过程大大地简化了恢复过程，因为仅需要一个支架，并且随着病人痊愈，模块可以容易地被移除。

在指定的时间段移除模块对于痊愈的过程可能非常重要。保持稳定较长时间段的关节可能变得非常僵硬。因而，重要的是尽量使关节活动。下臂模块925可以继续被穿戴，以支撑病人的臂，直到受伤的骨头弯曲痊愈。本发明的支架与传统石膏相比具有很多优点。由于模块被移除，不需要新的支架。由于支架模块是可移除的，医生可以检查肢并且如果需要的话，并且可以清洁该肢。在受伤的肢被标记和照相之后，病人不需要留在医院里。与定期地移除和更换石膏相比，每个部分被移除能够节省大量的时间。如果肢由于萎缩而缩小，则额外的垫充可以被插入支架中。最后，如果该肢没有明显改变，则若病人再次摔断该肢，定制的模块化支架可以被再次使用。除了是适当尺寸之外，支架或石膏还必须是足够强的，以用于所需用途。踝支架或行走石膏可能需要在跑步或蹦跳时支撑使用者的重量和冲击，臂支架或石膏必须能够耐受正常使用的力。在一个实施例中，支架或石膏的强度由支架或石膏构件的几何形状以及用于制造这些构件的材料决定。适当的材料包括高强度塑料（诸如高强度聚酰胺）、金属、合金和复合材料（诸如环氧树脂系胶结剂中的碳纤维）。

在另一个实施例中，皮肤上的标记可以确定填充骨头轮廓的区域或随着时间增加额外填充以维持轮廓的区域。使用该系统，可以由相同的过程打印相合的垫，以适配在石膏的内壁中的“适配区域”的范围内。可以制造一系列具有累进厚度的相合表面的垫并且与最初的石膏一起提供给健康护理提供者。内相合表面可以由较软的柔性材料制成，该较软的柔性材料可以由加成制造技术来制造。

内垫可以具有多孔性，与外骨骼架构的通风孔匹配，用于改善通风。内垫还可以具有在垫内制造的锁定装置，使得它们以正确的定向咬入正确的位置。或者，粘合剂可用于将垫附接到支架。

由于垫和支架都是定制的，它们以位置指示器来标记，位置指示器可以是文本的、彩色的编码或符号，指示垫和支架应该在何处以及如何彼此附接。例如，垫上的文本可以写着“通过将连接器附接到垫中的孔A而将该垫附接到支架的上后部分”。

随着身体痊愈，缺少运动可能导致萎缩，造成身体收缩。因此，第一组垫可以是薄的。当原始的较薄的支架或石膏不再适配时，薄的垫可以被移除，并用较厚的垫来替代。一系列相合的垫可以包括可能需要的不同厚度。由于存储了垫的数字设计，可以由存储的垫设计来制造额外的垫。

在其它实施例中，支架可以由在受热时可以变形的热可锻材料制成。热塑性塑料是一种类型的热可锻材料，其在玻璃转变温度以上是塑性和柔性的，在较高的熔化温度以下是固态材料。大部分的热塑性塑料的结晶区域与非结晶区域交替，其中，链接近随机的圈。非结晶区域造成弹性，结晶区域造成强度和刚度。在熔化温度之上时，所有的结晶结构消失，链变为随机交相分散。

参考图41，支架777可以由热塑性材料制成，并且可以包括具有很多小孔的可锻区域771。支架777还可以包括通风孔781，它们直径较大并且分开较大的距离。与支架的围绕区域相比，孔降低了支架777的可锻区域771中的材料的体积。当热量被施加给可锻区域771，热塑性材料将吸收热量，并且热量还通过热传导而传递通过支架777，传递通过材料到达围绕可锻区域771的支架的区域。所施加的热量将造成可锻区域771的温度升高，当温度超过柔软的形成温度时，可锻区域771中的材料可以被进行操作。在该示例中，可锻区域771在髋骨上，髋骨是骨头凸起。在其它实施例中，可锻区域771可以位于支架777的任何其它区域。用于形成支架777的热塑性材料可以是高度绝缘及差的热导体。因此，施加到可锻区域771的热量可能不能够容易地通过热传导传递通过支架777到达围绕可锻区域771的支架的区域。因此，可锻区域771可以热变形，不会使围绕可锻区域771的支架的区域无意地热变形。

可以通过提供用于对流热传递的更大的表面区域而获得可锻区域771的改善的热性质。有各种方式增加可锻区域771的表面区域。例如，热可锻区域771可以具有比支架777的其它区域更高的孔隙度。带孔的表面具有很多小孔和凹部，它们提供更大的暴露出来的表面区域以吸收更多的热量。因此，当热源被施加到支架时，可锻区域771将吸收更多的热量，并且比支架777的其它区域变得热得多。

在其它实施例中，热可锻区域771可以仅具有通孔。相邻的孔之间的支架材料可以形成围绕每个孔的支柱。支架777还可以包括通风孔781，它们直径较大并且分开大得多的距离。通风孔781之间的支柱将具有比可锻区域771中的孔之间的支柱更大的横截面。为了改善热量吸收，可锻区域771中的相邻孔之间的支柱的横截面积可以小于支架777的其它区域中的相邻通风孔781之间的支柱的横截面积。能够影响热量吸收的另一个机械因素是被加热的材料的质量。在一个实施例中，可锻区域771可以具有较高的表面积与材料质量的比。例如，可锻区域771中的支架材料的壁厚可以较薄，以降低质量并且提高表面积与质量之比。因为具有较少的材料质量来吸收热量，具有较高的表面积与质量比的可锻区域771将比支架777的其它区域更快地被加热。

在一个实施例中，可以使用热风枪来加热可锻区域771。热风枪可以将热空气773导入可锻区域771。因为可锻区域771包括小孔的图案，热空气773可以通过这些孔，并且可锻区域771可以被对流所加热。热空气773可以接触并加热可锻区域771的外表面和小孔的内侧壁。相反，支架777的围绕可锻区域771的区域可以不具有孔，热空气773可以仅接触这些其它区域的外表面。因为内部材料不暴露于热空气，支架777的围绕可锻区域771的区域将不吸收可锻区域771那么多的热量。因为有更多的热量传递到可锻区域771，支架777的周围区域将保持冷得多，并且优选低于热塑性材料的玻璃转化温度。

参考图42，当可锻区域771的温度超过玻璃转化温度时，热塑性材料可以塑性变形。在该示例中，外力776施加到可锻区域771，其造成该区域向内朝向支架777的中心变形。在其它实施例中，可锻区域771可以向外或者任何其它方向变形。因为热量集中在可锻区域771，支架777的周围区域将保持较冷，并且可能不超过玻璃转化温度并且可能保持刚性。该温度差使得更容易控制可锻区域771，不需要改变支架777的其它区域。

当病人的身体可能随时间而变化时，所述的可锻区域771可以是有用的。支架777可以包括可锻区域771，其初始被设计为覆盖病人的肿胀区域或敏感区域。病人的身体可能随着时间而变化。例如，肿胀区域可以回归正常或者敏感性可能降低。为了提供相同的保护，当需要适配病人当前的身体时，可锻区域771可以被手动调整，不需要重新扫描病人和重构支架777。

在一个实施例中，支架777在可锻区域771中可以具有大约5mm的壁厚或层厚。可锻区域771中的孔781的宽度可以是大约2-5mm。孔781可以布置为封闭封装的六边形图案，孔之间的最小壁间隔大约为2-5mm。能够喷出高达1000℉的空气的热风枪可以用于加热可锻区域771。因此，热塑性材料优选具有小于1000℉的玻璃转化温度。

CAD系统可用于设计支架或石膏的负荷支承部件。总体而言，石膏或支架将比使用者所需要的强得多。在一个替代性实施例中，设计者能够将使用者的重量和活动水平输入到CAD系统中，然后可以基于期望的负荷来计算所需要的强度。然后，CAD系统可以设计能够支撑负荷要求的负荷支承结构。

医疗装置可以设计为单件式结构，其被设计为通过快速成形工艺同时地制造。或者，医疗装置可以被设计为多件式结构，在使用之前组装。该多件式结构在制造时间和成本方面可以比单件式结构更为有效率。参考图61，单件式支架690可以在液体或颗粒床692中的三维制造机器中形成。因为支架690需要具有大的开口中心体积的大的区域，在三维制造机器的床693中一次仅能够打印一个单件式支架。仅在支架690完全地制造出来之后，可以打印另一个支架。不形成空间上效率差的单件式的支架，可以由稍后组装的多个较平的部分来制造模块化支架。例如，参考图62，支架可以被分为四个部分694，每个大约是整个支架690的四分之一。部分694可以从顶至底或从底至顶地打印，并且这些弯曲的部分694中的每一个可以以嵌套的方式来布置，一个部分694的凸表面邻近另一个部分694的凹部分，以获得最佳的打印空间效率。

当中心体积是空的或者填充有其它结构时，制造机器能够以相同的速度和成本来操作。因此，通过将支架设计为多个平的部分或者嵌套的弯曲的部分，一个或多个支架的构件可以以更为有效的方式来同时制造。在该示例中，相同尺寸的床692可以能够同时打印14个部分694，这些部分694可以用于产生三个半支架。因此，模块化设计的效率可以被显著地改善。

参考图63，在制造了构件部分694之后，它们在配合边缘接缝997处被组装在一起，该配合边缘接缝997从顶部边缘延伸到底部边缘以形成支架695。在一个实施例中，构件部分694包括所结合的紧固件（如图47-60所示），这些紧固件跨过支架695的接缝997延伸。紧固件可以包括凸片993、994，这些凸片993、994适配到相邻的构件部分694中的相应的凹槽中，并且可以与支架695的内表面和外表面平齐。该设计可以导致较节制的支架695，其允许病人在支架上穿最为平常的衣服。如果构件部分694需要被修改或更换，则单个部分694可以被重新设计，由三维制造机器制造并且紧固到其它的支架部分694。因为构件部分694是基于病人的身体而定制设计的，支架部分694仅能够与为病人而特别设计的其它支架部分694互换。

在其它实施例中，一旦设计结束，则由CAD系统产生的设计数据可以被用于利用任何其它类型的制造机器来制造支架或石膏。因为支架或石膏的信息是数字格式的，可以传输或传送支架或石膏并且在任何地方制造。在优选实施例中，在当地进行制造，使得病人能够尽快收到支架或石膏。或者，病人可以在遥远的位置，支架或石膏设计信息可以以电子方式容易地传输给位于更为工业化区域中的制造者。然后，可以使用设计数据来制造支架或石膏，并且运输给位于遥远的乡村的病人。

在优选实施例中，使用三维制造机器来制造支架或石膏，该机器将液体或粉末颗粒结合在一起，以相继地形成支架或石膏的固体平面部分。三维制造机器可以使用快速成形工艺，该快速成形工艺使用能量束，该能量束被引导到液体或粉末材料浴。类似的制造工艺已知为加成制造、快速制造、分层制造、3D打印、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积建模（FDM）、立体平板印刷（SLA）、电子束熔化（EBM）和其它方法。这些制造工艺使用在材料上偏转的能量束并且造成暴露的材料硬化。另一可能的制造工艺是熔融材料沉积（FDM）。

横截面的设计数据被制造机器所使用来以连续的一系列层构造主要的或整个支架或石膏组件。随着每一层材料硬化，定制的石膏、支架或装置构件的完全部分竖直地移动进入浴中，并且形成下一个横截面层并且熔融到相邻形成的层。当形成所有层后，可以完成定制的石膏、支架或装置构件。结构可以是单件式，或者可以要求多件的组装来完成装置。因为制造工艺可以被精确地控制以产生滑动表面，即使是铰接的部分也可以与石膏或支架的其它部分同时制造。

在一个实施例中，支架或石膏被制造为单个一体的结构，使得完成的产品是完整的。如上所述，本发明的支架或石膏的移动构件可以联接到膝盖或手肘或具有旋转构件的开口铰链上。例如，开口铰链可以具有支承构件，这些支承构件要求具有在孔内旋转的杆。快速成形方法可以同时制造杆和相应的孔。

在其它实施例中，额外的构件可以添加到石膏或支架，使得各构件不在相同的材料上滑动。在一个实施例中，轴衬或轴承可以在旋转点添加到支架或石膏。轴衬可以由润滑的材料制成，诸如不锈钢、陶瓷、Delrin或Teflon。在其它实施例中，使用轴承。轴承可以是具有滚柱、滚针、滚珠轴承的密封单元或者任何其它类型的轴承。轴承材料可以是陶瓷、金属或塑料。已知的机构可以用于将轴衬和/或轴承保持在滑动表面之间。

在另一实施例中，可以通过另一扫描过程获得身体或受伤的肢的表面数据并且输入到CAD程序中。例如，可以使用三维光学扫描仪来扫描身体或肢。身体或肢必须从多个侧面扫描以获得完全的三维数字图像。扫描仪产生在身体或肢的表面上的很多点的几何测量值的数据组。通过更多地测量身体或肢，改善三维数字图像的精度和详细度。适当的手持激光扫描仪包括Polhemus出品的FastSCAN系统和Handyscan出品的Handyscan3D系统。光学激光扫描仪的缺点在于，它们可能不仅检测身体的表面和放置在病人身上的标记。并且，扫描可能花费大量的时间，因为光学激光束可能需要在病人的整个身体上移动。在扫描过程中，病人必须还保持非常静止。如所讨论的，对于婴儿或动物来说，在不进行镇静的情况下，这种静止是非常困难的。由于这些缺点，照相测量是用于获得病人的表面和标记数据的优选方法。

扫描数据被转换为可以被CAD程序读取的可用的表面文件。更具体而言，由身体或肢的扫描得到的表面数据可以被参考，以便在重构过程中推断身体或肢的形状。重构过程使用算法，该算法利用来自扫描的身体或肢的数据的线将相邻的点连接起来（称为点云），从形成多边形模型的很多小的多边形形状构造出连续的表面。由重构过程产生的数据是紧密地匹配身体或肢的表面的连续三维数字表示。用于执行扫描仪数据重构过程的软件的一个示例是GeoMagic的GeomagicStudio以及ProScanTools，它是PamametricTechnolgyCorporation的Pro/Engineer的模块中的插件。用于身体或肢的重构表面文件被输入CAD程序中，用于石膏或支架的设计。

在一个实施例中，使用快速成形机器来同时制造构件或关节转动支架。尽管可以同时容易地制造各部件，但难以产生诸如在支架的相对侧上安装的膝盖关节等部件。在一个实施例中，膝盖关节具有滚珠轴承构造，其能够安装为一体的或模块化的机构。不是同时制造座圈和滚珠轴承，关节可以制造为带有支承座圈。在制造之后，轴承可以被插入到座圈构件之间。轴承提供顺滑的滑动机构，并且还使得滑动构件之间的配合变紧。如果轴承磨损了，则它们可以被更换，则腿支架可以被修理。或者，轴承可以是模块化设计，当被磨损时其可以被移除和更换。在又一实施例中，关节可以是滑动模块化的轴衬，当其磨损时也可以被更换。

如所讨论的，照相测量可以检测墨水标记或其它的标记，用于为支架设计者和CAD软件指示关于病人的额外信息。在获得膝盖的图像之前可以确定和指示膝盖的旋转轴线。例如，在膝盖的任一侧可以放置指示轴线的较长的杆或任何其它标记，以指示旋转轴线。杆或标记将被检测，CAD软件将该标记解读为指示旋转轴线。或者，也可以基于在多个弯曲角度（以上参考图22-24所述）取得的膝盖的多个图像来推导旋转轴线。类似的标记可以用于指示在定制的支架或装置中所需的任何其它关节的旋转轴线。

因为运动的范围受到关节的控制，因此能够通过在腿支架的膝盖关节中使用止挡件来限制运动的范围。在一个实施例中，随着病人痊愈，止挡件可以变化及可调整。最初，运动的范围可以限于窄的移动。随着病人痊愈，运动的范围可以扩大，直到病人恢复肢和/或身体的完全运动范围。在一个实施例中，弹性阻力机构可以应用到运动范围的端部。因此，可以由增加的弹性弹簧力来阻止最后的预先确定的角运动。类似于止挡件，随着病人痊愈，弹性区域是可变化的，并且将通常是扩大。

在一个实施例中，CAD系统可以包括图形用户接口（GUI），其允许设计者容易地改变支架或石膏的外观。GUI可以是特别定制的有产权的应用程序，或者它可以就是内建在Pro/E中的CAD模块。GUI可以具有控制器，其允许以优选匹配使用者的皮肤颜色的特定颜色但也可以是任何其它颜色来查看支架或石膏。

当设计者完成支架或石膏的设计时，由CAD软件产生的设计数据可以用于产生独特和定制的支架或石膏。快速成形是一种总的系统分类，其使用数字设计数据和软件，由包括金属和塑料的各种类型材料制造构件。这些机器最经常使用在液体或粉末材料上偏转的能量束。受到能量束的作用使得材料熔融在一起并且硬化。这些制造机器能够产生所有的定制石膏或支架构件。

为了利用快速成形机器制造石膏或支架构件，CAD设计数据可能需要被修改。构件的正常的CAD设计数据被转换为沿着构件的长度延伸的很多平行横截面的矢量数据。在CAD软件和制造机器之间传递的数据利用很多连接的三角面来近似构件的横截面的形状。越小的面产生越高质量的表面，但要求更多时间来计算，并且可能产生大得多的制造数据集。CAD设计程序的输出可以是标准的STL文件，其是输出选项，类似于JPG输出或任何其它文件格式。在一个实施例中，支架的内表面对应于病人的所检测的表面。支架的横截面可以与病人的相应的表面基本上相同或者稍大。例如，支架的横截面可以比病人的任何的扫描的横截面尺寸大少于1/4英寸。

构件横截面的矢量数据由快速成形扫描仪控制器来读取，该控制器将矢量数据转换为移动信息，该移动信息被发送给能量束扫描头。在激光束的实施例中，快速成形机器包括扫描头，该扫描头具有两个镜子，这两个镜子在液体或粉末材料浴之上的X和Y坐标中偏转激光束。制造信息然后用于控制打印头的横截面，连续地产生各个构件的横截面。扫描头控制器读取制造数据并且造成打印头使连续层的液体、粉末、或片材料暴露于激光的精确图案。一旦完全形成了层，则构件移动进入浴中，使得材料的薄层覆盖之前形成的层。该过程重复很多次，新的层形成并且熔融到之前形成的层上。在电子束的实施例中，电子束被磁场在X和Y坐标的材料浴上偏转。构件的横截面相继形成，直到完成构件的制造。

加成制造快速成形的主要优点在于能够产生非常复杂的形状和几何特征。可以使用快速成形机器由诸如光聚合物的塑料材料制造轻重量和强的石膏或支架。快速成形的另一个优点在于能够在一次运行中产生复杂、交联和组装的部件。相反，由现有技术使用的传统装置需要单独制造很多部件，接着组装这些部件。因此，组装可能增加显著的成本，即使各个部件自身的制造成本可能不高。

快速成形工艺可以用于各种材料，包括热塑性塑料、光聚合物、金属粉末、共熔金属、钛合金和其它材料。因为本发明的石膏或支架应该是不昂贵的，优选的材料是热塑性材料。一些适当的快速成形机器的示例包括：EOSGmbH的激光烧结机器，ArcamAB的电子束烧结机器和3DSystemCorp的激光立体平板印刷机器和选择性激光烧结机器。类似的制造工艺有：加成制造、快速制造、分层制造、3D打印、激光烧结、电子束熔化（EBM）等。所有这些制造工艺使用相似的操作原理，即，在材料浴上扫描能量束，使材料的精确图案固化，形成每个层，直到完成整个构件。

另一可能的制造工艺是熔融材料沉积（FDM）。FDM以“加成”原理工作，在层上铺下材料。由线圈展直塑料丝或金属线，并且将材料供应给挤出管嘴，该管嘴可以打开或关闭该流。管嘴被加热以熔化材料，并且可以在数字控制机构作用下沿着水平和竖直方向移动，该数字控制机构被CAD软件直接控制。以类似于立体平板印刷的方式，随着塑料在从管嘴挤出之后立即硬化，由层建立起模型。

本发明的支架或石膏可以以连续工艺制造。在一个实施例中，病人的肢或身体部位可以被标记参考点并且被照相。照片被处理并且参考点被三角化，以产生肢的3D表面数据文件。照片可以包括肢在各个位置的数据，照片可以被用于确定移动着的膝盖或手肘的位置。设计者可以将诸如开口铰链、封闭机构、装饰特征、膝盖或手肘旋转机构的额外特征添加到支架或石膏，然后最终的设计被转换为电子数据文件。支架或石膏数据文件被传输到快速成形机器，该快速成形机器由光聚合物材料可能在单个制造过程中形成支架或石膏。

如果支架在没有垫充的情况下使用，则结构性支架材料可以与病人直接接触。因此，支架的内表面必须具有顺滑的表面，使得支架是舒适的。与病人接触的内表面可以以各种方式处理，以产生顺滑的表面。例如，表面可以被滚磨、磨光、抛光、打磨、蚀刻、利用顺滑材料来涂覆等。在一个实施例中，内表面可以具有小于500Raμin的粗糙度。为了比较，以下在表1中列出了加工操作和每个操作的近似表面质地。

可以在制造者的设施处安装所需要的任何额外的构件，诸如轴衬、轴承或者足底插入件。然后，完成的支架或石膏被传递给终端使用者。由于数字数据可以通过邮件在数字媒介上传输、通过电话或卫星电子地传输，因此本发明的过程大大地改善了支架和石膏的设计、制造和分配。

将懂得，参考特定实施例描述了本发明的系统，但对这些实施例可以进行添加、删除和改变，不偏离本发明系统的范围。例如，对于设计和制造身体或肢支架所描述的相同过程也可以用于以下装置的设计和构造：肩人字绷带，髋人字绷带，人字绷带石膏，Pavlik支架，畸形足石膏，跖骨内收石膏，Blounts病石膏/支架，脚踝矫正，儿科踝石膏，儿科行走支架，脊柱-TLSO支架，环型躯干石膏，颈圈，斜颈支架和其它医疗装置。在其它实施例中，能够将本发明的过程用于人类所使用的其它产品，包括：定制的椅子、座椅、鞍、运动装置、鞋、垫、盔、摩托车和自行车座椅、把手和手柄等。所描述的装置和方法还可用于动物的支架和石膏以及马和骑马者的定制的鞍。所描述的装置和方法还可以用于其它应用，包括：汽车车身修理和要求表面轮廓的重新制造的其它物体的修理或重新构造。在一个实施例中，本发明的过程可以用于修理或更换雕刻或特别设计的物品，诸如珠宝。这些物品可以由技工制造，然后被拍照，其数字表示可以被存储起来。如果物品被损坏、丢失或打破，则数字数据可以被用来制造模具以重新制造或修理物品。尽管所描述的定制石膏、支架和装置包括各种构件，但应该理解的是，这些构件和所描述的构造可以被修改和以各种其它构造被重新配置。

Claims (16)

1.一种用于制造模块化支架的方法，包括：

将病人的一部分放置在多个静止的摄像机之间；

利用所述多个静止摄像机拍摄所述病人的一部分的多个静止照片；

从所述多个照片获得所述病人的一部分的数字表示；

产生模块化支架的第一部分设计和第二部分设计，其中，所述第一部分设计和所述第二部分设计的内表面对应于所述病人的一部分的数字表示；以及

使用单个三维制造机器由所述第一部分设计制造所述模块化支架的第一部分和由所述第二部分设计制造所述模块化支架的第二部分，所述单个三维制造机器将液体或粉末颗粒结合在一起，相继地形成所述模块化支架的第一部分和第二部分的固体平面部分。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述模块化支架的第一部分和第二部分的设计包括沿着所述支架的长度从所述支架的第一边缘延伸到与所述支架的第一边缘相对的第二边缘的配合边缘接缝，利用所述配合边缘接缝来制造所述模块化支架的第一部分和第二部分。

3.如权利要求2所述的方法，还包括：

沿着所述配合边缘接缝将第一连接器设计结合到所述模块化支架的第一部分设计，其中，所述第一连接器设计是弯曲的并且与所述病人的一部分的数字表示相合；

沿着所述配合边缘接缝将第二连接器设计结合到所述模块化支架的第二部分设计，其中，所述第二连接器设计是弯曲的并且与所述病人的一部分的数字表示相合；

将第一连接器制造为所述模块化支架的第一部分的一部分；

将第二连接器制造为所述模块化支架的第二部分的一部分；以及

将所述第一连接器联接到所述第二连接器，以便沿着所述配合边缘接缝的整个长度将所述模块化支架的第一部分和第二部分连接起来。

4.如权利要求3所述的方法，其中，通过将所述第一连接器联接到所述第二连接器，在所述支架的第一部分和第二部分之间形成坚固的连接。

5.如权利要求3所述的方法，其中，所述支架在所述第一连接器和所述第二连接器的联接处的紧固件厚度与所述支架的与所述第一连接器和所述第二连接器相邻的区域处的支架厚度基本上相同。

6.一种用于制造模块化支架的方法，包括：

获得病人的一部分的数字表示；

产生模块化支架的第一部分设计和第二部分设计，所述模块化支架在所述第一部分和所述第二部分之间具有配合边缘接缝，所述配合边缘接缝沿着所述病人的一部分的数字表示的曲线延伸，其中，所述第一部分设计和所述第二部分设计的内表面对应于所述病人的一部分的数字表示；以及

使用三维制造机器由所述第一部分设计制造所述模块化支架的第一部分和由所述第二部分设计制造所述模块化支架的第二部分，所述三维制造机器将液体或粉末颗粒结合在一起，相继地形成所述模块化支架的第一部分和第二部分的固体平面部分。

7.如权利要求5所述的方法，还包括：

由摄像机拍摄所述病人的一部分的多个照片；

其中，从所述多个照片获得所述病人的一部分的数字表示。

8.如权利要求6所述的方法，还包括：

将病人的一部分放置在多个静止的摄像机之间；

利用所述多个摄像机拍摄所述病人的一部分的多个静止照片；

其中，从所述多个照片获得所述病人的一部分的数字表示。

9.如权利要求6所述的方法，还包括：

将病人放置在红外光源前方；

利用红外光图案照射身体的一部分；以及

拍摄所述病人的一部分的多个红外照片；

其中，从所述多个红外照片获得所述病人的一部分的数字表示。

10.如权利要求6所述的方法，其中，所述病人的一部分的数字表示包括指示所述配合边缘接缝的位置的线，所述模块化支架的第一部分和第二部分的设计包括沿着所述支架的长度从所述支架的第一边缘延伸到与所述支架的相对侧上的第二边缘的配合边缘接缝。

11.如权利要求6所述的方法，还包括：

沿着所述接缝将第一连接器设计结合到所述模块化支架的第一部分设计，所述第一连接器设计是弯曲的并且与所述病人的一部分的数字表示相合；

沿着所述接缝将第二连接器设计结合到所述模块化支架的第二部分设计，所述第二连接器设计是弯曲的并且与所述病人的一部分的数字表示相合；

将所述第一连接器制造为所述模块化支架的第一部分的一部分；

将所述第二连接器制造为所述模块化支架的第二部分的一部分；以及

将所述第一连接器联接到所述第二连接器，以便将所述模块化支架的第一部分和第二部分连接起来。

12.如权利要求11所述的方法，其中，通过将所述第一连接器联接到所述第二连接器，在所述第一部分和所述第二部分之间形成坚固的连接。

13.如权利要求11所述的方法，其中，所述支架在所述第一连接器和所述第二连接器的联接处的紧固件厚度与所述支架的与所述第一连接器和所述第二连接器相邻的区域处的支架厚度基本上相同。

14.如权利要求11所述的方法，其中，所述第一连接器包括多个凸片，所述第二连接器包括多个凹槽，通过将所述第一连接器的凸片放置到所述第二连接器的凹槽中而将所述第一连接器联接到所述第二连接器，其中，所述多个凸片从所述模块化支架的第一部分延伸离开，所述多个凹槽形成在所述模块化支架的第二部分中。

15.如权利要求14所述的方法，其中，在所述多个凸片中的一个或多个上形成卡齿，其中，所述卡齿将所述第一连接器锁定到所述第二连接器上。

16.如权利要求14所述的方法，其中，所述多个凹槽中的一些形成在所述模块化支架的第二部分的内表面上，所述多个凹槽中的一些形成在所述模块化支架的第二部分的外表面上。