CN104665970A

CN104665970A - 一种矫形器的三维打印制备方法

Info

Publication number: CN104665970A
Application number: CN201510066265.6A
Authority: CN
Inventors: 徐铭恩; 王玲; 陈阳
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Jienuofei Biotechnology Co Ltd
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2015-06-03

Abstract

本发明公开一种矫形器的三维打印制备方法，该方法是基于三维扫描、虚拟修复和三维打印技术。传统矫形器的生产周期长、矫形效果一般，人力成本昂贵，对患者有着较大的不便。本发明方法是首先通过三维扫描设备扫描待矫正部位，记录待矫正部位的三维扫描数据；然后通过三维软件对扫描得到的三维模型进行数据处理，得到具有矫形功能的矫形器数字三维模型；最后通过三维打印工艺将矫形器数字三维模型打印成形。该方法通过三维扫描技术解决了取形修形复杂的问题；使用三维软件进行数字化矫正修复，使修正过程定量精确；采用三维打印的生产方式，材料多样，生产速度迅速。因全程采用三维数字化操作，本方案省去了绝大部分人力加工工作，成本低廉。

Description

一种矫形器的三维打印制备方法

技术领域

本发明涉及三维打印技术，具体涉及一种基于三维扫描、数字修复和三维打印技术的矫形器制备方法。

背景技术

矫形器，是指装配于人体四肢、躯干等部位的体外器具的总称，其目的是为了预防或矫正四肢、躯干的畸形或治疗骨关节及神经肌肉疾病并补偿其功能。其功能主要包括以下几个方面：

（1）稳定与支持：通过限制肢体或躯干的异常运动来保持关节的稳定性，恢复承重或运动能力。

（2）固定与矫正：对已出现畸形的肢体或躯干，通过固定病变部位来矫正畸形或防止畸形加重。

（3）保护与免负荷：通过固定病变的肢体或关节，限制其异常活动，保持肢体、关节的正常对线关系，对下肢承重关节可以减轻或免除长轴承重。

（4）代偿与助动：通过某些装置如橡皮筋、弹簧等来提供动力或储能，代偿已经失去的肌肉功能，或对肌力较弱部分给予一定的助力来辅助肢体活动或使瘫痪的肢体产生运动。

根据安装部位，矫形器可分为上肢矫形器（包括但不限于：手指矫形器、对掌矫形器、腕手矫形器、肘矫形器、肩矫形器）、下肢矫形器（包括但不限于：足矫形器、踝足矫形器、膝踝足矫形器、髋膝踝足矫形器）和脊柱矫形器（包括但不限于：颈部矫形器、胸腰骶矫形器、腰骶矫形器）这三大类，例如具有足面变形、腿部畸形、手臂变形、手掌畸形、脊柱侧弯等伤残畸形的患者需通过矫形器将其伤残畸形部位矫正。

目前，传统矫形器的生产工艺流程为：

1、通过翻模工艺，使用翻模石膏包裹患者待矫形部位，待石膏硬化后取下，取得患者待矫形部位的石膏阴模。

2、通过阳模成形技术，将上一步取得的石膏阴模拼接封闭，将阳模石膏灌入其中，待其冷却后去除外面石膏阴模，取得患者待矫形部位的石膏阳模。

3、将患者待矫形部位的石膏阳模固定，矫形师使用各种矫形辅助工具对石膏阳模进行形态修复，将其变形部位通过填补、凹陷、扭曲等手法纠正，取得修复完成的石膏阳模。

4、使用热塑板型材料，通过真空抽取工艺，将其包覆在已修形的石膏阳模上，取得矫形器的初步毛坯。

5、对矫形器毛坯进行剪裁，在剪裁后的坯体上安装搭扣、魔术贴等零件，取得具有矫形功能的矫形器成品。

传统矫形器取形过程复杂不精确，需要对患者进行石膏包覆操作，容易使患者感受不舒适，并可能对患者造成扭曲伤害。阳模填充和阴模去除等步骤都产生不同程度的形变和细节丢失。传统工艺的修形工作仅凭矫形师经验进行，无法对修形部位精确定位，也无法掌握具体凹陷凸起的形变尺度和平滑程度，真空抽取成形工艺复杂，取得的矫形器厚度不一致，毛坯还需剪裁、安装辅助零件等步骤，还会对其本身有一定的形变影响。

综上所述，传统矫形器的生产周期长、矫形效果一般，人力成本昂贵，对患者有着较大的不便。

发明内容

本发明的目的是为克服现有矫形器取形工艺复杂、生产时间长、精确度不高的缺点，提供一种矫形器生产方法，该方法通过三维扫描技术解决了取形修形复杂的问题；使用三维软件进行数字化矫正修复，使修正过程定量精确；采用三维打印的生产方式，材料多样，生产速度迅速。因全程采用三维数字化操作，本方法省去了绝大部分人力加工工作，成本低廉。

本发明提供了一种矫形器的制备方法，包括如下步骤：

（1）通过三维扫描设备扫描待矫正部位，记录待矫正部位的三维扫描数据；

（2）通过三维软件对扫描得到的三维模型进行数据处理，得到具有矫形功能的矫形器数字三维模型；

（3）通过三维打印工艺将矫形器数字三维模型打印成形。

步骤（1）中，三维扫描设备可选择市场已上市的产品，例如手持式三维扫描仪或自动旋转式三维扫描平台，例如Holon公司的3DS，Artec 3D公司的Artec Spider等。

步骤（2）中，三维软件具体可选自Rhino3D、SketchUp、Magics等软件，对扫描得到的三维模型进行数据处理，得到可以三维打印的数字三维模型，处理过程具体包括：首先通过三维软件去除步骤（1）扫描过程中产生的杂讯和背景无用事物，得到纯净的待矫形部位三维模型；然后通过以保留功能区域，限定肢体运动的原则对三维模型进行剪裁，得到矫形器初步形态的三维模型；最后使用三维软件对三维模型的特殊机械性能要求的区域，例如:关节、肌肉群、磨茧、扭曲肢体，进行符合人体工程学功能需求的形变，得到具有矫形功能的矫形器数字三维模型。

步骤（3）中，根据待矫形部位的形状、在人体的部位、需要的机械性性能、生产时限等因素，选择符合打印工艺要求和矫形器机械强度需求的材料通过三维打印技术将矫形器数字三维模型打印成型完成生产。例如通过SLA三维打印工艺使用光敏树脂、SLS三维打印工艺使用尼龙或尼龙玻璃纤维材料。

SLA三维打印基于液态光敏树脂的光聚合原理，通过激光扫描液态光敏树脂层，形成固化区块，通过各树脂层的固化扫描与叠加，得到快速成型产品。SLA工艺发展成熟，材料多样且产品精确度高，表面光滑质量好。

SLS三维打印基于激光烧结原理，通过激光扫描加热的原材料粉层表面使扫描区域烧结，通过粉层的层层叠加烧结得到快速成型产品。SLS工艺生产产品无需支撑，原材料粉末可回收且环保。产品耐磨强韧耐热无毒。

利用上述工艺制备得到的矫形器，具有三维扫描取形便捷、数字修复矫形精确、生产成形快速、材料多样、价格低廉等优点。与热塑板材产品相比，通过三维打印生产的产品制作周期至多仅为15小时，精度可达到0.1mm；产品变形小，与计算机模型的相对误差不超过0.2%，相比原先的石膏取模方法具有显著的进步。

附图说明

图1是本发明的三维扫描示意图；其中1.三维扫描仪，2.待扫描躯体，3.扫描所得腿部数据，4.扫描所得手臂数据，5.扫描所得躯干数据，6.扫描所得手腕数据，7.扫描所得颈部数据；

图2是本发明的三维数字修复示意图；其中8.计算机软件处理，9.踝足矫形器三维模型，10.手臂矫形器三维模型，11.腰骶矫形器三维模型，12.腕手矫形器三维模型，13.颈部矫形器三维模型；

图3是本发明的三维打印示意图；其中14.三维打印机生产，15.踝足矫形器产品，16.手臂矫形器产品，17.腰骶矫形器产品，18. 腕手矫形器产品，19. 颈部矫形器产品。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1

通过操作3D systems公司的Sense手持式人体扫描仪三维扫描仪（1），对患者需矫形部位，即待扫描肢体（2）进行三维扫描，扫描得到患者需要矫形腿部（3）的三维扫描数据，如图1所示。

通过使用计算机软件（Materialise公司的Magics软件）处理（8）扫描所得到的肢体数据，如图2所示，对所需要矫形的肢体进行外形修复、形态矫正等操作，得到踝足矫形器三维模型（9）。

将踝足矫形器三维模型输入三维打印机中，通过三维打印机生产（14），得到踝足矫形器产品（15），如图3所示。使用EOS公司的SLS激光烧结打印机，采用尼龙粉末材料进行生产。通过激光扫描加热的原材料粉层表面使扫描区域烧结，通过粉层的层层叠加烧结得到快速成型的踝足矫形器产品。与热塑板型产品相比，通过SLS三维打印生产的产品精度高，可达到0.25mm；产品变形小，与计算机模型的相对误差不超过0.3%。

实施例2

通过操作3D systems公司的Sense手持式人体扫描仪三维扫描仪（1），对患者需矫形部位，即待扫描肢体（2）进行三维扫描，扫描得到患者需要矫形手臂（4）的三维扫描数据，如图1所示。

通过使用计算机软件（Materialise公司的Magics软件）处理（8）扫描所得到的肢体数据，如图2所示，对所需要矫形的肢体进行外形修复、形态矫正等操作，得到手臂矫形器内壳三维模型（10）。

手臂矫形器内壳三维模型输入三维打印机中，通过三维打印机生产（14），得到手臂矫形器产品内壳（16），如图3所示。使用SHINING 3D公司的光固化快速成型打印机，采用光敏树脂材料进行生产。通过激光扫描液态光敏树脂层形成固化区块，经过层级堆叠得到最终三维打印的手臂矫形器内壳。通过玻璃纤维布包覆复合加工工艺在内壳外包覆复合材料，取得手臂矫形器的最终产品。与热塑板型产品相比，通过SLA三维打印及复合加工工艺生产的产品精度高，可达到0.2mm；产品变形小，与计算机模型的相对误差不超过0.25%。

实施例3

通过操作3D systems公司的Sense手持式人体扫描仪三维扫描仪（1），对患者需矫形部位，即待扫描肢体（2）进行三维扫描，扫描得到患者需要矫形躯干（5）的三维扫描数据，如图1所示。

通过使用计算机软件（Materialise公司的Magics软件）处理（8）扫描所得到的肢体数据，如图2所示，对所需要矫形的肢体进行外形修复、形态矫正等操作，得到腰骶矫形器内壳三维模型（11）。

将腰骶矫形器内壳三维模型输入三维打印机中，通过三维打印机生产（14），得到腰骶矫形器内壳（17），如图3所示。使用SHINING 3D公司的光固化快速成型打印机，采用光敏树脂材料进行生产。通过激光扫描液态光敏树脂层形成固化区块，经过层级堆叠得到最终三维打印的腰骶矫形器内壳。通过玻璃纤维布包覆复合加工工艺在内壳外包覆复合材料，取得腰骶矫形器的最终产品。与热塑板型产品相比，通过SLA三维打印及复合加工工艺生产的产品精度高，可达到0.2mm；产品变形小，与计算机模型的相对误差不超过0.25%。

实施例4

通过操作3D systems公司的Sense手持式人体扫描仪三维扫描仪（1），对患者需矫形部位，即待扫描肢体（2）进行三维扫描，扫描得到患者需要矫形手腕（6）的三维扫描数据，如图1所示。

通过使用计算机软件（Materialise公司的Magics软件）处理（8）扫描所得到的肢体数据，如图2所示，对所需要矫形的肢体进行外形修复、形态矫正等操作，得到腕手矫形器三维模型（12）。

将腕手矫形器三维模型输入三维打印机中，通过三维打印机生产（14），得到腕手矫形器产品（18），如图3所示。使用EOS公司的SLS激光烧结打印机，采用尼龙粉末材料进行生产。通过激光扫描加热的原材料粉层表面使扫描区域烧结，通过粉层的层层叠加烧结得到快速成型的腕手矫形器产品。与热塑板型产品相比，通过SLS三维打印生产的产品精度高，可达到0.25mm；产品变形小，与计算机模型的相对误差不超过0.3%。

实施例5

通过操作3D systems公司的Sense手持式人体扫描仪三维扫描仪（1），对患者需矫形部位，即待扫描肢体（2）进行三维扫描，扫描得到患者需要矫形颈部（7）的三维扫描数据，如图1所示。

通过使用计算机软件（Materialise公司的Magics软件）处理（8）扫描所得到的肢体数据，如图2所示，对所需要矫形的肢体进行外形修复、形态矫正等操作，得到颈部矫形器三维模型（13）。

将颈部矫形器三维模型输入三维打印机中，通过三维打印机生产（14），得到颈部矫形器产品（19），如图3所示。使用SHINING 3D公司的iSLA-650光固化快速成型打印机，采用Somos GP Plus 14122材料进行生产。通过激光扫描液态光敏树脂层形成固化区块，经过层级堆叠得到最终三维打印产品。与石膏产品相比，通过三维打印生产的产品精度高，可达到0.1mm；产品变形小，与计算机模型的相对误差不超过0.2%。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。

Claims

1. 一种矫形器的三维打印制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）通过三维扫描设备扫描待矫正部位，记录待矫正部位的三维扫描数据，构建三维模型；

（3）通过三维打印工艺将矫形器数字三维模型打印成形。

2.如权利要求1所述的一种矫形器的三维打印制备方法，其特征在于步骤（2）具体是首先通过三维软件去除步骤（1）扫描过程中产生的杂讯和背景无用事物，得到纯净的待矫形部位三维模型；然后通过以保留功能区域，限定肢体运动的原则对三维模型进行剪裁，得到矫形器初步形态的三维模型；最后使用三维软件对三维模型的特殊机械性能要求的区域，进行符合人体工程学功能需求的形变，得到具有矫形功能的矫形器数字三维模型。

3.如权利要求1所述的一种矫形器的三维打印制备方法，其特征在于步骤（3）中具体是根据待矫形部位的形状、在人体的部位、需要的机械性性能、生产时限等因素，选择符合打印工艺要求和矫形器机械强度需求的材料通过三维打印技术将矫形器数字三维模型打印成型完成生产。

4.如权利要求3所述的一种矫形器的三维打印制备方法，其特征在于步骤（3）中使用的三维打印工艺为SLA三维打印工艺，矫形器机械强度需求的材料使用光敏树脂。

5.如权利要求3所述的一种矫形器的三维打印制备方法，其特征在于步骤（3）中使用的三维打印工艺为SLS三维打印工艺，矫形器机械强度需求的材料使用尼龙或尼龙玻璃纤维材料。