CN109760309A - 一种基于3d打印技术的踝足矫形器的制作方法 - Google Patents

Abstract

基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，涉及康复医疗领域。本改进的踝足矫形器的制作方法,主要包括以下步骤：(1)踝关节行走步态研究。(2)基于所述对踝关节行走步态的分析研究，建立踝足矫形器的初始三维模型。(3)对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析。(4)对踝足矫形器的支柱部分进行拓扑优化。(5)对优化后的踝足矫形器进行几何重构。(6)对重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析。(7)使用3D打印机对最终模型进行3D打印。该3D打印踝足矫形器质量轻便、透气性好，并且能起到助力的作用，具有良好的康复医疗作用。

Description

一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法

技术领域

本发明属于康复医疗领域，涉及一种基于一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法。

背景技术

我国总人口基数大、社会老龄化进程加剧，每年新增脑卒中患者超过200万人。脑卒中愈后差，高比例患者存在因足下垂导致的下肢运动功能障碍。另外，马蹄足内、外翻亦属于我国少年儿童的骨科多发病，需要进行踝关节松解、矫形手术治疗。踝关节作为人体的运动关节，也是距离地面最近、负重最多的关节，特别是在进行奔跑和跳跃等运动时，踝关节承受了巨大的载荷和冲击，因此，踝关节扭伤在日常生活中也较为常见。踝关节损伤后，如果未能进行及时正确的治疗，就会出现踝关节外侧支撑强度下降、关节本体感觉减退和韧带过度松弛等症状，容易引起踝关节反复扭伤，造成踝关节功能障碍等后遗症。

为治疗踝关节损伤、改善踝运动功能和步态重建，伤患者需要进行大量的、重复性的康复医疗工作。传统方法制作的踝足矫形器存在许多不足，比如制作流程复杂、制作时间长和某些矫形器不能完全适合患者等。创新型踝足矫形器辅助医疗，具有工作效率高、个性化定制等特点，非常适合用于康复治疗。国际康复医疗界认为，创新型踝足矫形器辅助康复医疗具有良好的应用前景，是缓解医患供需矛盾和解决医疗资源短缺的有效技术途径。

拓扑优化的概念最早由Miche在析架理论中提出，他在1984年首次进行了应力约束下最小重量析架的基本拓扑分析，而这种方法后来也成为验证其他优化方法的可靠标准之一。拓扑优化方法会在满足结构刚度的前提下，在结构不受力和受力较小的地方减少材料，达到优化结构的目的。目前，拓扑优化方法已经广泛应用于各个领域，比如飞机的机构设计、桥梁的结构设计。近年来，拓扑优化已经逐步运用于康复医疗领域，例如将拓扑优化方法运用到植入体的设计，使其到达一定强度的同时体积最小，减少了对患者的伤害，增加了手术成功率。

如果能够以患者自身数据为基础构建矫形器模型，利用拓扑优化方法设计满足刚度要求而且体积最小的被动助力踝足矫形器，并充分利用惠普立体打印的高效率，将可以为下踝关节的康复提供更稳定的愈合环境和更有效的治疗方案。

发明内容

近年来，国内外研究者对踝足矫形器的研究越来越多，在踝关节康复机构的研究方面已取得较好的成果，但也存在不同程度的缺陷和不足。因此，研制一个能够弥补存在的缺陷和不足，并且能够很好地完成踝康复医疗工作的踝足矫形器，具有重大的现实意义。本发明提出一种能够满足刚度要求并且结构简单、质量轻便的踝足矫形器的制作方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1.一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、踝关节行走步态研究

1.1)分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓。

1.2)了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线。

步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型。初始三维模型的数据均来源于患者自身数据。

步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，主要分为受力分析和刚度分析两部分。

步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：

4.1)在网格处理软件中切分踝足矫形器模型，分成脚底板、支柱和袖口三部分，然后对每一切分部分分别生成体网格,体网格的尺寸大小为2mm；

4.2)创建材料和属性，并分配给模型的每一切分部分。本次3D打印选取的材料为尼龙，需要设置的材料参数分别为为弹性模型、泊松比和密度，大小分别为1800、0.3和1200。

4.3)选择脚底板为约束面，施加约束；

4.4)选择测试棒端面的最高点为施力点，施加集中力，大小为100N；

4.5)定义模型支柱部分为拓扑优化设计变量；

4.5)创建位移响应约束，大小为83mm；

4.6)优化分析计算，查看结构变形与密度结果云图。

步骤5、对优化后的初始三维模型进行几何重构。

步骤6、在计算机中对重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析,过程如下：

6.1)添加资料库，选用的材料为尼龙材料，设置的材料参数与步骤4中设置的材料参数一致；

6.2)划分网格，网格大小为1mm；

6.3)施加约束和力，选择脚底板为约束面，选择测试棒端面的最高点为施力点，设置时间步；

6.4)结果后处理，查看结果曲线；

6.5)根据得到的位移曲线评价拓扑优化是否满足要求，即最大位移是否为83mm,如果满足要求，则进入步骤7；如果不满足，则返回步骤4重新进行拓扑优化，直到最终的矫形器满足设计要求。

步骤7、利用打印仪对尼龙粉末进行粉末烧结，得到最终3D打印踝足矫形器实体装置。

进一步，所述健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线为简化曲线，曲线的斜率即为踝关节的刚度，大小为3.3。以上分析即为此方法的理论分析基础。

进一步，在三维画图软件中设计踝足矫形器的初始三维模型，模型主要包括脚底板、支柱、袖口、测试棒和嵌入块五部分。其中袖口、支柱和脚底板的尺寸与患者小腿和足部的尺寸相符，分别为袖口半径60mm，支柱长度380mm,脚底板宽度80mm。测试棒的形状为圆柱形，截面半径为1.5mm，长度为400mm。矫形器的厚度为2.5mm。

进一步，引入所述测试棒和所述袖口嵌入块是为了复制小腿几何。当把负载施加到所述测试棒的末端时，嵌入块将会把压力分布到矫形器所述袖口的前表面。

本发明的有益效果主要表现在：与传统康复方法相比，个性化3D打印踝足矫形器不仅可以与踝关节表面良好贴合，减少了其他副作用的产生，而且该矫形器在满足了刚度要求的同时做到了质量最小化，节约了人力和物力，具有重大的现实意义。

附图说明：

图1是本发明的踝关节简化模型图。

图2本发明的健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线。

图3是本发明一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法的矫形器的初始三维模型的轴测视图。

图4是本发明的拓扑优化流程图。

图5是本发明一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法的矫形器的重构模型的轴测视图。

图6是本发明的Ansys workbench软件中瞬态动力学分析的结果界面显示图。

图7是本发明的Ansys workbench软件中瞬态动力学分析的位移结果曲线。

图8是本发明的Ansys workbench软件中瞬态动力学分析的应变结果曲线。

图9是本发明的Ansys workbench软件中瞬态动力学分析的应力结果曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方法进行详细说明。

参照图1-图9，一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，用于踝关节康复医疗，包括以下步骤：

步骤1、踝关节行走步态研究

1.1)分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓。

1.2)了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线。

步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型。初始三维模型的数据均来源于患者自身数据。

步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，主要分为受力分析和刚度分析两部分。

步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：

4.1)在网格处理软件中切分踝足矫形器模型，分成脚底板、支柱和袖口三部分，然后对每一切分部分分别生成体网格,体网格的尺寸大小为2mm；

4.2)创建材料和属性，并分配给模型的每一切分部分。本次3D打印选取的材料为惠普尼龙，需要设置的材料参数分别为为弹性模型、泊松比和密度，大小分别为1800、0.3和1200。

4.3)选择脚底板为约束面，施加全约束；

4.4)选择测试棒端面的最高点为施力点，施加集中力，大小为100N；

4.5)定义模型支柱部分为拓扑优化设计变量；

4.5)创建位移响应约束，大小为83mm；

4.6)优化分析计算，查看结构变形与密度结果云图。

步骤5、对优化后的初始三维模型进行几何重构。

步骤6、在计算机中对重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析,过程如下：

6.1)添加资料库，选用的材料为尼龙材料，设置的材料参数与步骤4中设置的材料参数一致；

6.2)划分网格，网格大小为1mm；

6.3)施加约束和力，选择脚底板为约束面，选择测试棒端面的最高点为施力点，设置时间步；

6.4)结果后处理，查看结果曲线；

6.5)根据得到的位移曲线评价拓扑优化是否满足要求，即最大位移是否为83mm,如果满足要求，则进入步骤7；如果不满足，则返回步骤4重新进行拓扑优化，直到最终的矫形器满足设计要求。

步骤7、利用惠普打印仪对尼龙粉末进行粉末烧结，得到最终3D打印踝足矫形器实体装置。

所述健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线为简化曲线，曲线的斜率即为踝关节的刚度，大小为3.3。以上分析即为此方法的理论分析基础。

在三维画图软件中设计踝足矫形器的初始三维模型，模型主要包括脚底板1、支柱2、袖口3、测试棒4和嵌入块5五部分。其中所述脚底板1、所述支柱2和所述袖口3的尺寸与患者小腿和足部的尺寸相符，分别为所述脚底板1宽度80mm，所述支柱2长度380mm,所述袖口3半径60mm。所述测试棒4的形状为圆柱形，截面半径为1.5mm，长度为400mm。所述踝足矫形器的厚度为2.5mm。引入所述测试棒4和所述袖口嵌入块5是为了复制小腿几何。当把负载施加到所述测试棒的末端时，嵌入块将会把压力分布到矫形器所述袖口的前表面。

所述踝足矫形器的重构三维模型主要包括脚底板6、支柱7、袖口9、测试棒10和嵌入块11五部分，其结构尺寸与所述踝足矫形器的初始三维模型完全一致。

本发明提供的一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，具有如下有益效果：

1)本发明提出的制作方法步骤简洁，容易实现；

2)由本方法制作的踝足矫形器与踝关节表面贴合良好，减少了其他副作用的产生；

3)由本方法制作的踝足矫形器在满足了刚度要求的同时做到了质量最小化，节约了人力和物力，具有重大的现实意义。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (5)

1.一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、踝关节行走步态研究

1.1)分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓；

1.2)了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线；

步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型；初始三维模型的数据均来源于患者自身数据；

步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，主要分为受力分析和刚度分析两部分；

步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：

4.1)在网格处理软件中切分踝足矫形器模型，分成脚底板、支柱和袖口三部分，然后对每一切分部分分别生成体网格,体网格的尺寸大小为2mm；

4.2)创建材料和属性，并分配给模型的每一切分部分；3D打印选取的材料为尼龙，需要设置的材料参数分别为弹性模型、泊松比和密度，大小分别为1800Mpa、0.3和1200Kg/m^-3；

4.3)选择脚底板为约束面，施加约束；

4.4)选择测试棒端面的最高点为施力点，施加集中力，大小为100N；

4.5)定义模型支柱部分为拓扑优化设计变量；

4.5)创建位移响应约束，大小为83mm；

4.6)优化分析计算，查看结构变形与密度结果云图；

步骤5、对优化后的初始三维模型进行几何重构；

步骤6、在计算机中对重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析,过程如下：

6.1)添加资料库，选用的材料为尼龙材料，设置的材料参数与步骤4中设置的材料参数一致；

6.2)划分网格，网格大小为1mm；

6.3)施加约束和力，选择脚底板为约束面，选择测试棒端面的最高点为施力点，设置时间步；

6.4)结果后处理，查看结果曲线；

6.5)根据得到的位移曲线评价拓扑优化是否满足要求，即最大位移是否为83mm,如果满足要求，则进入步骤7；如果不满足，则返回步骤4重新进行拓扑优化，直到最终的矫形器满足设计要求；

步骤7、利用打印仪对尼龙粉末进行粉末烧结，得到最终3D打印踝足矫形器实体装置。

2.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，所述步骤(1)，所述健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线为简化曲线，曲线的斜率即为踝关节的刚度，大小为3.3。

3.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，所述步骤(2)，在三维画图软件中设计踝足矫形器的初始三维模型，模型包括脚底板、支柱、袖口、测试棒和嵌入块五部分；其中脚底板、支柱和袖口的尺寸与患者小腿和足部的尺寸相符，分别为脚底板宽度80mm，支柱长度380mm,袖口半径60mm；测试棒的形状为圆柱形，截面半径为1.5mm，长度为400mm；矫形器的厚度为2.5mm。

4.根据权利要求1所述一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于：引入所述测试棒和所述袖口嵌入块是为了复制小腿几何；当把负载施加到所述测试棒的末端时，嵌入块将会把压力分布到矫形器所述袖口的前表面。

5.一种如权利要求1所述基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于：所述的步骤(5)为瞬态动力学分析，在测试棒上添加随时间变化的力，得到位移、应力与应变曲线。