CN110115652A - 一种三维打印护具及其打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于医学康复护具及制作方法，具体涉及一种三维打印护具及其打印方法，能够解决现有护具不方便根据患处变化进行调节的问题。由基于增材制造的两部分主体拼合而成，两者之间通过固定环和锁定柱配合，用来连接固定及限位，能根据病人患处进行形状设计，贴合度好、重量轻、强度高且保护性好。尤其是固定环与锁定柱形成的固定装置，仅需将固定环套入后进行旋转即可顶紧两部分锁定柱完成固定，安装拆卸简便且使用方便，另外还可以根据患处不同时期的肿胀程度配合不同的固定环进行松紧调节，有效防止骨位移等问题。整个护具拼合定位准确，不易发生错位现象，对患处的紧固更加可靠，具有适用于各种患处的特点。
Description
技术领域
本发明属于医学康复护具及制作方法，具体涉及一种三维打印护具及其打印方法。
背景技术
传统的护具外固定方法有小夹板、是高绷带、外展架、持续牵引和穿针外固定器等方法。因为传统石膏绷带固定法操作复杂、笨重且透气性差，病人容易出现皮肤瘙痒闷湿等症状。肢体消肿后，又会因石膏过松而导致骨折再移位，长期固定也可能引起关节僵硬和肌肉萎缩等，甚至会导致严重的功能障碍。传统石膏固定也增加了医务人员的工作量，另外，不同患者自身的身体结构存在差异性，也较难对应处理。为解决这些现有护具的缺点，急需研发新型固定护具，要求质量轻、贴合度好、刚度大且透气性好，使用简单且不增加医疗人员的负担。
增材制造是制造领域正在迅速发展的一项新兴技术，被成为具有工业革命意义的制造技术。应用在护具制造方面，无需模具和原胚，缩短了产品的研发周期，既提高了效率也降低了产品的成本，使医治更加精准，因此具备很大的发展空间。
发明内容
本发明为了解决现有护具不方便根据患处变化进行调节的问题，提供一种三维打印护具及其打印方法，固定牢靠且适用广泛。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三维打印护具，其特殊之处在于，包括若干固定环、第一主体和第二主体；第一主体和第二主体拼接后形成的容腔与患处吻合，第一主体与第二主体拼接处边沿分别设有成对的多个半圆柱状的锁定件，其中第一主体的锁定件记为第一锁定柱，第二主体的锁定件记为第二锁定柱，所述第一锁定柱和第二锁定柱形状适配，满足：第一主体与第二主体拼接时，第一锁定柱和第二锁定柱共同形成一个完整的圆柱体；固定环的内表面径向尺寸与第一锁定柱和第二锁定柱整体外表面的径向尺寸相适配，使得在拼接状态时固定环对第一锁定柱和第二锁定柱整体形成径向限位；第一锁定柱和第二锁定柱沿圆周表面分别设有相同圆弧状的第一凸台和第二凸台；所述固定环内表面设有两段第三凸台，两段第三凸台的尺寸以及位置与所述第一凸台和第二凸台相适配，满足：固定环套接于拼接状态时第一锁定柱和第二锁定柱，两段第三凸台能够沿轴向通过第一凸台与第二凸台在圆周上的间隙，并在旋转固定环后使两段第三凸台分别被第一凸台和第二凸台的下表面限位。
进一步地，第一凸台和第二凸台的上表面分别与第一锁定柱和第二锁定柱的上表面平齐。
进一步地，所述第一锁定柱与第二锁定柱各设有6个，且在第一主体和第二主体拼接处的两条边沿对称设置。
进一步地，第一主体和第二主体上均开设有透气孔。
进一步地，所述第一锁定柱与第一主体间还设有第一连接座，第二锁定柱与第二主体间还设有第二连接座，第一主体和第二主体拼接时，第一连接座和第二连接座相应接触面贴合。
进一步地，所述患处为手臂，第一主体或第二主体前端开设有用于露出拇指的孔。
一种如上所述三维打印护具的打印方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1，三维扫描获得患处部位特征并建立三维模型，对模型进行逆向处理；
步骤2，对逆向处理结果进行设计和参数化处理；
步骤3，将步骤2的结果导入模型修复软件进行修复和切片处理，生成含有打印信息的打印文件；
步骤4，将打印文件导入3D打印机，得到第一主体和第二主体的实体模型。
进一步地，所述步骤1具体为：将患处部位特征的点云数据导入3-matic软件进行点云数据处理，导出STL.文件于Rhinoceros，在Rhinoceros中运用插件T-Splines对STL.文件进行逆向处理。
进一步地，所述步骤2用grasshoper插件进行参数化处理。
进一步地，所述3D打印机为sls粉末打印机。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明一种三维打印护具，由基于增材制造的两部分主体拼合而成，两者之间通过固定环和锁定柱配合，用来连接固定及限位，能根据病人患处进行形状设计，贴合度好、重量轻、强度高、保护性好且使用简单，同时具有工业化程度高、生产速度快和质量好的特点。尤其是固定环与锁定柱形成的固定装置，仅需将固定环套入后进行旋转即可顶紧两部分锁定柱完成固定，安装拆卸简便且使用方便，另外还可以根据患处不同时期的肿胀程度配合不同的固定环进行松紧调节，有效防止骨位移等问题。整个护具拼合定位准确，不易发生错位现象，对患处的紧固更加可靠，具有适用于各种患处的特点。
2.第一凸台和第二凸台分别设置在锁定柱的顶端，与第一锁定柱和第二锁定柱的上表面平齐，使得固定更加牢固，锁定柱受力更加均匀。、
3.第一锁定柱与第二锁定柱分别分布在第一主体和第二主体拼接处的两条边沿且对称设置，根据实验模拟结果锁定柱各为3组时固定最为牢靠，且患处的肌肉受力效果最好。
4.第一主体和第二主体上开设有结构化参数化的透气孔，在保证力学性能的同时又具有材料用量少、质量轻、透气性好和美观的特点，使佩戴更加舒适。
5.由于护具表面很难是理想平面，通过增加连接座，使锁定柱与主体连接更加方便，同时两个连接座的贴合也加大了固定时的接触面积。
6.本发明一种三维打印手臂护具，根据左右手的使用需求，在任一主体的一端开设拇指孔，穿戴更加方便。两个主体的拼接线延伸至手掌心，使拼接更牢固。
7.本发明一种三维打印护具的打印方法，通过预先扫描患处，然后逆向处理得到患处模型，再进行设计导出设计模型，后采用固体粉末逐层堆积打印出对应的设计模型，无需模具和原胚，缩短了产品的研发周期，既提高了效率也降低了产品成本，为每一位患者量身定做也更加符合医疗的大趋势，使医疗更加精准。
附图说明
图1为本发明实施例中主体未拼接时的结构示意图；
图2为本发明实施例中单一主体的结构示意图；
图3为本发明实施例中主体拼接后的结构示意图；
图4为本发明实施例中主体固定装置的结构示意图；
图5为本发明实施例中固定环固定后的结构示意图；
图6为本发明实施例中主体间缝隙为0时固定环旋转前的示意图；
图7为本发明实施例中主体间缝隙为0时固定环旋转后的示意图；
图8为本发明实施例中主体间缝隙不为0时固定环旋转前的示意图；
图9为本发明实施例中主体间缝隙不为0时固定环旋转后的示意图。
其中，1-第一主体；2-第二主体；3-第一锁定柱；4-第二锁定柱；5-固定环；6-第一凸台；7-第二凸台；8-第三凸台；9-第一连接座；10-第二连接座；11-用于露出拇指的孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。
参见图1和2，一种三维打印护具，包括若干固定环5、第一主体1和第二主体2，第一主体1和第二主体2拼接后形成的容腔与患处吻合，其具体形状根据护具的使用目的进行设计，需要贴合患处的外形，可以根据患处的表皮形状，在三维软件中设计主体和固定环的尺寸及形状，本实例给出一种优选的主体厚度为3mm。第一主体1与第二主体2拼接处边沿分别设有成对的多个半圆柱状的锁定件，其中第一主体1的锁定件记为第一锁定柱3，第二主体2的锁定件记为第二锁定柱4，所述第一锁定柱3和第二锁定柱4形状适配，满足：第一主体1与第二主体2拼接时，第一锁定柱3和第二锁定柱4共同形成一个完整的圆柱体；第一锁定柱3和第二锁定柱4沿圆周表面分别设有相同圆弧状第一凸台6和第二凸台7；固定环5内表面设有两段第三凸台8，由于固定环为圆环，因此第三凸台在固定环5内具体的布置不限定，拼接时固定环5内壁与第一凸台6和第二凸台7间有缝隙，为患处具体形状以及患处肿胀变化留有空间；当第一主体1与第二主体2拼接时，对接第一锁定柱3和第二锁定柱4，第三凸台8对准第一凸台6和第二凸台7在圆周上的间隙，将固定环5套于第一锁定柱3和第二锁定柱4外，旋转固定环5使第一凸台6和第二凸台7分别与两段第三凸台8上下分布，第三凸台顶住相应锁定柱完成固定。图5示出了固定环旋转后完成固定的一种状态，第三凸台均置于第一凸台和第二凸台下方，第一锁定柱和第二锁定柱完全贴合，第三凸台同时顶紧第一锁定柱和第二锁定柱。其中第一锁定柱、第二锁定柱和固定环共同组成了护具的固定装置。
固定装置能够对第一主体1和第二主体2同时实现轴向定位和径向限位位。固定环5的内表面径向尺寸与第一锁定柱3和第二锁定柱4整体外表面的径向尺寸相适配，使得在拼接状态时固定环5对第一锁定柱3和第二锁定柱4整体形成径向限位；旋转固定环5后使两段第三凸台8分别被第一凸台6和第二凸台7的下表面形成轴向限位。
由模拟结果来看，第一锁定柱3与第二锁定柱4各设有6个，且在第一主体1和第二主体2拼接处的两条边沿对称设置。当然，此处仅仅是根据患处的肌肉受力给出了一种最优的锁定柱数量，具体数量还可以根据患处的具体情况根据模拟结果进行调整，若数量不是最优数，也可以对患处起到固定和促进康复的效果。
本发明以增材制造为基础，能够满足病人的个人定制要求，第一主体和第二主体通过固定装置连接成如图3所示的完整护具，并通过固定环很好的定位，有效防止主体间发生窜动，对患处固定更加可靠。
在第一主体和第二主体上均开设有结构化参数化的网格空洞，该网格孔洞可由固定的逻辑生成，能够在保证力学稳定的同时，又具有材料用量少、质量轻和多网孔透气的特点，使患者在佩戴是更加舒适，当然第一主体和第二主体也可以采用实体结构，或根据用户的需求及审美在保持强度的同时来定制化设计制作孔洞分布。
参照图4，是本发明固定装置的示意图，第一凸台6和第二凸台7的上表面分别与第一锁定柱3和第二锁定柱4的上表面平齐。第三凸台在固定环8内的位置，恰好满足当固定环套设在锁定柱外时，第三凸台整体低于第一凸台和第二凸台。第一锁定柱3与第一主体1间还设有第一连接座9，第二锁定柱4与第二主体2间还设有第二连接座10，第一主体1和第二主体2拼接时，第一连接座9和第二连接座10相应接触面贴合。由于护具表面很难是理想平面，通过增加连接座，使锁定柱与主体连接更加方便，同时两个连接座的贴合也加大了固定时的接触面积。
图6是本发明固定装置一种情况下未旋转前的示意图，主体间间隙为0，将固定环套于锁定柱外侧，第三凸台置于第一凸台和第二凸台在圆周方向的空隙中，按照图示的旋转方向旋转90°固定环，得到图7所示的结果，第三凸台分别置于第一凸台和第二凸台下方并顶住锁定柱，第一凸台和第二凸台外侧与固定环之间留有适当间隙。可根据创后进行消肿后的松紧调节，有效防止骨折等移位问题，达到更加稳固的固定效果。
图8是本发明固定装置另一种情况下未旋转前的示意图，如患处因肿胀等原因两个锁定柱无法完全贴合，同样将固定环套于锁定柱外侧，第三凸台置于第一凸台和第二凸台在圆周方向的空隙中，按照图示的旋转方向旋转90°固定环，得到图9所示的结果，第三凸台分别置于第一凸台和第二凸台下方并顶住锁定柱，但此时第一凸台和第二凸台外侧与固定环之间不在有间隙。
本发明也可采用不同尺寸的固定环，有效解决主体拼接时定位的问题，使主体间不易发生错位，对患处的固定更加可靠。固定环的大小根据患者创后的肿胀消退不同时期，以及主体间缝隙大小可以更换合适的固定环，保证护具与患处紧密贴合。可以单次更换一个固定环直至6个固定环更换完毕，避免了直接从患处拆除导致的骨位移。
本发明的护具可以应用于各种患处，包括但不限于手臂、腿部、颈部和脚部，此处以手臂护具为例，为了固定更牢靠，第一主体1和第二主体2拼接线延伸至手掌心，根据使用具体情况以及左右手的需求，第一主体1或第二主体2一端开设有拇指孔11，当患者穿戴该手臂护具时，拇指恰好能从拇指孔中伸出。
本发明护具的第一主体和第二主体是采用以下方法打印的：
(1)通过三维扫描获得患处部位特征，将患处的点云数据模型处理得到一个STL.格式的三维模型，再用软件对模型进行逆向处理；
(2)对逆向处理结果进行设计和参数化处理，使其具有透气性、功能性和美观性；
(3)将步骤2的结果导入模型修复软件进行修复和切片处理，生成含有打印信息的打印文件；
(4)将打印文件导入3D打印机，本实施例使用的是sls粉末打印机，得到第一主体(1)和第二主体(2)的实体模型；
(5)将打印的模型进行一系列后处理，再进行组装；将打印好的第一主体和第二主体通过固定装置进行拼接并固定于患处。
上述处理患处的点云数据模型，是将患处点云数据导入3-matic软件进行修复处理，导出STL.文件于Rhinoceros，在Rhinoceros中运用插件T-Splines对STL.进行逆向处理，再针对T-Splines导出的曲面用grasshoper插件进行参数化设计。
本实施例示出的是护具是由第一主体和第二主体两部分组成，也可根据患处情况和制作条件等因素，将护具拆分为多件进行固定连接，打印方法相同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种三维打印护具，其特征在于：包括若干固定环(5)、第一主体(1)和第二主体(2)；
第一主体(1)和第二主体(2)拼接后形成的容腔与患处吻合，第一主体(1)与第二主体(2)拼接处边沿分别设有成对的多个半圆柱状的锁定件，其中第一主体(1)的锁定件记为第一锁定柱(3)，第二主体(2)的锁定件记为第二锁定柱(4)，所述第一锁定柱(3)和第二锁定柱(4)形状适配，满足：第一主体(1)与第二主体(2)拼接时，第一锁定柱(3)和第二锁定柱(4)共同形成一个完整的圆柱体；
固定环(5)的内表面径向尺寸与第一锁定柱(3)和第二锁定柱(4)整体外表面的径向尺寸相适配，使得在拼接状态时固定环(5)对第一锁定柱(3)和第二锁定柱(4)整体形成径向限位；
第一锁定柱(3)和第二锁定柱(4)沿圆周表面分别设有相同圆弧状的第一凸台(6)和第二凸台(7)；所述固定环(5)内表面设有两段第三凸台(8)，两段第三凸台(8)的尺寸以及位置与所述第一凸台(6)和第二凸台(7)相适配，满足：固定环(5)套接于拼接状态时第一锁定柱(3)和第二锁定柱(4)，两段第三凸台(8)能够沿轴向通过第一凸台(6)与第二凸台(7)在圆周上的间隙，并在旋转固定环(5)后使两段第三凸台(8)分别被第一凸台(6)和第二凸台(7)的下表面限位。
2.如权利要求1所述一种三维打印护具，其特征在于：第一凸台(6)和第二凸台(7)的上表面分别与第一锁定柱(3)和第二锁定柱(4)的上表面平齐。
3.如权利要求1所述一种三维打印护具，其特征在于：所述第一锁定柱(3)与第二锁定柱(4)各设有6个，且在第一主体(1)和第二主体(2)拼接处的两条边沿对称设置。
4.如权利要求1所述一种三维打印护具，其特征在于：第一主体(1)和第二主体(2)上均开设有透气孔。
5.如权利要求1所述一种三维打印护具，其特征在于：所述第一锁定柱(3)与第一主体(1)间还设有第一连接座(9)，第二锁定柱(4)与第二主体(2)间还设有第二连接座(10)，第一主体(1)和第二主体(2)拼接时，第一连接座(9)和第二连接座(10)相应接触面贴合。
6.如权利要求1所述一种三维打印护具，其特征在于：所述患处为手臂，第一主体(1)或第二主体(2)前端开设有用于露出拇指的孔(11)。
7.如权利要求1-6任一项所述三维打印护具的打印方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，三维扫描获得患处部位特征并建立三维模型，对模型进行逆向处理；
步骤2，对逆向处理结果进行设计和参数化处理；
步骤3，将步骤2的结果导入模型修复软件进行修复和切片处理，生成含有打印信息的打印文件；
步骤4，将打印文件导入3D打印机，得到第一主体(1)和第二主体(2)的实体模型。
8.如权利要求7所述一种三维打印护具的打印方法，其特征在于：所述步骤1具体为：将患处部位特征的点云数据导入3-matic软件进行点云数据处理，导出STL.文件于Rhinoceros，在Rhinoceros中运用插件T-Splines对STL.文件进行逆向处理。
9.如权利要求7所述一种三维打印护具的打印方法，其特征在于：所述步骤2用grasshoper插件进行参数化处理。
10.如权利要求7所述一种三维打印护具的打印方法，其特征在于：所述3D打印机为sls粉末打印机。
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