CN110505816B - 使用足部压力测量和材料硬度和/或结构减轻足部压力来通过3d打印生产足矫正鞋垫的方法 - Google Patents

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Abstract

一种生成用于鞋类的定制制造矫正鞋垫或鞋内底的方法和装置。与人足底施加的压力有关的信息用于通过使用较软的材料或选择性地位于特定个人的压力点处的不同结构部件来卸除在这些点处的足部上的压力，为该人定制生产矫正鞋垫或鞋内底。针对个人的足部获取的压力读数识别该足部的压力点。量化压力点，并将足部以网格格式映射到压力图上。在映射后，基于映射将与特定压力值相对应的结构部件放置在矫正鞋垫中。压缩单元基于个人的压力读数以及利用压力响应传感器的电子压力板得出的结果经由3D打印方法制成。

Description

使用足部压力测量和材料硬度和/或结构减轻足部压力来通 过3D打印生产足矫正鞋垫的方法
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2017年2月14日提交的美国临时申请No.62/458,946的优先权，其全部内容通过引用完全并入本文。
技术领域
本发明涉及用于预防和缓解足部问题的足矫正法(pedorthics)，并且特别适用于针对个人定制的矫正鞋垫。
背景技术
足部问题和与足部护理有关的相应费用花费了数百万美元。如果足部问题对于某些活动变得虚弱，则可能会浪费数小时的工作时间。足部问题可能来自医疗条件、需要站立或行走的工作条件、体育活动等。因此，足部问题可能会由于医疗条件、工作活动或休闲活动而发展。
足矫正法是与鞋类、足部矫正鞋垫和足部用具的设计、制造、适配和修改有关的技术，其被规定来帮助缓解足部的疼痛或致残状况。对于那些练习各种足矫正法的人来说，目标是为消费者/患者提供保护和舒适感。实现这一目标的主要方法之一是在最大的影响区域降低压力。历史上，这是通过矫正鞋垫和/或对鞋类进行外部修改来实现的。
一种为消费者或患者提供保护和舒适的传统方法是使用插入鞋类中的矫正鞋垫或鞋内底(insole)来缓冲足底。还有些产品通过修改可移除的矫正鞋垫或鞋内底来减少压力，该可移除矫正鞋垫或鞋内底通过去除选定的矫正鞋垫或鞋内底的部件来适配鞋的内部。
在现有技术中，通常有两种制造矫正鞋垫的方法。在第一种方法中，对足部进行铸模以实质上为最终的矫正鞋垫提供“模板”。根据该方法，通常将硬质热塑性材料加热以使其软化，并且然后将软化的热塑性材料模制到足的铸模上，使得热塑性材料变成模具的形状(并进而变成足的形状)，并且然后它被冷却而使其再次变硬。在第二种方法中，由足的铸模形成模具，并且使用众所周知的注射成型技术，通常将加热的热塑性或热固性聚合物压入模具型腔中，其在模具型腔中冷却并硬化成型腔的形态。
最近，3D打印技术已基本用于定制生产矫正鞋垫或鞋内底，而无需经过上述处理步骤来生成模具，加热热塑性材料，并且然后将其成形或注入模具中。取而代之的是，将定义矫正器形状的数据输入到3D打印机中，以制成任何3D打印产品的相同方式制成成品。然而，与本发明不同，现有技术中的成品与通过现有技术中所述的热成形热塑性塑料的工艺制成的成品基本上保持相同，以生产出适合用户足部的硬质插入物。共同转让的美国专利号7,493,230公开了一种方法和装置，用于使用与由足底施加的压力有关的信息来生成用于鞋类的矫正鞋垫或鞋内底，该信息与矫正鞋垫或鞋内底的可拆卸部件相关。实施例包括用于生成用于鞋类的矫正鞋垫或鞋内底的方法和装置，包括从压力板接收与足底的压力图相对应的数据；确定在压力图内超过预定相对压力水平的高相对压力区域；以及将与高相对压力区域有关的数据关联到包括与压力图相对应的可拆卸矫正鞋垫或鞋内底部件的矫正鞋垫或鞋内底。在一些实施例中，生成与高相对压力区域有关的相关联数据的报告。在进一步实施例中，该报告提供了与高相对压力区域相关联的矫正鞋垫或鞋内底的可拆卸部件有关的信息。
尽管上述产品和方法导致减小的足部压力，但是希望有一种方法和系统，通过该方法和系统，3D打印技术可用于从现有技术的压力图中提取压力信息并选择性地改变定制矫正鞋垫或鞋内底的选定区域处的结构和/或材料硬度，从而为个人定制矫正鞋或矫正鞋垫或鞋内底。
发明内容
本发明的优点是一种用于生成定制的鞋类矫正鞋垫或鞋内底的方法和装置。本发明的方法和装置使用与人的足底施加的压力有关的信息，通过使用选择性地位于特定个人的压力点处的不同结构部件为该人定制生产矫正鞋垫或鞋内底来卸除在这些点处的足上的压力。在基本配置中，结构部件可以包括例如具有通常可压缩的格子结构的单独压缩单元，也就是说，如在附图中更充分示出的具有以规则的重复三维排列配置的可压缩材料的交错结构。针对个人的足部获取的压力读数识别该足部的压力点。在优选实施例中，压力点被量化并且足部以压力图上的网格形式被“映射”。在映射后，基于映射将与特定压力值相对应的结构部件放置在矫正鞋垫中。在优选实施例中，基于个人的压力读数以及利用压力响应传感器的电子压力板得出的结果经由3D打印方法制成压缩单元。本发明的目的是通过调节矫正鞋垫材料的硬度、柔软度和/或矫正鞋垫结构来卸载足部的高压力区域的足部压力。
附图说明
图1是根据本发明的系统的基本框图；以及
图2是示出本发明的基本步骤的流程图；
图3示出了根据本发明的方法制成的矫正鞋垫或鞋内底插入物的底视图；
图4示出了根据本发明的方法制成的矫正鞋垫或鞋内底插入物的左视图；
图5示出了根据本发明的方法制成的矫正鞋垫或鞋内底插入物的右视图；
图6示出了根据本发明的方法制成的矫正鞋垫或鞋内底插入物的顶部透视图；
图7更详细地示出了压缩单元的结构，其中十三个压缩单元彼此相邻，通常对应于例如在图3的足后跟部分处所示的十三个单元配置；
图8图示了单个压缩单元；
图9和图10更详细地示出了压缩单元的结构；
图11示出了二十九个单独压缩单元；
图12示出了单个压缩单元；
图13示出了图12所示的压缩单元310的内部结构1204；以及
图14至图20示出但不限于可使用的且由所附权利要求覆盖的压缩单元的配置的附加示例。
具体实施方式
本发明所基于的概念是通过基于个人的足部的压力测量的3D打印来制造定制的足部矫正鞋垫或鞋内底。在优选实施例中，在个人站立在使用压力传感器并接收足部的压力分析的电子压力板上之后，将压力测量映射以制成足部的数据模型。然后将数据模型输入3D打印机以制成定制的矫正鞋垫或鞋内底，该定制的矫正鞋垫或鞋内底通过在矫正鞋垫或鞋内底内选择性放置单独的压缩单元来提供适合足部的不同压力卸除量，其中基于压缩单元的压力卸除能力选择在特定位置处使用的特定压缩单元。通过材料结构、材料硬度、材料柔软度或其组合，可以生产矫正鞋垫或鞋内底，该矫正鞋垫或鞋内底可以卸除负荷并有助于缓解所指示的足部的不同位置处的高压力。本发明不限于使用传感器设备进行压力测量。即，获得压力测量的任何方式，包括但不限于热压力测量设备，或诸如哈里斯垫足部压印机的手动方法(例如，获得数据并手动输入到系统的方法)可用于获得压力测量并且仍然落入所要求保护的发明的范围内。
由足部扫描仪收集被扫描个人的多色足部压力数据。利用来自电子压力板测量的压力点分析读数，每个传感器的读数确定矫正鞋垫或鞋内底上各个区域的硬度。矫正鞋垫或鞋内底的较软区域将那些点上的压力卸除到矫正鞋垫或鞋内底的较硬区域。本发明通过将指定数值范围内的数值压力值指派和分配给每个压力读数来量化所发出的特定足部的变化和梯度足部压力(通过示例而非限制，范围可以是1到15，其中1是最低压力，而15是最高压力)。足部矫正鞋垫或鞋内底的某些区域可以利用较硬和/或较软的材料来适应个人足部的各种压力读数。在足部压力测量值读数较高的位置，矫正鞋垫材料可以较软以帮助卸除负荷并缓解过大的压力并将压力转移到其它区域。
可替代地(或除了改变材料的硬度或柔软度之外)，足部矫正鞋垫或鞋内底的某些区域可以利用结构调节(例如屈服能力、屈服参数、编织工艺)使结构对不同压力进行不同地反应以适应个人足部的较高或较低压力读数。
本发明可以单独地或以其任何组合利用材料的柔软度、硬度和/或材料结构来生产矫正鞋垫或鞋内底。来自传感器的每个压力读数都与不同的结构、硬度或其组合相关联，从而使得矫正鞋垫或鞋内底的生产直接与足部压力分析结果相协调。本发明将矫正鞋垫或鞋内底的CAD(计算机辅助设计)模型转换成尺寸可以变化的网格(作为示例而非限制，例如1cm×1cm网格；1/4cm×1cm网格；等等)，其中每个单独的网格文件都对应压力传感器。根据该矩阵，可以基于发出的扫描数据制成网格位置处的单独结构，或指定数量的不同结构组合(作为示例而非限制，在特定的网格位置处可以有单个的单独结构，或是3个不同的组合，6个不同的组合，10个不同的组合-组合越多，矫正鞋垫的“分辨率”越高，并且可以利用任何数量的组合，无论是较小的组合(包括在单个网格位置处的单个结构)还是较大的组合)。网格上的每个点都分配有压力编号，并且结构或(多个)结构组合相应地放置在网格位置处。在将压力图数据分配给网格/矩阵内的单独的模型之后，然后通过压力编号来识别单独的模型，并创建指定数量(例如6，7，8，...n)的合并模型。然后为指定数量的压力模型(例如6个)分配专门设计的扫描策略和内部支撑结构以创建矫正鞋垫的压力响应模型。
将可用的足部压力分析数据从电子压力板传递到3D打印机的优选方法经由立体光刻(STL)工艺。自1990年代以来，立体光刻模型已在医学中用于基于计算机扫描的数据集创建患者各个解剖区域的准确3D模型。用于实施本发明的示例性传统压力板设备是
Figure BDA0002229114490000051
压力板，可从新泽西州Teaneck的Aetrex Worldwide公司获得。与该压力板一起使用的
Figure BDA0002229114490000052
系统是数字压力分析系统，该系统可准确地获取人的足部的压力读数。该技术使用具有0.25cm2的压力传感器，并且可以正确识别人的足部的哪些区域在站立时吸收最大的压力和/或冲击。
当使用压力板时，人在压力板上站立10至30秒或一些其它合适的时间量，并且传感器将信号发送到计算机以绘制并图示足。
Figure BDA0002229114490000061
压力板具有3700多个以上传感器，但通常只有大约一半的末端与足部接触。在大多数情况下，每只足都会遇到800-1200个传感器，并且该技术会基于传感器上施加的力为每个传感器提供读数，从而形成足部的“压力图”。类似于指纹，该读数是个性化的，并且从一个人到另一个人的压力分配通常存在差异。
根据本发明的优选实施例，使用压力传感器扫描足部，并且然后使用立体光刻和处理器来处理扫描数据，该处理器被配置为将数据转换成到3D打印机的输入，该3D打印机产生定制的矫正鞋垫或鞋内底，该矫正鞋垫或鞋内底可以基于个人的压力测量在需要的地方减少过大的足部压力，如以下更详细所述。在美国专利号7,493,230中描述了用于获得足部压力分析数据及其到特定足部的映射所描述的系统和方法，该专利通过引用全部并入本文。
在优选的STL方法下，文件格式将允许3D形状由3D打印机软件和硬件可读取。传输格式可能需要编程调节和/或编辑，包括但不限于手动调节和/或编辑，这取决于所使用的特定3D打印机和所使用的软件组件之间的打印机的通信方法；即它提供的3D打印机的应用编程接口(API)，其中可能包括其子例程定义、协议以及用于调节和/或创建应用软件的其它工具。
可以使用替代的数据传输格式，其包括但不限于手动数据传输。
图1是示出本发明的系统的基本系统图。从图1中可以看出，用于进行足部压力测量的压力传感器10，诸如电子压力板传感器(例如，AETREX iStep NOVA足部扫描仪)与根据本发明被配置有代码的处理器12耦合，该代码将使处理器对从压力传感器10输出的数据执行立体光刻并且输出3D打印机数据，该3D打印机数据将配置3D打印机14以制成与压力传感器10进行的足部压力测量相对应的自定义矫正鞋垫。
图2是描述由图1的系统执行以制成定制矫正鞋垫或鞋内底的步骤的流程图。在步骤20处，将一只足放在压力传感器上，并获取与足部相对应的压力读数，并将压力数据输出到处理器。在步骤22处，处理器接收压力数据，并使用立体光刻工艺将压力数据转换为3D打印机数据，该3D打印机数据将指示3D打印机如何制成定制矫正鞋垫或鞋内底。在步骤24处，3D打印机数据由3D打印机接收，并基于3D打印机数据制成定制矫正鞋垫。在步骤26处，该过程结束。
现在参考图3-20，描述了根据本发明的矫正鞋垫或鞋内底及其制造方法。图3-6示出了根据本发明的方法制成的矫正鞋垫或鞋内底插入物的底视图、左视图、右视图和顶部透视图。例如，在图1中，可以看到整个矫正鞋垫或鞋内底插入物由不同类型的压缩单元结构302、304、306、308、310、312、314、316、318和320制成。根据本发明，每种压缩单元类型用不同的结构制成，每种结构决定了每个压缩单元的压力响应。例如，如下面进一步详细讨论的，压缩单元类型302在其结构中利用了更大更灵活的元件，使其更容易压缩，并且从而使其具有更大的压力响应，并当放在足下时，具有较柔软的“感觉”。相比之下，压缩单元类型310利用更小、更坚固和更紧凑的结构，使其更不容易压缩，并且从而使其压力响应较小，并且当放在足下时具有较硬的“感觉”。压缩单元结构302、304、306、308、310、312、314、316、318和320中的每一个都以某种方式不同，使得在该示例中，可以向矫正鞋垫的网格上的各个位置分配十种不同的压力响应，以在整个矫正鞋垫或鞋内底的表面实现非常精确和高分辨率的压力响应。应当理解，提供这十个压缩单元结构仅出于示例的目的，并且鉴于本文所包含的信息，本领域普通技术人员可以开发出许多其它替代的压缩单元结构，该结构提供特定的所需压力响应，并且所有此类替代和修改都落入在此要求保护的本发明的范围内。
图7和图8更详细地示出了压缩单元302的结构。图7示出了彼此相邻的十三个压缩单元302，其大致对应于例如在图3的足后跟部分处示出的十三个单元的配置。图8示出了单个压缩单元302。如图所示，每个压缩单元302包括大致圆形的顶部部分802、大致圆形的底部部分804，以及在该示例中的四个大致螺旋状或盘旋形的挠性元件806，该挠性元件806连接圆形顶部部分802和圆形底部部分804，如图所示。在优选实施例中，用于制成压缩单元302的材料是弹性材料，当被压缩时该弹性材料可以弯曲但不会破裂。此类材料的示例包括(但不限于)TPU(热塑性聚氨酯)、尼龙和TPE(热塑性弹性体)。
从以上描述和附图中可以理解，当力向下施加到顶部部分802上时，螺旋元件806在向下方向中变形，从而允许顶部部分802向下移动，从而提供足底“海绵状”感觉。因为材料是有弹性的，所以当向下减小顶部部分802上的压力时，螺旋元件806朝着其静止位置偏置返回，从而也使顶部802朝着其静止位置向上返回移动。
图9和图10更详细地示出了压缩单元306的结构。如图9中最优所示，每个压缩单元306包括四个较小版本的压缩单元302的组合，这些压缩单元连接在一起形成基本为方形的单元，其详细信息将结合图10进行最优描述。在该示例中，每个压缩单元306占用与每个压缩单元302大致相同的“占用空间”；换句话说，将压缩单元302的四个较小的版本连接在一起以形成单个压缩单元306，该单个压缩单元306占用与压缩单元302基本上相同的空间量。在优选实施例中，用于压缩单元302的弹性材料还用于压缩单元306(实际上，用于所有压缩单元)，使得不必使用具有不同弹性水平的不同材料，而是基于所使用的结构而不是所使用的材料来改变压力响应。这将简化3D打印过程，因为无需改变用于3D打印的材料。
本领域普通技术人员将理解，通过在压缩单元306中使用比压缩单元302更大量的弹性材料和更强的结构密度，压缩单元306将较不容易被压缩，并且因此具有比压缩单元302更小的压力响应。
图11-13更详细地示出了压缩单元310的结构。图11示出了二十九个单独的压缩单元310；图12示出了单个压缩单元310，并且图13示出了图12中所示的压缩单元310的内部结构1204。如图12中所示，压缩单元310包括连接到多面体形状的内部结构1204并围绕多面体形状的内部结构1204的外部“网状”结构1202。如在图13中最优可见，多面体形状的内部结构1204是相对致密的结构，与压缩单元302或306相比，该相对致密的结构将承受更多的用于压缩的向下压力，并且如图12中所示，当耦合到外部网状结构1202并由外部网状结构1202围绕时，该相对致密的结构的可压缩性甚至更低。压缩单元310还占用与单个压缩单元302或306相同的占用空间。
图14-20非限制性地示出了可以使用的并且由所附权利要求覆盖的压缩单元的配置的附加示例。如本领域中已知的，可以向3D打印机提供指令以创建可以建模并输入到打印机的实际上任何形状的元素；上面详细描述并在附图中示出的压缩单元仅作为示例提供，并且在此的权利要求旨在不仅涵盖所说明和描述的配置，而且涵盖可基于其结构和组成提供不同程度的压力响应的任何配置的压缩单元。
还应理解，可以在整个矫正鞋垫中选择性地使用具有不同弹性的材料，即，对于每个压缩单元，这些材料不必是相同的材料，但是如果3D打印机对所有压缩单元都使用单一材料，则提供更简化的结构。
在此描述的任何软件步骤都可以使用标准的众所周知的编程技术来实现。上述实施例的新颖性不在于特定的编程技术，而是在于所描述的步骤的使用以及为了实现所描述的结果而公开的各种结构、材料、材料的硬度/柔软度等。体现本发明的软件编程代码通常存储在永久存储装置中。在客户机/服务器环境中，此类软件编程代码可以用与服务器相关联的存储装置存储。软件编程代码可以体现在与数据处理系统一起使用的各种已知介质中的任何一种上，诸如USB驱动器、DVD、跳转驱动器或硬盘驱动器。该代码可以分布在此类介质上，或者可以通过某种类型的网络从一个计算机系统的存储器或存储装置向由另一计算机系统的用户使用的这种其它计算机系统分发。用于在物理介质上体现软件程序代码和/或经由网络分发软件代码的技术和方法是众所周知的，并且在此将不进一步讨论。
将理解，图示的每个元素以及图示中的元素的组合可以通过执行指定功能或步骤的基于通用和/或专用硬件的系统来实现，或者通过通用和/或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
可以将这些程序指令提供给处理器以产生机器，使得在处理器上执行的指令制成用于实现图中指定的功能的部件。可以由处理器执行计算机程序指令，以使处理器执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，使得在处理器上执行的指令提供用于实现图中指定的功能的步骤。因此，图1-2支持用于执行指定功能的部件的组合、用于执行指定功能的步骤的组合以及用于执行指定功能的程序指令部件。
虽然在此已经描述了本发明的原理，但是本领域技术人员应当理解，该描述仅是通过示例的方式进行的，并且不作为对本发明范围的限制。因此，所附权利要求书旨在覆盖落入本发明的真实精神和范围内的本发明的所有修改。

Claims (14)

1.一种用于3D打印矫正鞋垫或鞋内底的方法，包括：
使用压力分析设备接收足部的压力点数据或信息；
生成用于配置3D打印设备的3D打印机输入数据或信息以打印所述矫正鞋垫或鞋内底，所述矫正鞋垫或鞋内底包括在与足部的压力点数据或信息指示的位置相关的所述矫正鞋垫或鞋内底的特定位置处的多个压缩单元，每个压缩单元具有适于产生基于在所述压力点数据或信息指示的相对应位置处的所测量压力的足底压力响应的物理结构或材料，其中所述压缩单元具有采用弹性材料制造的螺旋状或盘旋形的挠性元件；以及
使所述3D打印设备基于所生成的3D打印机输入数据或信息来打印所述矫正鞋垫或鞋内底。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，使用比在所述矫正鞋垫或鞋内底的其它位置中使用的材料更软的材料来打印与指示较高压力水平的足部的压力点数据或信息相关的所述矫正鞋垫或鞋内底的位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用如下结构打印与指示较高压力水平的足部的压力点数据或信息相关的所述矫正鞋垫或鞋内底的位置，所述结构比所述矫正鞋垫或鞋内底的其它位置中使用的结构使得它们的足底更柔软。
4.一种用于定制制造鞋类的矫正鞋垫或鞋内底的方法，所述方法包括：
接收从压力检测器获得的数据或信息，所述数据或信息对应于识别足底的压力点位置的二维压力图；
确定所述压力图内的每个识别的压力点位置的压力数；
针对每个不同的压力数制成与每个不同的压力数相对应的压缩单元，其中所述压缩单元具有采用弹性材料制造的螺旋状或盘旋形的挠性元件；以及
通过形成每个对应于与所述压力图上的每个识别的压力点位置相对应的所述压力数的多个压缩单元，使3D打印设备形成所述矫正鞋垫或鞋内底。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，与特定压缩单元对应的所述压力数由用于制成所述特定压缩单元的物理结构确定。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，与特定压缩单元对应的所述压力数由用于制成所述特定压缩单元的材料的柔软度确定。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述压力图内的所述位置由具有相等尺寸的网格位置的网格限定。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，每个压缩单元具有与每个网格位置的尺寸相同的尺寸。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，每个压缩单元大于每个网格位置的尺寸。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，每个压缩单元小于每个网格位置的尺寸。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，多个压缩单元被组合以制成压缩单元组合。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述矫正鞋垫或鞋内底包括多个压缩单元组合。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，不同的压缩单元组合包括不同的物理结构。
14.一种用于制成定制矫正鞋垫或鞋内底的系统，所述系统包括：
足部压力传感器，其被配置为感测放置在其上的足部的压力点以及提供与所述感测到的压力点相对应的数据或信息；
处理器，其耦合至所述足部压力传感器，并且被配置为接收与所述感测到的压力点相对应的所提供的数据或信息，以及对与所感测到的压力点相对应的所述数据或信息进行立体光刻，以生成3D打印机输入数据或信息，所述3D打印机输入数据或信息指示每个具有适于产生基于在所述压力点数据或信息指示的相对应位置处的所测量压力的足底压力响应的物理结构或材料的多个压缩单元，其中所述压缩单元具有采用弹性材料制造的螺旋状或盘旋形的挠性元件；以及
3D打印机，其被耦合到处理器以接收所述3D打印机输入数据或信息并且被配置为形成基于所述3D打印机输入数据或信息的所述定制矫正鞋垫或鞋内底。
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