CN114224608A - 一种基于3d打印预防瘢痕增生的耳模制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，包括如下步骤：步骤一、采集人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据；步骤二、以人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据建立耳部损伤区域轮廓外形的三维模型；步骤三、对三维模型建立耳廓的有限元仿真模型；步骤四、对耳廓的有限元仿真模型施加受力边界条件，获得耳廓的有限元仿真模型的最大应力点和最大应变点，获得耳模的信息；步骤五、将耳模的信息导入3D打印机中，以硅酮凝胶打印耳模与人耳接触的下层结构和上层结构，在耳模的中间层埋入加强结构，获得耳模。本发明跟随耳廓形状更好的加压治疗，提高预防瘢痕增生的效果。

Description

一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法

技术领域

本发明涉及生物医疗技术领域，更具体的是，本发明涉及一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法。

背景技术

烧伤患者经治疗后，创面部位的皮肤组织往往留有不同程度的后遗症，即增生性瘢痕。增生性瘢痕属病理性瘢痕，形态异常，通常发生局部增厚变硬，突出于皮肤表面，颜色发紫或潮红，质地实韧甚至发生挛缩，影响个人形象。针对增生性瘢痕的及早、有效治疗一直是烧伤康复工作的重点。

目前，增生性瘢痕已建立物理治疗、手术治疗和药物治疗等多种治疗方式。物理治疗以压力疗法为主，硅酮凝胶外用联合压力治疗被认为是治疗增生性瘢痕最有效的方式之一，硅酮凝胶是外用药物治疗的常用选择，其原理是瘢痕局部毛细血管受到外力压迫，瘢痕组织内毛细血管减少，胶原形成速度降低，胶原纤维呈平行排列，成纤维细胞和肌成纤维细胞减少。从硅酮凝胶发挥作用的原理进行分析，硅酮凝胶祛疤的作用不是硅酮本身，而是因为硅酮凝胶形成了一个封闭的水合、湿润环境，使瘢痕中的成纤维细胞、纤维细胞和胶原得到部分改善，使部分瘢痕的胶原恢复正常的解剖排列层次，减少瘢痕形成与增生。硅酮凝胶涂布于皮肤表面，为缺乏角质层保护的瘢痕区域提供一层保护膜，防御灰尘。细菌等外源刺激，减少水分流失，保持瘢痕区域的湿润，缓解瘢痕变硬程度。外用硅酮凝胶可以明显改善烧伤后增生性瘢痕色泽、血管分布、厚度和柔软度等评分情况，减轻瘙痒、疼痛和感觉异常等临床症状，对烧伤后增生性瘢痕具有良好疗效。在对烧伤后增生性瘢痕的长期诊疗过程中发现，越早使用硅酮凝胶，疗效越显著，病程短的患者其使用效果优于病程长的患者，瘢痕症状减轻更加明显。

硅酮是有机硅氧化物的高分子聚合物，化学性质稳定，无毒无刺激，安全性高，润滑性好，适合涂布于皮肤。硅酮与有机溶剂、乳化剂等溶剂结合后，经不同工艺制备，可制成软膏、贴剂等外用硅酮凝胶药物。但是压力疗法更适用于四肢部位的烧伤后增生性瘢痕，在处理四肢的瘢痕部位时，可根据瘢痕部位及大小，将弹力套制成适用于瘢痕的形状进行佩戴，在确定瘢痕无破溃情况后，取适量硅酮凝胶涂抹外敷，涂抹面积完全覆盖瘢痕位置，外部可用一层布包裹，还可用其它弹性织物。

然而耳部和面颈部等部位因难以长时间遭受压迫，导致压力疗法无法有效应用。医生在对病人耳廓进行预防瘢痕增生治疗时，由于耳廓形状不规则、凹凸不平和配戴易脱落等问题，目前尚缺乏有效的防治耳廓瘢痕措施。

发明内容

本发明的目的是设计开发了一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，通过成像扫描技术、有限元仿真技术和3D打印相结合，使得耳模全贴合，对耳部损伤区域有效加压，预防耳部损伤区域的瘢痕增生。

本发明提供的技术方案为：

一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，包括如下步骤：

步骤一、采集人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据；

步骤二、以所述人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据建立耳部损伤区域轮廓外形的三维模型；

步骤三、对所述三维模型建立耳廓的有限元仿真模型；

步骤四、对所述耳廓的有限元仿真模型施加受力边界条件，获得耳廓的有限元仿真模型的最大应力点和最大应变点，获得耳模的信息；

步骤五、将所述耳模的信息导入3D打印机中，以硅酮凝胶打印耳模与人耳接触的下层结构和上层结构，在所述耳模的中间层埋入加强结构，获得耳模；

其中，所述硅酮凝胶为质量比为100:1的硅酮和固化剂；

所述加强结构为碳纤维丝增强材料；

所述加强结构为以最大应力点为圆心，直径为1cm的范围，沿所述最大应变点的应变变化方向进行加强。

优选的是，所述步骤一包括：

步骤1、对所述人耳耳廓损伤部位进行三维扫描获得文件信息；

步骤2、对所述文件信息进行中心检测，获得初始中心集；

步骤3、计算所述初始中心集的残差平方和，获得边界元素对应的中心点和泰森多边形，以所述边界元素到所述泰森多边形的最大偏移距离生成对应所述边界元素的扫描路径段，获得人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据。

优选的是，所述步骤二具体包括：

将所述人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据依次进行点云编辑、八叉树细分和点云法向估计，将反求点云转变为片体后删除所述人耳耳廓损伤部位外的其他影像，获得初始三维模型，对所述初始三维模型布点后生成耳部损伤区域轮廓外形的三维模型。

优选的是，所述步骤二还包括：

对所述耳部损伤区域轮廓外形的三维模型中尖角部位编辑成光滑圆角；

其中，所述尖角部位为小于30°的部位。

优选的是，所述编辑成光滑圆角为剔除尖角部位端点的数据，并将所述尖角部位端点两侧的数据点连线。

优选的是，所述步骤三具体包括如下步骤：

将所述三维模型导入有限元分析软件中并进行网格划分，并添加属性参数和皮肤，获得耳廓的有限元仿真模型；

其中，所述属性参数包括：

弹性模量2.14MPa、密度1.17g/cm³、撕裂强度18kN/m和破坏强度4.2MPa；

所述皮肤为超弹性材料。

优选的是，所述施加受力边界条件为从0到0.5s内将1atm的压力线性增加到所述耳廓的有限元仿真模型外表面。

优选的是，所述步骤四还包括：

将所述耳廓的有限元仿真模型通过布尔运算求出对应的阴模模型，获得耳模的形状信息和尺寸信息。

优选的是，所述步骤五还包括：

将所述耳模信息转换为STL格式文件并生成STL模型，并将所述STL模型导入3D打印机中。

优选的是，所述3D打印机包括生物3D打印机和复合材料3D打印机，所述生物3D打印机打印下层结构和上层结构，所述复合材料3D打印机打印加强结构。

本发明所述的有益效果：

(1)、本发明设计开发的一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，通过有限元仿真提前分析发现耳廓的主要受力方向，利用3D打印设备进行耳模装置的3D打印，同时采用埋入碳纤维等加强材料的方式进行加强，更好地对耳部损伤区域进行加压治疗，有效预防耳部损伤区域的瘢痕增生。

(2)、本发明设计开发的一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，结合成像扫描技术、有限元仿真技术能够对病人耳廓损伤区域进行扫描成像和受力分析，得到耳廓的变形情况，从而能够根据病人的耳廓情况有效地进行私人订制，制作更合适的耳模预防瘢痕增生；耳模装置实现全贴合，达到随耳廓形状进行加压目的，能够提供更好的压力，预防瘢痕增生效果更好。

(3)、本发明设计开发的一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法的控制方法，利用3D打印技术，实现硅酮凝胶和碳纤维丝等加强材料的融合，既能实现有效压力治疗，也能在耳廓损伤区域更好地固定耳模装置，达到更好地治疗效果；耳模装置固定更牢固，不易变形，可以承受更大的拉力，使用更安全更方便，不易脱落。

附图说明

图1为本发明所述人耳耳廓损伤部位三维扫描成像的示意图。

图2为本发明所述拟合度高于95％的耳部轮廓外形三维模型示意图。

图3为本发明所述耳廓的有限元仿真模型的示意图。

图4为本发明所述耳廓仿真分析变形结果的示意图。

图5为本发明所述加强结构的打印位置和方向的示意图。

具体实施方式

下面结合对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法包括如下步骤：

步骤一、通过三维成像扫描仪对人耳耳廓损伤部位进行三维扫描处理，如图1所示，获得损伤部位的外形曲面点位坐标数据，包括以下步骤：

步骤1、解析三维成像扫描仪得到耳廓损伤部位的文件信息；

步骤2、对损伤部位的文件信息进行中心检测，得到初始中心集；

步骤3、对所述初始中心集进行残差平方和处理，得到边界元素对应的中心点，确定所述边界元素对应的泰森多边形；

根据所述边界元素到所述泰森多边形的最大偏移距离，生成针对所述边界元素的扫描路径段，得到损伤部位的外形曲面点位坐标数据。

步骤二、将步骤一中得到耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据导入逆向工程软件，进行点云编辑处理，通过八叉树细分和对点云的法向估计进行耳廓点云数据简化。经过反求点云转变成片体，并删除损伤部位外多余的影像获得初始三维模型，并利用曲面多边形原则对初始三维模型布点，生成拟合度高于95％的耳部轮廓外形三维模型。

同时，使用UG NX三维建模软件对三维模型中曲率变化太急剧(角度小于30°)的尖角部位编辑处理成光滑圆角，依次进行剔除尖角部位端点的数据，并将尖角部位端点临近的数据点连线作平滑处理，如图2所示。

步骤三、采用ANSYS有限元分析软件对所述耳部轮廓外形的高度拟合三维模型进行网格划分，并在有限元分析软件中对耳廓三维模型的材料属性选项中添加属性参数，具体如表一所示，定义皮肤为超弹性材料，得到耳廓的有限元仿真模型，如图3所示。通过ANSYS Workbench将模型网格划分为四面体显性单元，并定义了耳模结构与耳廓接触的增广拉格朗日公式。针对受力过程中蒙皮变形较大的问题，开启大挠度开关，定义可变形网格。

表一 属性参数

步骤四、根据人耳受力情况，对耳模的有限元仿真模型施加受力边界条件，从0到0.5s内将1atm的压力线性增加到耳廓外表面，即使耳廓表面发生变形时，压力也始终保持在表面，经过迭代分析计算，得到耳廓各区域的应力云图和应变云图，并且提取得到最大应力点和最大应变点，如图4所示。

根据所述耳部轮廓外形的高度拟合三维模型，并结合获得的最大应力点和最大应变点分析结果，采用布尔运算求出拟合模型对应的阴模模型，得到耳模装置的形状和尺寸。

在使用3D打印机进行耳模装置打印前，根据中有限元分析的耳廓变形数据，耳模中需要加强的方向和位置为以最大应力点为圆心，直径为1cm的范围，沿所述最大应变点的应变变化方向进行加强，如图5所示，该方向位置在3D打印时通过埋入碳纤维丝材料进行加强。

利用计算机根据修改设计后的三维模型建模，生成能够包裹瘢痕部位及瘢痕周边部位的耳模。

步骤五、将设计好的耳模通过UG NX三维建模软件转换成STL格式文件，并生成STL模型，将所述STL模型导入3D打印机，进行切片并打印产品。

将所述耳模数据信息导入3D打印机中，采用硅酮凝胶、碳纤维丝两种材料结合进行耳模的3D打印，具体的通过生物3D打印机和复合材料3D打印机对耳模装置进行3D打印，采用多种材料进行多层打印铺层，包括以下过程：

先通过生物3D打印机对耳模进行打印时，使用硅酮凝胶打印耳模与人耳接触的下层结构，通过改变硅酮和固化剂的比例可以调节力学性能；

在本实施例中，使用的是按照硅酮和固化剂的质量比为100:1制备的硅酮凝胶；

再利用复合材料3D打印机在耳模装置中间层打印碳纤维丝增强材料；

然后利用生物3D打印机将耳模装置的上层打印硅酮凝胶，按照硅酮和固化剂的质量比为100:1制备硅酮凝胶，把中间层的碳纤维丝增强材料包裹其中，对整个耳模装置起到良好的增强作用；

其中，所述的最大应力点和最大应变点，利用碳纤维丝材料进行加强处理，在主要受力点位置进行耳模加强处理，并且在最大变形位置进行固定处理，使得耳模装置更轻且能承受更大的支撑力，防止病人佩戴过程中意外脱落；

通过3D打印机得到耳模结构，耳模装置打印完成后，将其固定到病人耳中进行压力治疗。

本发明设计开发的一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，结合成像扫描技术、有限元仿真技术能够对病人耳廓损伤区域进行扫描成像和受力分析，分析得到耳廓的变形情况，提前分析发现耳廓的主要受力方向；利用3D打印设备进行耳模装置的3D打印，同时采用埋入碳纤维等加强材料的方式进行加强，耳模实现全贴合，达到随耳廓形状进行加压目的，更好地对耳部损伤区域进行加压治疗，能够提供更好的压力，有效预防耳部损伤区域的瘢痕增生，效果更好；同时，实现硅酮凝胶和碳纤维丝等加强材料的融合，既能实现有效压力治疗，也能在耳廓损伤区域更好地固定耳模装置，达到更好地治疗效果。耳模装置固定更牢固，不易变形，可以承受更大的拉力，使用更安全更方便，不易脱落。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。

Claims (10)

1.一种基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、采集人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据；

步骤二、以所述人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据建立耳部损伤区域轮廓外形的三维模型；

步骤三、对所述三维模型建立耳廓的有限元仿真模型；

步骤四、对所述耳廓的有限元仿真模型施加受力边界条件，获得耳廓的有限元仿真模型的最大应力点和最大应变点，获得耳模的信息；

步骤五、将所述耳模的信息导入3D打印机中，以硅酮凝胶打印耳模与人耳接触的下层结构和上层结构，在所述耳模的中间层埋入加强结构，获得耳模；

其中，所述硅酮凝胶为质量比为100:1的硅酮和固化剂；

所述加强结构为碳纤维丝增强材料；

所述加强结构为以最大应力点为圆心，直径为1cm的范围，沿所述最大应变点的应变变化方向进行加强。

2.如权利要求1所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述步骤一包括：

步骤1、对所述人耳耳廓损伤部位进行三维扫描获得文件信息；

步骤2、对所述文件信息进行中心检测，获得初始中心集；

步骤3、计算所述初始中心集的残差平方和，获得边界元素对应的中心点和泰森多边形，以所述边界元素到所述泰森多边形的最大偏移距离生成对应所述边界元素的扫描路径段，获得人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据。

3.如权利要求2所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

将所述人耳耳廓损伤部位的外形曲面点位坐标数据依次进行点云编辑、八叉树细分和点云法向估计，将反求点云转变为片体后删除所述人耳耳廓损伤部位外的其他影像，获得初始三维模型，对所述初始三维模型布点后生成耳部损伤区域轮廓外形的三维模型。

4.如权利要求3所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述步骤二还包括：

对所述耳部损伤区域轮廓外形的三维模型中尖角部位编辑成光滑圆角；

其中，所述尖角部位为小于30°的部位。

5.如权利要求4所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述编辑成光滑圆角为剔除尖角部位端点的数据，并将所述尖角部位端点两侧的数据点连线。

6.如权利要求5所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述步骤三具体包括如下步骤：

将所述三维模型导入有限元分析软件中并进行网格划分，并添加属性参数和皮肤，获得耳廓的有限元仿真模型；

其中，所述属性参数包括：

弹性模量2.14MPa、密度1.17g/cm³、撕裂强度18kN/m和破坏强度4.2MPa；

所述皮肤为超弹性材料。

7.如权利要求6所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述施加受力边界条件为从0到0.5s内将1atm的压力线性增加到所述耳廓的有限元仿真模型外表面。

8.如权利要求7所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述步骤四还包括：

将所述耳廓的有限元仿真模型通过布尔运算求出对应的阴模模型，获得耳模的形状信息和尺寸信息。

9.如权利要求8所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述步骤五还包括：

将所述耳模信息转换为STL格式文件并生成STL模型，并将所述STL模型导入3D打印机中。

10.如权利要求9所述的基于3D打印预防瘢痕增生的耳模制造方法，其特征在于，所述3D打印机包括生物3D打印机和复合材料3D打印机，所述生物3D打印机打印下层结构和上层结构，所述复合材料3D打印机打印加强结构。

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