CN114259331A - 一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，包括以下步骤：使用医疗扫描仪分别对患者的残肢部位和健肢部位进行扫描，得到残肢部位和健肢部位1：1的三维图像数据D1和D2，将D2通过CAD技术镜像得到三维图像数据D3；通过假肢技师对D1进行处理得到三维图像数据D4；将D4导入FDM增材制造设备制造得到临时接受腔P1；将P1组装成试验假肢P2，对P2扫描得到三维图像数据D5；将D5与D3进行仿真分析，得到三维图像数据D6；对D6进行建模处理，得到一体化小腿假肢三维图像数据D7；将D7传输到SLS增材制造得到一体化小腿假肢胚体P3；最后将P3通过后处理工艺进行加工处理，得到一体化小腿假肢P5，整个制作过程基于数字化技术，有效提高患者穿戴的舒适度。
Description
技术领域
本发明涉及假肢制造技术领域，特别涉及一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法。
背景技术
假肢就是用工程技术的手段和方法，为弥补截肢者或肢体不完全缺损的肢体而专门设计和制作装配的人工假体，又称“义肢”。假肢的主要作用是代替失去肢体的部分功能，使截肢者恢复一定的生活自理和工作能力，其适用对象是因疾病、交通事故、工伤事故、运动创伤等原因的截肢者。
目前的假肢制作方法主要为手工制作，由假肢技师根据截肢者的残肢特点，利用寖泡在水中的石膏绷带缠覆残肢部位取模，等到石膏绷带凝固后得到阴型模腔，然后将石膏浆灌入到阴型模腔中，待石膏浆固化后拆除阴型模腔得到和患者残肢尺寸相当的石膏阳模，假肢技师根据经验在石膏阳模上进行局部消减或增加石膏材料，得到理想的残肢石膏阳模，再通过复杂的树脂真空成型工艺制作残肢接受腔，与假肢零配件组装、打磨和调试成为满足患者穿戴的假肢成品。这种传统的假肢制作方法，制作过程主要由手工测量关键数据(长度、周长等)，然后制作模具，根据模具制作义肢，安装测试后二次调整。其主要缺点有制作工序繁杂、制作周期长、效率低、模型数据不精确、依靠制作者经验、成本高、无法重复制作等。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，包括以下步骤：
步骤S10：利用医疗专用扫描仪对患者的残肢部位进行扫描取型，得到残肢部位1：1的三维图像数据D1；
S20：利用医疗专用扫描仪对患者的健肢部位进行扫描取型，得到与健肢部位1：1的小腿图像数据D2，通过CAD技术镜像后得到小腿外观三维图像数据D3；
S30：假肢技师利用假肢修模软件Rodin4D对三维图像数据D1进行修模处理，得到与患者残肢匹配的接受腔三维图像数据D4；
S40：将接受腔三维图像数据D4导入专用FDM增材制造设备，通过专用可降解淀粉复合材料增材制造得到临时接受腔P1；
S50：将临时接受腔P1和专用可调的试验结构组装成试验假肢P2，确定试验假肢P2符合人体生物力学要求，该过程会考虑到残肢曲屈和外展角度对假肢的影响，再用医疗专用扫描仪对试验假肢P2整体三维扫描，得到试验假肢三维图像数据D5；
S60：将试验假肢三维图像数据D5与小腿外观三维图像数据D3进行UG仿真对线分析，得到小腿假肢三维图像数据D6；
S70：在Freeform软件中对小腿假肢三维图像数据D6进行建模处理，修减重复和冗余部分，再进行光顺、加厚、镂空和拓扑优化处理，得到可直接用于增材制造的一体化小腿假肢三维图像数据D7；
S80：将一体化小腿假肢三维图像数据D7传输到专用SLS增材制造设备，通过专用复合尼龙材料增材制造得到一体化小腿假肢胚体P3；
S90：最后对一体化小腿假肢胚体P3通过后处理工艺进行加工处理，得到适于患者穿戴的一体化小腿假肢P5。
优选地，所述后处理工艺用于对一体化小腿假肢胚体P3的进行表面清粉和外观浸染，包括以下步骤：
S100：将一体化小腿假肢胚体P3置于喷砂柜的回转笼内，在旋风分离器和玻璃微珠环境下以60～80r/min的速度匀速工作5～10min；之后在旋风分离器和塑料微珠环境下以80～100r/min的速度匀速工作5min，得到一体化小腿假肢半成品P4；
S110：将一体化小腿假肢半成品P4置于浸染设备槽的液体涂料内，在0.6MPa封闭压力环境下，以2℃/min的速度升温至70～80℃保持10～12h，之后将压力降为常压，自然冷却至室温，取出风干得到适于患者穿戴的一体化小腿假肢P5。
优选地，所述玻璃微珠和塑料微珠粒径均为200～600um。
优选地，所述FDM增材制造为熔融沉积制造工艺。
优选地，所述SLS增材制造为激光选区烧结工艺。
优选地，所述专用复合尼龙材料包括以下重量份数的组分：
聚十二内酰胺80～95份；玻璃纤维2～8份；纳米粒子填料1～3份；改性粘合剂0.5～2份。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明的假肢制作方法是在残疾人站立功能位和专用取型设备辅助下模拟穿戴假肢条件下获取的，可减少传统石膏取型工艺中人为施力因素造成的取型误差，扫描获得的模型数据更精确，能有效提高接收腔与残肢的吻合度以及患者穿戴的舒适度；假肢外观的设计引用了健侧肢体的外形轮廓，相比传统手工打磨制作外壳，对称美观性更好；试验假肢和专用仿真对线软件能再现残疾人患侧的下肢生物力线，具有更高的可靠性和准确性；假肢的增材制造过程大大缩减制造工序且无需人员值守，解放劳动力，降低了人力成本；数字化建模和专业浸染处理能满足残疾人对假肢外观样式、色彩的多样化需求；另外，假肢的整个设计制作过程都有数字化的模型数据可供查询及反复调用，有利于建立残肢病情的长期数字化档案、了解残疾人的病情发展、为其提供个性化的康复方案。
附图说明
图1是本发明一体化小腿假肢的制作方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
请参见图1，本发明的增材制造一体化小腿假肢的制作方法，包括以下步骤：
步骤S10：利用医疗专用扫描仪对患者的残肢部位进行扫描取型，得到残肢部位1：1的三维图像数据D1；由于该三维图像数据D1是患者在站立功能位和专用取型设备辅助下获取的，可减少传统石膏取型工艺中人为施力因素造成的取型误差，并且更贴合患者穿戴假肢站立时的实际受力情况，取型过程更接近残肢全接触承重理念；
步骤S20：利用医疗专用扫描仪对患者的健肢部位进行扫描取型，得到与健肢部位1：1的小腿图像数据D2，通过CAD技术镜像后得到小腿外观三维图像数据D3；其中小腿图像数据D2是患者在自然站立状态下获取的，该小腿外观三维图像数据D3用于辅助构建一体化小腿假肢的轮廓外形；
步骤S30：假肢技师利用假肢修模软件Rodin4D对得到的三维图像数据D1进行修模处理，得到与患者残肢匹配的接受腔三维图像数据D4；其中接受腔三维图像数据D4是考虑到患者行走时残肢肌肉收缩变形的影响，对三维图像数据D1的骨髁、腘窝、胫骨ji等部位做出适当调整后得到的；
步骤S40：将接受腔三维图像数据D4导入专用FDM增材制造设备，通过专用可降解淀粉复合材料增材制造得到临时接受腔P1；其中FDM增材制造为熔融沉积制造工艺，该过程使用的FDM增材制造设备为假肢接受腔专用，配合专用可降解淀粉复合材料，具有立等可取、短期强度高、环保的优势；
步骤S50：将临时接受腔P1和专用可调的试验结构组装成试验假肢P2，确定试验假肢P2符合人体生物力学要求，该过程会考虑到残肢曲屈和外展角度对假肢的影响，再用专用扫描仪对试验假肢P2整体三维扫描，得到试验假肢三维图像数据D5；
步骤S60：将试验假肢三维图像数据D5与小腿外观三维图像数据D3进行UG仿真对线分析，得到小腿假肢三维图像数据D6；该过程可导入患者自然站立状态下矢状面和额状面的肢体照片作为对线参考；
步骤S70：在Freeform软件中对小腿假肢三维图像数据D6进行建模处理，修减重复和冗余部分，再进行光顺、加厚、镂空和拓扑优化处理，得到可直接用于增材制造的一体化小腿假肢三维图像数据D7；其中小腿假肢三维图像数据D7可长时间保存，并且可通过软件进行局部调整以适应患者残肢的变化；
步骤S80：将一体化小腿假肢三维图像数据D7传输到专用SLS增材制造设备，通过专用复合尼龙材料增材制造得到一体化小腿假肢胚体P3；其中SLS增材制造为激光选区烧结工艺，专用复合尼龙材料由聚十二内酰胺粉末92份、玻璃纤维粉末5份、纳米粒子填料粉末2份、改性粘合剂1份混合而成；
步骤S90：最后对一体化小腿假肢胚体P3通过后处理工艺进行加工处理，得到适于患者穿戴的一体化小腿假肢P5。
本发明中，假肢的制作过程数字化，简化了工序、节省了原材料和人力并缩短了工时，进而提高了制作效率、降低了制作成本；另外，借助取型设备的残肢外形扫描更贴合患者穿戴假肢站立时的实际受力情况，使得假肢接受腔部分与残肢更加吻合带来更舒适的穿戴感受；借助专业试验装置和对线软件能高效、可靠的再现残疾人患侧的下肢生物学力线，可减少躯干和健侧肢体因受力不均带来的不适感。
增材制造完成后的后处理方法也是本发明的关键环节，该后处理工艺用于对一体化小腿假肢胚体P3的进行表面清粉和外观浸染，包括以下步骤：
步骤S100：将一体化小腿假肢胚体P3置于喷砂柜的回转笼内，在旋风分离器和粒径为400um玻璃微珠环境下以70r/min的速度匀速工作8min，之后在旋风分离器和粒径为400um塑料微珠环境下以90r/min的速度匀速工作5min，得到一体化小腿假肢半成品P4；
步骤S110：将一体化小腿假肢半成品P4置于浸染设备槽的液体涂料内，在0.6MPa封闭压力环境下，以2℃/min的速度升温至80℃保持12h，之后将压力降为常压，自然冷却至室温，取出风干得到适于患者穿戴的一体化小腿假肢P5。
本发明通过复现残肢侧的生物力学对线，然后通过三维建模设计完成残肢外形和健侧外形的完美结合，形成一体化小腿假肢的数据模型，借助增材制造工艺、专用复合尼龙粉末和后处理技术，得到适于患者穿戴且舒适度较好、重量较轻、样式美观、颜色可选的假肢。整个制作过程基于数字化技术，省去了现有技术中反复倒模、调试的繁琐环节，大大提高了制作精度和效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S10：利用医疗专用扫描仪对患者的残肢部位进行扫描取型，得到残肢部位1：1的三维图像数据D1；
S20：利用医疗专用扫描仪对患者的健肢部位进行扫描取型，得到与健肢部位1：1的小腿图像数据D2，通过CAD技术镜像后得到小腿外观三维图像数据D3；
S30：假肢技师利用假肢修模软件Rodin4D对三维图像数据D1进行修模处理，得到与患者残肢匹配的接受腔三维图像数据D4；
S40：将接受腔三维图像数据D4导入专用FDM增材制造设备，通过专用可降解淀粉复合材料增材制造得到临时接受腔P1；
S50：将临时接受腔P1和专用可调的试验结构组装成试验假肢P2，确定试验假肢P2符合人体生物力学要求，该过程会考虑到残肢曲屈和外展角度对假肢的影响，再用医疗专用扫描仪对试验假肢P2整体三维扫描，得到试验假肢三维图像数据D5；
S60：将试验假肢三维图像数据D5与小腿外观三维图像数据D3进行UG仿真对线分析，得到小腿假肢三维图像数据D6；
S70：在Freeform软件中对小腿假肢三维图像数据D6进行建模处理，修减重复和冗余部分，再进行光顺、加厚、镂空和拓扑优化处理，得到可直接用于增材制造的一体化小腿假肢三维图像数据D7；
S80：将一体化小腿假肢三维图像数据D7传输到专用SLS增材制造设备，通过专用复合尼龙材料增材制造得到一体化小腿假肢胚体P3；
S90：最后对一体化小腿假肢胚体P3通过后处理工艺进行加工处理，得到适于患者穿戴的一体化小腿假肢P5。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，其特征在于，所述后处理工艺包括以下步骤：
S100：将一体化小腿假肢胚体P3置于喷砂柜的回转笼内，在旋风分离器和玻璃微珠环境下以60～80r/min的速度匀速工作5～10min；之后在旋风分离器和塑料微珠环境下以80～100r/min的速度匀速工作5min，得到一体化小腿假肢半成品P4；
S110：将一体化小腿假肢半成品P4置于浸染设备槽的液体涂料内，在0.6MPa封闭压力环境下，以2℃/min的速度升温至70～80℃保持10～12h，之后将压力降为常压，自然冷却至室温，取出风干得到适于患者穿戴的一体化小腿假肢P5。
3.根据权利要求2所述的一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，其特征在于，所述玻璃微珠和塑料微珠粒径均为200～600um。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，其特征在于，所述FDM增材制造为熔融沉积制造工艺。
5.根据权利要求1所述的一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，其特征在于，所述SLS增材制造为激光选区烧结工艺。
6.根据权利要求1所述的一种增材制造一体化小腿假肢的制作方法，其特征在于，所述专用复合尼龙材料包括以下重量份数的组分：
聚十二内酰胺80～95份；玻璃纤维2～8份；纳米粒子填料1～3份；改性粘合剂0.5～2份。
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