CN115702844A - 一种基于3d打印的踝足矫形器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的踝足矫形器及其制作方法，该踝足矫形器的结构分为具体的三部分：小腿部分、跟腱部分和足底部分，小腿部分贴合部分贴合小腿的后侧与侧面，跟腱部分贴合脚踝的后侧和侧面，所述足底部分贴合脚部底部和侧部；所述脚踝设置在整个踝足矫形器的外部；小腿部分和跟腱部分的外部的应力集中处共同设置有Y型加强结构，采用Y形结构的矫形器具有贴合度好、重量轻、强度高保护性好。便于穿入患者鞋靴内，解决现有矫形器不够贴合，实现患者的生理及心理融入社会的愿望，对于脑卒中患者的步态有很大的改善。

Description

一种基于3D打印的踝足矫形器及其制作方法

技术领域

本发明属于医学康复器械技术领域，具体涉及一种基于3D打印的踝足矫形器及其制作方法。

背景技术

随着科技发展，以及3D打印的快速发展，三维扫描以及逆行工程的进一步普及。结合工业三维软件的应用以及逆行设计的产品开发，逆向设计变得简单。这为定制化的3D打印矫形器研发以及应用提供良好的发展势头，结合现有的力学分析进行矫形器的基础力学分析、结合传统矫形师的矫形经验以及步态分析仪，医生与矫形师一起针对患者的步态，进行方案设计，为患者的精准化、定制化、舒适化提供可能，但现在受制于3D打印的工艺以及材料的问题，导致定制化的矫形器存在一定的制约，由于材料和工艺的限制导致矫形器的力学性能有缺陷。另一方面，现有的踝足矫形器制作周期长，取模复杂，针对不同患者难以做到贴合，对患者的康复也造成一定的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于3D打印的踝足矫形器及其制作方法，以解决现有踝足矫形器难以适合每一个患者，限制患者移动的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于3D打印的踝足矫形器，包括从下到下一体连接的小腿部分、跟腱部分和足底部分；所述小腿部分贴合小腿的后侧与侧面，所述跟腱部分贴合脚踝的后侧和侧面，所述足底部分贴合脚部底部和侧部；所述脚踝设置在整个踝足矫形器的外部；

小腿部分和跟腱部分的外部共同设置有Y型加强结构，所述Y型加强结构的上端设置在小腿部分的外部，Y型加强结构的下端设置在跟腱部分的外部。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述Y型加强结构的高度为小腿部分和跟腱部分高度总和的1/4-1/3。

优选的，所述Y型加强结构包括后支撑部和两个侧支撑部，两个侧支撑部的后端共同和后支撑部的上端连接，两个侧支撑部的前端分别设置在小腿部分的两侧；侧支撑部前端的高度高于侧支撑部后端的高度；所述后支撑部的下端设置在跟腱部分的外部。

优选的，所述足底部分的前部分相对于水平面向上倾斜10°-30°。

优选的，所述小腿部分的后部设置有减重孔。

优选的，所述小腿部分每一侧的前端均设置有上连接部分和下连接部分，上连接部分在下连接部分的上方；所述足底部分的侧边上端设置有底部连接部分；

每一个上连接部分和下连接部分的前端均设置有连接孔；每一个底部连接部分的上端均设置有连接孔。

一种基于3D打印的踝足矫形器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，患者处于端坐状态，使得患者踝关节中点、膝关节中点和髋关节中点处于同一力线；

步骤2，扫描患者腿部，获得患者腿部的形状和尺寸数据；

步骤3，结合患者腿部的形状和尺寸数据，通过T-spline进行逆向处理，获得患者腿部的立体曲面；

步骤4，裁剪所述立体曲面，裁剪过程中，去除纵弓曲线以上的曲面，去除脚踝处跟骨以前的曲面，使得踝关节裸露在立体曲面以外，沿着脚踝处曲面两侧的曲线向上竖直沿伸，延伸至膝盖下方，去除所述曲面两侧的曲线以前的曲面，获得所述踝足矫形器的单一曲面，所述单一曲面的边部为目标踝足矫形器的边部；所述纵弓曲线为第一跖骨的中间和跟骨之间的曲线；

步骤5，对单一曲面进行加厚处理，获得曲面基本体；

步骤6，导出曲面基本体的STL文件，进行ansys力学分析，确定Y型加强结构的位置和尺寸，所述Y型加强结构位于脚踝后部应力集中处；

步骤7，复制曲面基本体的后侧面，获得复制曲面，向曲面基本体的正后方移动复制面，按照Y型加强结构的形状和尺寸裁剪复制曲面，获得Y型加强结构的外表面，对Y型加强结构的外表面和Y型加强结构的后侧面之间进行加厚，获得Y型加强结构，获得具有Y型加强结构的模型；

步骤8，根据具有的Y型加强结构的模型，利用激光烧结固化成形增材制造进行3D打印，获得踝足矫形器。

优选的，步骤2后，将患者腿部的形状和尺寸数据通过geomagic进行数据处理，获得完整的STL模型。

优选的，步骤5中，所述曲面基本体的厚度为2-3m。

优选的，所述激光烧结固化成型的材料为尼龙PA12粉末。

优选的，制作出的踝足矫形器通过打磨进行后处理。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种基于3D打印的踝足矫形器，该踝足矫形器的结构分为具体的三部分：小腿部分、跟腱部分和足底部分，小腿部分贴合部分贴合小腿的后侧与侧面，跟腱部分贴合脚踝的后侧和侧面，所述足底部分贴合脚部底部和侧部；所述脚踝设置在整个踝足矫形器的外部；小腿部分和跟腱部分的外部的应力集中处共同设置有Y型加强结构，采用Y形结构的矫形器具有贴合度好、重量轻、强度高保护性好。便于穿入患者鞋靴内，解决现有矫形器不够贴合，实现患者的生理及心理融入社会的愿望，对于脑卒中患者的步态有很大的改善。

进一步的，限制Y型加强结构的高度，保证Y型加强结构在起到支撑作用的同时不会因为强度过高限制患者的移动。

进一步的，Y型加强结构包括后部的支撑和两侧的支撑，能够提高支撑性能。

进一步的，足底部分的前部分相对于水平面向上倾斜，结合大拇指部位绷带束缚，以防止病人矫形器穿入鞋内出现矫形器不贴脚，矫形器不贴鞋等三不贴现象发生。

进一步的，小腿部分的后部设置有减重孔，减伤整个矫形器的重量。

进一步的，跟腱部分的前侧设置有连接孔，通过魔术贴能够使得整个装置设置在患者的脚上。

本发明还公开了一种基于3D打印的踝足矫形器的制作方法，该矫形器是基于扫描患者患肢扫描，在通过逆向设计，根据不同病人不同的腿部粗细及不同的脚型、不同的踝部胖瘦进行设计。在通过anysys软件进行力学分析，针对应力大应力集中部分进行对应的结构加强，根据大量实验数据做出最合适的加强扭转结构，针对与某些3D打印踝足矫形器穿戴出现断裂，在结构之处控制力过强。

进一步的，结合sls PA12工艺，尼龙材料存在强度不够。所以需要采取加强结构以确保尼龙应用于踝足矫形器不会出现断裂的情况。

附图说明

图1为人体结构的足部骨头示意图；

图2为本发明踝足矫形器的后视图；

图3为本发明踝足矫形器的侧视图；

图4为本发明的曲面边线设计的示意图；

图5为曲面设计的仿真图；

(a)图为右视图，(b)图为左视图。

图6为实施例1的原腿部侧视图；

图7为实施例1的原腿部正视图；

图8为穿戴的踝足矫形器的俯视图；

图9为穿戴踝足矫形器的侧视图；

图10为穿戴踝足矫形器的力学模拟图；

其中：1-小腿部分；2-跟腱部分；3-足底部分；4-Y型加强结构；4-1-后支撑部；4-2-侧支撑部；5-上连接部分；6-下连接部分；7-底部连接部分；8-减重孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

下面描述的前、后、上、下均依托于正常人体的前、后、上、下，如图1所示，本发明的描述均依托于该基准，后续不再赘述。

本发明公开了一种基于3D打印的踝足矫形器及其制作方法，具体包括以下步骤：

步骤1，针对脑卒中患者无法抬腿或因为抬腿的足内翻、足外翻的问题，导致无法扫描及获得一个较为良好的腿部模型，也无法为矫形器最终的对线进行参考，因此初始要求患者位于端正坐姿，进行患者腿部数据扫描；患者处于坐姿要求踝关节中点、膝关节中点、以及髋关节中点处于同一力线，获得腿部数据，为后期的设计及矫形器的对线提供数模参考。

步骤2，使用三维扫描仪针对患者摆正后的自然站姿，分别扫描双腿膝部及以下数据，在扫描中为患者穿戴一个肉色弹力袜，方便快速扫描，及避免一些死角难以扫描，如脚趾的缝隙难以扫描，也为后期模型的逆像提供便捷。三维扫描仪，获得患者小腿、踝关节以及脚部的数据，具体的包括尺寸和形状，如图6和图7所示。

步骤3，将步骤二得到的患者腿部数据导入geomagic中进行数据处理，获得患者腿部的完整STL模型。

步骤4，将步骤3得到的患者坐姿腿部STL模型导入Rhino，使用犀牛插件T-spline针对患者腿部进行逆像建模，得到患者腿部可编辑的CAD三维立体曲面模型。裁剪立体曲面，裁剪过程中，去除纵弓曲线5以上的曲面，如图1所示去除脚踝处跟骨以前的曲面，使得踝关节裸露在立体曲面以外，沿着脚踝处曲面两侧的曲线向上竖直沿伸，延伸至膝盖下方，去除所述曲面两侧的曲线以前的曲面，获得如图4所示的踝足矫形器的单一曲面，单一曲面的边部为目标踝足矫形器的边部，如图4所示的黑线为切割线，纵弓曲线为第一跖骨的中间和跟骨之间的曲线；然后在单一曲面的两侧边部的前端延伸出上连接部分5和下连接部分，每一个侧边的前部都设置有一个上连接部分5和连接部分6，每一个连接部分的前端还设置有连接孔。所述单一曲面底部两侧的上端，每一侧设置有底部连接孔7。

作为优选的方案之一，根据患者的踝部、足根以及第一跖骨末端和第五跖骨末端部进行适当的宽松调整1-2mm，避免患者的足根、跖骨、踝部受到挤压造成不适。

步骤5，整体的尺寸扩大2m让出内衬厚度，在根据与偏移后的曲面在向外加厚3mm得到第一阶段没做加强结构的矫形器，基本体为2-3mm，优选的为3mm，获得曲面基本体；

进一步的，抬升过程，针对病人的脚趾内扣问题。医生结合病人的步态分析，进而确定病人脚趾踩踏部位的矫形器抬高的角度，结合大拇指部位绷带束缚，以防止病人矫形器穿入鞋内出现矫形器不贴脚，矫形器不贴鞋等三不贴现象发生。具体的参见图3，第一趾骨关节末端至足部前端和水平面之间的夹角α，α的大小为10-15°。

步骤6，将曲面基本体导出STL，导入ansys进行的力学分析，根据得到的力学分析所得的力学分布图，针对应力集中且应力大地方做针对性的加强(如图10所示)根据患者的行走需求，需要对踝关节的扭动需要一定的活动性，故需要降低对跟腱加强部位的结构左右的活动限定，确定Y型结构的具体位置，一般来说该位置位于人体后跟腱及其上部，因此将Y型加强结构4设置在该部分，具体设计时，根据患者腿部尺寸的不同，Y型加强结构4所处的位置和尺寸会进行对应的调整，但总体尺寸不能超过足底至膝盖下部长度的1/3，Y型加强结构4的后支撑部4-1位于小腿骨的中心线上，侧支撑部4-2顺着肌肉的曲面向前延伸，保证制备出来的Y型加强结构4能够给腿部的肌肉合适的支撑。

具体获得Y型加强结构4的过程为，Y型加强结构4复制曲面基本体的后侧面，获得复制曲面，向曲面基本体的正后方移动复制面，按照Y型加强结构4的形状和尺寸裁剪复制曲面，获得Y型加强结构4的外表面，对Y型加强结构4的外表面和Y型加强结构4的后侧面之间进行加厚，获得Y型加强结构4，获得具有Y型加强结构4的模型；如图5所示；

步骤7，向激光烧结固化成形3D打印机输出具有Y型加强结构4的STL模型，用magics软件对STL模型采取切片处理在通过激光烧结固化成形3D打印机进行打印，所用材料为尼龙PA12粉末

步骤8，通过SLS打印得到矫形器，得到的踝足矫形器较为粗糙，针对矫形器进行后处理打磨，将矫形器打磨至光滑，以防止某些粗糙部位磨坏患者鞋子，也防止因为某些地方因为粗糙而导致内衬无法粘接，或造成内衬脱落，最终影响矫形器穿戴。打磨后粘贴内衬并绑系绷带，交付患者试穿。

参见图2和图3，制备出的基于3D打印的踝足矫形器的结构具体包括从下到下一体连接的小腿部分1、跟腱部分2和足底部分3；小腿部分1贴合小腿的后侧与侧面，跟腱部分2贴合脚踝的后侧和侧面，足底部分3贴合脚部底部和侧部；上述三个部分为一体打印支撑，没有分界线，为方便描述，分为三部分。优选的，小腿部分1和跟腱部分2的高度之和为360-380mm，从图中可以看出，对于小腿部分1和跟腱部分2将患者的小腿和跟腱的后部能够完全包裹，侧面则延伸出了少量边缘；足底部分3同样是将足部的底部完全包裹，侧边向上延伸出了边缘。小腿部分1延伸出的侧边每一边前部都设置有一个上连接部分5和连接部分6，每一个连接部分的前端还设置有连接孔。所述单一曲面底部两侧的上端，每一侧设置有底部连接孔7。脚踝设置在整个踝足矫形器的外部，方便患者走路时能够左右移动脚踝骨，该结构通过Y型加强结构基于应力集中处足够支撑的同时，能够不限定脚踝骨的移动，提升患者的使用感受。

小腿部分和跟腱部分的外部共同设置有Y型加强结构，所述Y型加强结构的上端设置在小腿部分的外部，Y型加强结构的下端设置在跟腱部分的外部。Y型加强结构的高度为小腿部分1和跟腱部分2高度总和的1/4-1/3。

参见图3，所述Y型加强结构4包括后支撑部4-1和两个侧支撑部4-2，两个侧支撑部4-2的后端共同和后支撑部4-1的上端连接，两个侧支撑部4-2的前端分别设置在小腿部分1的两侧；侧支撑部4-2前端的高度高于侧支撑部4-2后端的高度；所述后支撑部4-1的下端设置在跟腱部分2的外部。两个侧支撑部4-2沿着肌肉的两侧向上延伸，保证贴合度较好。

所述足底部分3的前部分相对于水平面向上倾斜10°-30°，参见图3中α的范围为10°-30°。

所述小腿部分1的后部设置有若干个减重孔8，减重孔8设置在小腿的应力不集中处，不会影响整个矫形器的支撑作用，而且能够减轻重量，且透气性好。

下面结合具体的实施例，进一步的描述。

实施例

参见图6和图7为患者腿部的具体尺寸，小腿的高度为446.74mm(小腿部分1和跟腱部分的)，足长269.70mm，足宽为96.66mm。参见图8和图9，该模型制备出的Y型加强结构4总的高度在12cm，Y型曲面总宽度6～8mm，整个矫形器的高度，即从小腿部分的上端至跟腱部分下端之间的高度为380.83mm，足底部分3的最宽部分的宽度为96.66mm。

制备过程中，底部位于患者足根部与跟腱结合处，至于跟腱部位上12cm。裁剪复制的3mm加厚的表面，进行Y型曲面裁剪。针对裁剪后的Y型曲面面在进行加厚2m。

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。

Claims (10)

1.一种基于3D打印的踝足矫形器，其特征在于，包括从下到下一体连接的小腿部分(1)、跟腱部分(2)和足底部分(3)；所述小腿部分(1)贴合小腿的后侧与侧面，所述跟腱部分(2)贴合脚踝的后侧和侧面，所述足底部分(3)贴合脚部底部和侧部；所述脚踝设置在整个踝足矫形器的外部；

小腿部分(1)和跟腱部分(2)的外部共同设置有Y型加强结构(4)，所述Y型加强结构(4)的上端设置在小腿部分(1)的外部，Y型加强结构(4)的下端设置在跟腱部分(2)的外部。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的踝足矫形器，其特征在于，所述Y型加强结构的高度为小腿部分(1)和跟腱部分(2)高度总和的1/4-1/3。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的踝足矫形器，其特征在于，所述Y型加强结构(4)包括后支撑部(4-1)和两个侧支撑部(4-2)，两个侧支撑部(4-2)的后端共同和后支撑部(4-1)的上端连接，两个侧支撑部(4-2)的前端分别设置在小腿部分(1)的两侧；侧支撑部(4-2)前端的高度高于侧支撑部(4-2)后端的高度；所述后支撑部(4-1)的下端设置在跟腱部分(2)的外部。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印的踝足矫形器，其特征在于，所述足底部分(3)的前部分相对于水平面向上倾斜10°-30°。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印的踝足矫形器，其特征在于，所述小腿部分(1)的后部设置有减重孔(8)。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印的踝足矫形器，其特征在于，所述小腿部分(1)每一侧的前端均设置有上连接部分(5)和下连接部分(6)，上连接部分(5)在下连接部分(6)的上方；所述足底部分(3)的侧边上端设置有底部连接部分(7)；

每一个上连接部分(5)和下连接部分(6)的前端均设置有连接孔；每一个底部连接部分(7)的上端均设置有连接孔。

7.一种基于3D打印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，患者处于端坐状态，使得患者踝关节中点、膝关节中点和髋关节中点处于同一力线；

步骤2，扫描患者腿部，获得患者腿部的形状和尺寸数据；

步骤3，结合患者腿部的形状和尺寸数据，通过T-spline进行逆向处理，获得患者腿部的立体曲面；

步骤4，裁剪所述立体曲面，裁剪过程中，去除纵弓曲线(5)以上的曲面，去除脚踝处跟骨以前的曲面，使得踝关节裸露在立体曲面以外，沿着脚踝处曲面两侧的曲线向上竖直沿伸，延伸至膝盖下方，去除所述曲面两侧的曲线以前的曲面，获得所述踝足矫形器的单一曲面，所述单一曲面的边部为目标踝足矫形器的边部；所述纵弓曲线为第一跖骨的中间和跟骨之间的曲线；

步骤5，对单一曲面进行加厚处理，获得曲面基本体；

步骤6，导出曲面基本体的STL文件，进行ansys力学分析，确定Y型加强结构(4)的位置和尺寸，所述Y型加强结构(4)位于脚踝后部应力集中处；

步骤7，复制曲面基本体的后侧面，获得复制曲面，向曲面基本体的正后方移动复制面，按照Y型加强结构(4)的形状和尺寸裁剪复制曲面，获得Y型加强结构(4)的外表面，对Y型加强结构(4)的外表面和Y型加强结构(4)的后侧面之间进行加厚，获得Y型加强结构(4)，获得具有Y型加强结构(4)的模型；

步骤8，根据具有的Y型加强结构(4)的模型，利用激光烧结固化成形增材制造进行3D打印，获得踝足矫形器。

8.根据权利要求7所述的一种基于3D打印的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，步骤2后，将患者腿部的形状和尺寸数据通过geomagic进行数据处理，获得完整的STL模型；

步骤5中，所述曲面基本体的厚度为2-3m。

9.根据权利要求7所述的一种基于3D打印的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，所述激光烧结固化成型的材料为尼龙PA12粉末。

10.根据权利要求7所述的一种基于3D打印的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，制作出的踝足矫形器通过打磨进行后处理。

Images