CN120024028B - 基于4d打印且可定制力反馈的智能关节康复支具及其制备方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法及系统，是根据关节部位的结构，确定适配于4D打印的结构形式，并预先确定所述结构形式中的结构参数以及关键结构参数与力反馈之间的映射关系，并嵌入模型设计软件中，可以根据所述映射关系以及康复需要的力反馈相应调节所述模型的关键结构参数得到支具片状模型；经4D打印使形成三维立体结构，调整后得到智能关节康复支具。相比于传统的支具制造技术，本发明制作的智能手部支具成本更低、制作速度更快并且能够具备实时感知患者力反馈大小的功能。

Description

基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具及其制备方 法和系统

技术领域

本发明属于医疗康复设备领域，具体涉及一种基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具及其制备方法和系统。

背景技术

各类关节部位在日常生活中扮演着至关重要的角色。以手部为例，手部关节由于其结构的复杂性和脆弱性，极易受到损伤，如骨折、软组织挫伤和肌肉拉伤等。这些损伤会严重影响患者的日常生活和工作能力。因此，手部损伤的康复显得尤为重要。传统的手部康复通常依赖于手部支具（orthosis）来提供支持和康复。然而，现有的手部矫形器存在诸多局限性。首先，大多数矫形器缺乏动态力反馈调整能力，无法根据患者康复进程的需要进行实时调整。其次，这些设备往往基于统计平均值设计，未能充分考虑个体手部尺寸的差异，导致患者佩戴依从性低，影响康复效果。

目前，手部支具的制造方法主要包括3D打印、低温热塑性材料和机械外骨骼等。其中，低温热塑性材料虽然具有一定的可塑性，但在调整和维持形状方面存在困难。机械外骨骼结构复杂，生产成本高，且佩戴不便。4D打印技术作为一种新兴的增材制造技术，逐渐受到关注。在3D打印的基础上，4D打印不仅能够在三维空间中构建物体，还能使其在时间维度上根据外部刺激（如温度变化）产生形变。这种特性使得4D打印在医疗领域，尤其是可穿戴设备和康复器具的制造中展现出巨大的潜力。针对现有手部等关节的矫形器的制造问题，存在着成本高昂、材料选择有限、无法实时监测及调整力反馈等问题。

基于此，本发明提出了一种低成本、个性化、可调节力反馈的新型关节支具。本发明旨在通过4D打印技术，结合传感器技术，为手部等关节康复提供更为有效和个性化的解决方案。

发明内容

本发明的目的是利用4D打印技术制造一种低成本、可个性化定制、具备可调节力反馈功能的智能手部支具。相比于传统的支具制造技术，该发明制作的智能手部支具成本更低、制作速度更快并且能够具备实时感知患者力反馈大小的功能。

本发明采用的技术方案如下：

基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，包括如下步骤：

根据关节部位的结构，进行支具基本结构探索，在弹性可拉伸结构中确定适配于4D打印的结构形式，所述结构形式应能够在热处理形变后初步满足支具与关节运动的适配性和舒适性；

预先确定所述结构形式中的结构参数，以及关键结构参数与力反馈之间的映射关系，在模型设计软件中嵌入所述的映射关系，并根据所确定的结构形式形成初步模型，所述初步模型为具有一定厚度的片状模型，根据所述映射关系以及康复需要的力反馈相应调节所述模型的关键结构参数；得到支具片状模型；

根据所述支具片状模型进行3D打印得到支具的片状结构，对其进行热处理以控制形变，完成4D打印使所述片状结构转变为三维立体结构，调整后得到智能关节康复支具。

上述技术方案中，进一步的，所述弹性可拉伸结构包括采用曲线设计或镂空设计使得材料具有可拉伸性的结构部分，或还包括有用于佩戴固定的结构部分。

进一步的，对于手指康复支具，所述适配于4D打印的结构形式选用菱片型结构，所述菱片型结构为由两组支杆组件交错构成连续菱形框架结构，每组支杆组件均为若干平行支杆。

进一步的，所述连续菱形框架结构包括在同一方向上依次相连的A、B、C、D四个菱形单元，在该方向上，A菱形单元端部至B菱形单元中心点间距为L1，B菱形单元中心点至C菱形单元中心点间距为L2，C菱形单元中心点至D菱形单元中心点的间距为L2；在垂直于该方向上，A菱形单元两对角线长度为πD1，B菱形单元两对角线长度为πD2，C节菱形框架两端间距为πD3，D节菱形框架两端间距为πD4；其中，L1、L2分别对应手指掌指关节（MP）到近侧指间关节（PIP）的距离以及近侧指间关节（PIP）与近侧指间关节（PIP）和远侧之间关节（DIP）的中点之间的距离，D1、D2、D3、D4分别对应为掌指关节（MP）到近侧指间关节（PIP）的中点处的直径、近侧指间关节（PIP）处的直径、近侧指间关节（PIP）和远侧之间关节（DIP）的中点处的直径以及远侧指间关节（DIP）处的直径。

进一步的，确定关键结构参数与力反馈之间的映射关系，具体包括：

采用特制的结构试验装置对基于所述结构形式经4D打印得到的三维立体结构即测试支具进行实验，精确控制和测试不同结构参数对弹性力反馈的影响，确定关键结构参数，并进一步得到关键结构参数与力反馈之间的映射关系；所述的结构试验装置包括：

固定平台、力传感器及量角器，所述测试支具装配于所述固定平台上，确保其在固定平台上稳定固定，所述力传感器一端通过刚性连接件连接所述测试支具的施力端，在通过力传感器下拉测试支具施力端的同时，所述量角器实时测量测试支具施力端与其固定端的角度，得到测试支具在不同角度下的力反馈；

对于同一种关键结构参数，通过实验获得在同一角度下不同结构参数数值对应的力反馈数据，对其进行拟合，得到该角度下该种关键结构参数与力反馈之间的映射关系，将其嵌入模型设计软件中。

进一步的，对于所述菱片型结构，其关键结构参数为梁宽及厚度，梁宽为所述支杆的宽度。

进一步的，所述智能关节康复支具中还设有附加结构，所述附加结构的模型为片状模型，包括主体结构及连接结构，所述主体结构具有与所述结构形式相同的结构单元，所述连接结构设于主体结构上用于与所述初步模型连接固定以改变初步模型对应结构的力反馈。

进一步的，所述4D打印中先使用PLA材料，以速度30-150mm/s，层厚0.1mm，温度230℃进行3D打印，打印完成后，将打印件置于60℃~70℃下使其形变，形成三维立体结构。

进一步的，在4D打印中进行热处理形变之前对打印件采用导电带进行传感电路线路的布置，在热处理形变后，在三维立体结构上安装传感器模块，与所述传感电路线路共同构成传感电路以监控支具的力反馈。此阶段使用导电布带和压力传感器，以便实时监控支具提供的力反馈。

一种基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具设计系统，用于实现如上任一项所述的方法，所述系统包括：力反馈调节模块及模型展示模块，所述力反馈调节模块用于根据所述关键结构参数与力反馈之间的映射关系，以及康复需要的力反馈相应调节所述初步模型的关键结构参数、以及附加结构的设置；所述的模型展示模块，用于展示经力反馈调节模块调节后得到的支具片状模型，以及经4D打印后的效果。

本发明的有益效果是：

本发明方案提供了一种基于4D打印的智能手部支具制作方法。相比于传统的热塑、石膏等方法，该方法能够根据患者手部尺寸进行个性化设计与制造，并且缩短了支具的制作时间，降低了支具的制作成本。同时，本发明集成了传感器来监测患者的手部康复力反馈数据，为康复医师提供了患者的定量康复数据。具体地说，本发明相比现有技术存在以下优势：

- 成本效益：使用4D打印技术和模块化设计的方式，生产成本低于传统的智能矫形器。

- 可调节力反馈：传统的支具不具备可调节力反馈的功能，本发明提供了参数化设计工具来定制力反馈的大小，同时还设计了附加结构来快速调节支具的力反馈。

- 定制简便：参数化设计工具允许用户快速设计并制造个性化的手部支具，满足患者多样化的康复需求。

- 实时监测：集成薄膜压力传感器，监测患者康复周期的力反馈数据，并且能够采用可视化界面对患者使用手部支具的力反馈数据进行展示。

附图说明

图1为本发明一种实例的操作方法流程示意图。其中a为手部参数测量步骤；b为参数化设计工具； c为3D打印步骤； d为打磨和人工裁剪步骤；e为电路与传感器的嵌入步骤；f为水浴加热步骤；g为支具佩戴与调试步骤；h为实时监测与调节步骤。

图2为本发明的结构设计探索过程。

图3为本发明中菱片型结构的生理尺寸映射原理。a为手部的生理参数标注；b为结构的尺寸参数；c为结构中支杆粗细的参数；d为结构厚度的参数。

图4为本发明一种实施例的实验环节；a为结构试验的装置；b为厚度与弹性力反馈之间的关联数据图；c为支杆粗细与弹性力反馈之间的关联数据图。

图5为本发明一种实施例的附加结构设计。a为基础结构和附加结构；b为通过卡扣实现附加结构与基础结构的配合；c为无附加结构的穿戴效果；d为有附加结构的穿戴效果。

图6为本发明一种实施例中附加结构的结构实验数据。a为基础结构厚度为0.6mm的附加结构实验数据；b为基础结构厚度为0.8mm的附加结构实验数据。

图7为本发明一种实施例的参数化设计工具。a为数据输入界面；b为参数调节界面；c为参数调节后的模拟界面；d为附加结构参数设置界面；e为变形模拟的界面。

图8为本发明一种实施例中的传感器模块。

图9为本发明一种实施例中的实施步骤一：测量与建模。a为患者诊断步骤；b为关节参数测量步骤；c为参数化设计步骤；d为参数化设计工具的后端界面。

图10为本发明的实施步骤二：3D打印、添加电路与水浴变形。a展示了3D打印的步骤；b展示了电路和传感器嵌入步骤；c展示了水浴加热步骤；d展示了水浴完成后的支具；d展示了支具打磨步骤。

图11为本发明的实施步骤三：佩戴与监测。a展示了传感器实时监测的步骤；b展示了水浴调节的步骤；c展示了手部佩戴的整体效果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步地详细说明。

本发明的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，旨在为关节康复提供个性化和可调节的力反馈。以手部的手指关节为例，本发明的设计制造流程如图1所示，包括如下步骤：

1、根据关节部位的结构，进行支具基本结构探索，在弹性可拉伸结构中确定适配于4D打印的结构形式。通过采集关节部位的关键参数，保证该结构能够在热处理过程中发生形变，确保支具与关节运动的适配性和舒适性。

在本发明所述实例中，探索了共计4种弹性可拉伸结构的结构形式，如图2所示，其分别为：1）拉链型：以Z字拉链为支撑的结构且两端设固定部；2）弹簧型：以环绕弹簧为支撑的结构且两端设固定部；3交错型：以关节的生理结构特征为基础设计交错的菱形结构；5）菱片型：以菱形稳定单元为支撑的结构。经过4D打印获得初步结构并经过实际佩戴对比分析后，本实例中最终选择了菱片型结构作为手部关节支具的基本结构形式，其具体为由两组支杆组件交错构成连续菱形框架结构，每组支杆组件均为若干平行支杆。相对于其他结构形式，其具备以下优势：1）具备较好的变形能力和弹性，能够在外力作用下产生适当的形变；2）支具的空间配置可调，能够根据患者手部关节运动的需求，平衡关节活动性与弹性力反馈的要求。

2、预先确定所述结构形式中的结构参数，以及关键结构参数与力反馈之间的映射关系，在模型设计软件中嵌入所述的映射关系，并根据所确定的结构形式形成初步模型，所述初步模型为具有一定厚度的片状模型，根据所述映射关系以及康复需要的力反馈相应调节所述模型的关键结构参数，得到支具片状模型；

在本实施例中，通过分析菱片型结构与手部关节生理特征的关系，确定菱片型结构的部分结构参数；由于指部存在多个不同的关节结构，并且存在指根到指尖由粗到细的生理特征，因此选取了关键生理参数：D1-D4，如图3中a所示，其分别对应为掌指关节（MP）到近侧指间关节（PIP）的中点处的直径、近侧指间关节（PIP）处的直径、近侧指间关节（PIP）和远侧之间关节（DIP）的中点处的直径以及远侧指间关节（DIP）处的直径，以及MP与PIP的间距L1、PIP与DIP间距的一半L2，作为手部菱片结构的关键外形参数。根据手指的结构，在菱片形结构与手指的关键部位（如近端指骨、中指骨）之间建立了对应关系。即：设计所述菱片形结构为连续菱形框架结构，其包括在同一方向上依次相连的A、B、C、D四个菱形单元，在该方向上，A菱形单元端部至B菱形单元中心点间距为L1，B菱形单元中心点至C菱形单元中心点间距为L2，C菱形单元中心点至D菱形单元中心点的间距为L2，其中，L1、L2分别对应手指掌指关节（MP）到近侧指间关节（PIP）的距离以及近侧指间关节（PIP）与近侧指间关节（PIP）和远侧之间关节（DIP）的中点之间的距离；在垂直于该方向上，A菱形单元两对角线长度为πD1，B菱形单元两对角线长度为πD2，C节菱形框架两端间距为πD3，D节菱形框架两端间距为πD4；在结构形式的初步结构参数确定后，应进一步确定影响其力反馈的关键结构参数，在本实施例中，菱片型结构中菱形单元的对角线长度、梁宽（支杆宽度）和厚度往往是影响其弹性力反馈的关键参数。通过对不同尺寸、不同厚度的菱形单元菱片型结构所得支具进行力学实验，并结合拟合，即能够获得各关键参数与弹性力反馈之间的映射关系。

进一步地，在本实例中，为了精确控制和测试不同结构参数对弹性力反馈的影响，设计了一种专用的结构试验装置。该装置旨在测试支具在不同结构设计下的力学性能，包括支具厚度、梁宽等参数对弹性力反馈的影响，以及支具在不同关节角度下的表现。通过实验测试不同梁宽与厚度对弹性力反馈的影响，发现梁宽和厚度的增大会直接提升弹性力的强度，确定其均为关键结构参数。因此，为了在保证舒适性的同时提供适当的康复训练强度，本发明在模型设计中嵌入了可调的梁宽和厚度参数功能，以允许根据患者的康复阶段和个体差异进行微调。

所述的结构试验装置主要由以下3个部分组成：1）固定平台：用于支撑和固定测试支具，确保支具在实验过程中的稳定性。平台的设计保证了在施加外力时，支具能够牢固地固定在指定位置，避免因移动而影响测试结果。2）测力计：即力传感器，用于实时测量支具在不同角度下施加的力大小。测力计能够精确地记录支具在各个角度位置的力反馈，确保力的变化与支具的结构参数密切相关。3）电子量角器：用于精确测量支具的弯曲角度，确保在不同实验阶段记录角度的变化。量角器能够与力传感器和其他组件协同工作，精确控制施加力的角度。如图4中a所示，结构实验的具体操作步骤如下：

步骤1：准备工作

试验开始前，首先将所需研究参数下的结构形式经4D打印得到的三维立体结构即测试支具，将测试支具装配到固定平台上，确保测试支具在平台上稳定固定。支具的安装方式保证其能够在整个实验过程中保持不变，避免因移动或不稳定而影响测试结果。连接力传感器和电子量角器于外部的电子记录设备，确保这些仪器能够准确地记录施加的力和弯曲角度。此时，电子记录设备已准备好用于接收来自力传感器和量角器的信号。

步骤2：施加力并记录数据

在试验中，通过细线将力传感器与待测支具的施力端连接，并调节量角器至指定角度（如15°、30°等）。接着，通过缓慢而稳定的力量施加方式，逐步拉动力传感器，直至支具达到设定的弯曲角度。在力施加的过程中，力传感器会实时记录施加的力量，并通过电子记录设备记录下来。与此同时，电子量角器会精确测量并记录支具弯曲的角度。

步骤3：重复实验并分析数据

为了确保测试结果的可靠性，每组实验会重复进行三次，确保数据的稳定性和重复性。每次实验完成后，记录仪器会保存数据，并通过图表方式展示弹性力与关节角度之间的关系。实验过程中，还会调整支具的参数（如梁宽、厚度等）进行多次测试，比较不同参数下支具的力学性能差异。对于同一种关键结构参数，通过实验获得在同一角度下不同结构参数数值对应的力反馈数据，对其进行拟合，得到该角度下该种关键结构参数与力反馈之间的映射关系，将其嵌入模型设计软件中。

通过上述试验装置与流程，能够精确地测试不同结构单元对弹性力反馈的影响。在本实施例中实验结果表明，支具的厚度和梁宽对弹性力反馈具有重要影响，增大厚度和梁宽会提高支具的弹性力（具体如图4中b、c所示）。实验数据能够揭示结构与力反馈之间的映射关系，通过拟合后能够支撑参数化设计工具的开发，从而为患者提供更强的康复支持。

此外，本发明中还设计有附加结构。附加结构是一种模块化设计，可以与支具的基础结构结合，通过插接、热处理等方式进行组装和调整。附加结构的设计思路是通过增加一个可调层次，使得支具在弹性力反馈方面更具灵活性，以适应患者康复过程中力需求的变化。具体地，附加结构的模型为片状模型，主要分为两个部分：1）主体结构：与基础结构的结构形式具有相同的结构单元；2）连接结构：设于主体结构上用于与所述初步模型连接固定以改变初步模型对应结构的力反馈，例如附加结构通过设计的插接接头与基础支具固定，插接结构保证了附加部分的稳固性，并且用户可以根据实际情况轻松替换或调整附加部分。

进一步地，附加结构与基础结构还能够通过热处理进行适配。附加结构在与基础支具结合后，可以通过水浴加热等热处理的方式使两部分一同变形，保证附加结构与基础支具的形态完美契合。这种热处理方式不仅能调整支具的整体形态，还能确保附加部分的力反馈特性与基础部分相匹配。附加结构通过设计的插接接头与基础支具固定，插接结构保证了附加部分的稳固性，并且用户可以根据实际情况轻松替换或调整附加部分。

此外，还可采用前述相同的实验方法对附加结构与力反馈之间的变化进行研究，本实施例中，通过调整附加结构的厚度，测试不同配置下支具提供的弹性力反馈，并记录力的变化曲线。实验结果表明，附加结构能够有效改变支具的力反馈强度，满足不同康复阶段的需求。如图6所示。

在本实施例中，通过上述方法还提供了一种参数化设计工具。该工具主要依托于模型设计软件如Rhino Grasshopper软件实现，如图7所示，在该工具中设置了力反馈调节模块及模型展示模块，所述力反馈调节模块用于根据所述关键结构参数与力反馈之间的映射关系，以及康复需要的力反馈相应调节所述初步模型的关键结构参数、以及附加结构的设置；所述的模型展示模块，用于展示经力反馈调节模块调节后得到的支具片状模型，以及经4D打印后的效果。该工具根据患者特定参数（手指关节尺寸）设计手部支具的外形。该工具通过调整厚度、梁宽和整体形状等参数，根据患者的康复需求定制力反馈。

3、根据所述支具片状模型进行3D打印得到支具的片状结构，对其进行热处理以控制形变，完成4D打印使所述片状结构转变为三维立体结构，调整后得到智能关节康复支具。

具体地，在本实施例中，支具采用4D打印技术进行制造，使用PLA（聚乳酸）材料进行打印。PLA材料具备良好的热变形性能，能够响应外部热量进行变形，符合支具制作的要求。打印过程中，使用的3D打印机为Raise3D E2型，打印时设定以下主要参数：打印速度：30-150mm/s，根据支具的复杂性和精度要求进行调节；打印层厚：0.1mm，以确保打印出的支具表面平滑，力学性能稳定；打印温度：230°C，确保材料能够均匀熔化，避免因温度不稳定而产生打印缺陷。

进一步地，当3D打印完成后，支具的核心工艺为加热变形处理。加热过程的目的是使支具从二维平面状态转变为符合患者手部形态的三维立体结构。具体步骤如下：

1）加热设备准备：使用温控水浴槽加热支具。水浴槽的温度范围设定为60°C至70°C；

2）加热过程：将打印完成并经过后处理的支具浸入预热至60°C至70°C的水浴槽中，确保PLA材料能够软化并发生变形，但不至于过热导致材料熔化或过度变形，加热时间为2至3分钟，根据支具的厚度和打印密度适当调整。在水浴槽中的热水作用下，PLA材料开始软化并逐渐发生形变。支具在加热过程中会沿着预设的方向变形，形成符合手部解剖结构的三维形态；

3）变形控制：在加热过程中，支具的变形是由设计中预先设定的结构单元（如菱形单元、梁宽和厚度）引导的。支具的每个结构单元在受热后根据材料的热变形特性进行适当弯曲，从而使得支具与手部的接触面更加贴合。加热后，支具的形态将尽量贴合患者的手指、关节等部位，确保佩戴的舒适性与功能性；

此外，可在加热形变之前使用导电布带进行传感电路线路的布置，在加热变形和形态调整完成后，支具将进入传感器模块的安装阶段，如安装压力传感器，以便实时监控支具提供的力反馈。具体步骤是：1）传感器安装：可以采用磁性安装方式，将导电布带按照预设的线路图安装到支具表面，之后，布带与传感器等部件之间通过磁性连接件实现固定；2）调试与测试：安装完成后，连接传感器与外部监测设备，进行传感器的调试与测试，确保传感器能够准确感知支具在使用过程中的力变化，并传输数据到监测设备。嵌入式压力传感器集成到矫形器中，被放置在矫形器的关键应力点，监测患者康复期间施加的力，这些传感器能够为康复师或医务人员提供实时数据，来对手部支具进行监测和调整。嵌入式压力传感器通过蓝牙将将压力传感器信号传输到计算机或智能手机，实现远程监控功能。如图8，在压力传感器底部需要借助导电粘合剂嵌入两个 Φ5 × 1 mm N52 钕磁铁，从而连接到控制器的 GND 和模拟输入端口。嵌入式压力传感器和支具通过导电胶带进行连接，信号控制器、锂电池置于附带磁铁的硬件外壳，依靠磁铁的吸力吸附在支具电路的磁铁上。支具经过加热变形和传感器安装后，将进行最终的佩戴测试。康复医师或支具制作专家会根据患者的手部实际情况进行适配调整，确保支具在实际使用中能够提供所需的力反馈并达到康复效果。支具的最终形态可以根据患者的手部尺寸和康复需求进行微调，确保其具有良好的舒适性和功能性，能够帮助患者顺利进行康复训练。

可以看出，本发明的设计能够为患者的个性化康复提供全面的解决方案。且可以极大简化关节康复支具的定制化制备过程，如图9、10、11所示，利用本发明所开发的系统及方法，可以便捷、高效的完成对关节康复支具的设计及制备，首先，对患者的手部等关节进行评估和测量，以手部为例，包括测量手指的周长和关节之间的长度。这些数据被输入到我们开发的参数化设计工具中，设计工具会自动生成手部矫形器的初步结构，包括四个菱形单元。根据患者的康复需求，调整力反馈参数，例如梁宽和厚度，或者在康复进程中，通过增加附加结构以改变矫形器的力反馈，确保矫形器在不同弯曲角度下提供适当的力反馈。

患者在指部的持续康复动作中通过支具磁性附着的控制器和压力传感器来监测康复训练过程中的力反馈。传感器数据通过蓝牙传输到计算机或智能手机，供医生和患者实时监测。在长期使用过程中，矫形器可能会因频繁弯曲而变形。此时，可以通过二次加热处理来重新调整矫形器的形状。将矫形器再次放入水浴中加热，然后进行手动调整，以恢复其原始形状或根据患者的康复进展进行调整。

本发明进行了大量的实验验证，证明了该方法的可行性和有效性。未来，该技术可以进一步扩展到其他关节的康复应用中。

以上所述的实施例只是本发明的部分较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

根据关节部位的结构，进行支具基本结构探索，在弹性可拉伸结构中确定适配于4D打印的结构形式，所述结构形式应能够在热处理形变后初步满足支具与关节运动的适配性和舒适性；

预先确定所述结构形式中的结构参数，以及关键结构参数与力反馈之间的映射关系，在模型设计软件中嵌入所述的映射关系，并根据所确定的结构形式形成初步模型，所述初步模型为具有一定厚度的片状模型，根据所述映射关系以及康复需要的力反馈相应调节所述模型的关键结构参数；得到支具片状模型；

根据所述支具片状模型进行3D打印得到支具的片状结构，对其进行热处理以控制形变，完成4D打印使所述片状结构转变为三维立体结构，调整后得到智能关节康复支具。

2.根据权利要求1所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，所述弹性可拉伸结构包括采用曲线设计或镂空设计使得材料具有可拉伸性的结构部分，或还包括有用于佩戴固定的结构部分。

3.根据权利要求1所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，对于手指康复支具，所述适配于4D打印的结构形式选用菱片型结构，所述菱片型结构为由两组支杆组件交错构成连续菱形框架结构，每组支杆组件均为若干平行支杆。

4.根据权利要求3所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，所述连续菱形框架结构包括在同一方向上依次相连的A、B、C、D四个菱形单元，在该方向上，A菱形单元端部至B菱形单元中心点间距为L1，B菱形单元中心点至C菱形单元中心点间距为L2，C菱形单元中心点至D菱形单元中心点的间距为L2；在垂直于该方向上，A菱形单元两对角线长度为πD1，B菱形单元两对角线长度为πD2，C节菱形框架两端间距为πD3，D节菱形框架两端间距为πD4；其中，L1、L2分别对应手指掌指关节（MP）到近侧指间关节（PIP）的距离以及近侧指间关节（PIP）与近侧指间关节（PIP）和远侧之间关节（DIP）的中点之间的距离，D1、D2、D3、D4分别对应为掌指关节（MP）到近侧指间关节（PIP）的中点处的直径、近侧指间关节（PIP）处的直径、近侧指间关节（PIP）和远侧之间关节（DIP）的中点处的直径以及远侧指间关节（DIP）处的直径。

5.根据权利要求1~4任一项所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，确定关键结构参数与力反馈之间的映射关系，具体包括：

采用特制的结构试验装置对基于所述结构形式经4D打印得到的三维立体结构即测试支具进行实验，精确控制和测试不同结构参数对弹性力反馈的影响，确定关键结构参数，并进一步得到关键结构参数与力反馈之间的映射关系；所述的结构试验装置包括：

固定平台、力传感器及量角器，所述测试支具装配于所述固定平台上，确保其在固定平台上稳定固定，所述力传感器一端通过刚性连接件连接所述测试支具的施力端，在通过力传感器下拉测试支具施力端的同时，所述量角器实时测量测试支具施力端与其固定端的角度，得到测试支具在不同角度下的力反馈；

对于同一种关键结构参数，通过实验获得在同一角度下不同结构参数数值对应的力反馈数据，对其进行拟合，得到该角度下该种关键结构参数与力反馈之间的映射关系，将其嵌入模型设计软件中。

6.根据权利要求3所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，对于所述菱片型结构，其关键结构参数为梁宽及厚度，梁宽为所述支杆的宽度。

7.根据权利要求6所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，所述智能关节康复支具中还设有附加结构，所述附加结构的模型为片状模型，包括主体结构及连接结构，所述主体结构具有与所述结构形式相同的结构单元，所述连接结构设于主体结构上用于与所述初步模型连接固定以改变初步模型对应结构的力反馈。

8.根据权利要求1所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，所述4D打印中先使用PLA材料，以速度30-150mm/s，层厚0.1mm，温度230℃进行3D打印，打印完成后，将打印件置于60℃~70℃下使其形变，形成三维立体结构。

9.根据权利要求1所述的基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具的制备方法，其特征在于，在4D打印中进行热处理形变之前对打印件采用导电带进行传感电路线路的布置，在热处理形变后，在三维立体结构上安装传感器模块，与所述传感电路线路共同构成传感电路以监控支具的力反馈，此阶段使用导电布带和压力传感器，以便实时监控支具提供的力反馈。

10.一种基于4D打印且可定制力反馈的智能关节康复支具设计系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-9任一项所述的方法，所述系统包括：力反馈调节模块及模型展示模块，所述力反馈调节模块用于根据所述关键结构参数与力反馈之间的映射关系，以及康复需要的力反馈相应调节所述初步模型的关键结构参数、以及附加结构的设置；所述的模型展示模块，用于展示经力反馈调节模块调节后得到的支具片状模型，以及经4D打印后的效果。