數(shù)字化技術(shù)可以為矯形和假體的設(shè)計(jì)和制造帶來哪些改變？

來源：3DSystems

挑戰(zhàn)：將數(shù)字化技術(shù)引入矯形和假體的設(shè)計(jì)和制造，從而支持?jǐn)?shù)字化工作流程和工具的手工過程

解決方案：3D Systems的Geomagic Freeform自由造型有機(jī)設(shè)計(jì)軟件利用Dynabot來自動(dòng)執(zhí)行步驟

成果：

• 使用自動(dòng)化加速子任務(wù)建模
• 實(shí)現(xiàn)了可復(fù)制的結(jié)果，通過數(shù)字化和定義工作流程加強(qiáng)了標(biāo)準(zhǔn)化
• 提高矯形和假體設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量和速度，滿足患者的個(gè)性化需求
  

矯形和假體（O&P）是為數(shù)不多還使用手工作為主導(dǎo)的行業(yè)。但是，隨著3D打印和專用建模工具的出現(xiàn)，一場數(shù)字革命帶來了幫助改善患者生活的新可能性。

Haussler醫(yī)療用品與德國烏爾姆應(yīng)用科學(xué)大學(xué)的生物力學(xué)研究小組以及3D專家和經(jīng)銷商Antonius Koester攜手合作，定義了新的數(shù)字化處理過程。

他們選擇3D Systems的Geomagic Freeform有機(jī)工程設(shè)計(jì)軟件和Touch觸覺式力反饋設(shè)備作為工具。Geomagic Freeform中的Dynabot自動(dòng)化工具可以幫助他們簡化和加速建模過程，使他們能夠精確地重現(xiàn)非常合適的矯形器和假肢。

Geomagic Freeform軟件提供了矯形師和假肢師在石膏室所需的相同的選擇和工具

如何將工藝與研究相結(jié)合？
Häussler是德國南部著名的醫(yī)療用品公司。由托馬斯·奧斯特勒于1916年建立，是烏爾姆要塞主要軍事醫(yī)院的專門車間。從一開始，奧斯特勒就重視與醫(yī)學(xué)科學(xué)的合作，并在醫(yī)院車間工作。

1984年，Häussler在烏爾姆大學(xué)和康復(fù)診所開設(shè)了一個(gè)臨床講習(xí)班，以加強(qiáng)醫(yī)學(xué)科學(xué)和研究之間的聯(lián)系。

Häussler不僅僅是一家普通的醫(yī)療用品公司。Häussler矯形師和義肢醫(yī)師與烏爾姆應(yīng)用科學(xué)大學(xué)密切合作，醫(yī)學(xué)工程和生物機(jī)電專家教授菲利克斯·卡帕尼博士在那里工作并進(jìn)行研究。斯蒂芬·馬蒂塞克曾是卡帕尼教授的研究助理，現(xiàn)在管理著Häussler研發(fā)部門。除了指導(dǎo)學(xué)士和碩士論文，馬蒂塞克將研究與商業(yè)實(shí)施聯(lián)系起來。

“我們正致力于矯形和假體行業(yè)的變革，Geomagic Freeform軟件是我們變革的基石。”——斯蒂芬·馬蒂塞克

了解矯形和假體的傳統(tǒng)制造流程
矯形師和假體修復(fù)師設(shè)計(jì)和制造定制的矯正器和假肢。矯正器的目的是穩(wěn)定、支持、固定或放松身體或肢體的一部分，或糾正有缺陷的位置，而假肢則是替代缺失的身體部分或肢體。

矯正器和假肢都是由功能部件組成的，比如關(guān)節(jié)(大部分是工業(yè)制造的)，以及連接病人身體的區(qū)域。矯形師和假體修復(fù)師面臨的兩大挑戰(zhàn)首先是產(chǎn)生正確的功能和患者的大小和力量比例的適宜性；第二，開發(fā)一種與人體接觸的界面，能夠在不引起摩擦或類似刺激的情況下傳遞和吸收力。

馬蒂塞克提到：“矯形和假體制造有很多手工工藝。然而，隨著數(shù)字化，我們的職業(yè)正在發(fā)生根本的變化。由于高度的手工工作和不同經(jīng)驗(yàn)的矯形師和假肢進(jìn)行工作，幾乎不可能完全復(fù)制一樣的產(chǎn)品;第二個(gè)假肢和第一個(gè)與第一個(gè)假肢會(huì)有區(qū)別。”將工藝過程部分?jǐn)?shù)字化提供了一種消除不必要偏差的方法。他預(yù)測，3D打印技術(shù)在未來的矯形和假體制造中將扮演重要角色�！帮@然，3D數(shù)字模型是必不可少的�！�

開啟數(shù)字化的可能性
制作假體的傳統(tǒng)流程是從用石膏塑造身體部分開始的。馬蒂塞克表示，這種傳統(tǒng)的方法比直接對患者肢體進(jìn)行3D掃描有些許優(yōu)勢:“乍一看，從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)開始似乎是合乎邏輯的，但3D掃描只代表了肢體放松時(shí)的幾何形狀。首先使用石膏，我們可以壓縮較柔軟的區(qū)域，類似于最后的假肢。我們也可以直接在石膏模型中糾正缺陷部位�！�

第二步是制作正面幾何圖形，可以使用傳統(tǒng)的石膏，也可以使用數(shù)字3D數(shù)據(jù)研磨聚氨酯(PU)泡沫。然后真正的工作就開始了。利用經(jīng)驗(yàn)和解剖學(xué)知識，義肢醫(yī)師在不需要施加壓力的地方添加材料，并在需要緊密連接的地方移除材料。這種適應(yīng)的幾何形狀隨后被用作設(shè)計(jì)假體的基礎(chǔ)。

△Touch  X力反饋設(shè)備

馬蒂塞克提到:“這是一個(gè)步驟，手工技能和工藝的假肢可以在這里發(fā)揮作用，這也是偏差發(fā)生的地方，使假肢更好或更差。出于這個(gè)原因，我們正在努力數(shù)字化過程中的這一步，以實(shí)現(xiàn)可再現(xiàn)的結(jié)果，并加速自動(dòng)化建模子任務(wù)。3D打印元素為模具制作提供了全新的可能性�！�

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在Geomagic Freeform自動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)字石膏模型
這種設(shè)計(jì)的首選工具是帶有Touch觸覺裝置的Geomagic Freeform。馬蒂塞克解釋說:“Geomagic Freeform提供了與我在石膏室相同的選項(xiàng)和工具�！贝送猓琩ynamabot宏功能在Geomagic Freeform允許我們自動(dòng)化重復(fù)任務(wù)，并為用戶每一步的過程提供正確的工具。這種定義好的工作流程會(huì)自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)化。”

使用Geomagic Freeform一個(gè)很好的例子來自于研究生亞歷山大·克里格的學(xué)士論文�？死锔耖_發(fā)了一種前腳假體鞋，用于那些失去腳趾或或更多前腳的患者，這些患者走路困難。通常情況下，病人會(huì)穿一種特殊的鞋子或假體，其前部填充了泡沫，可以讓腳穿過有彈性的鞋底。鞋底的特點(diǎn)必須精確地適應(yīng)病人的體重和行走方式。找到合適的剛性和柔性的組合需要義肢醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn)。

克里格使用運(yùn)動(dòng)分析和有限元(FE)模擬開發(fā)了一個(gè)規(guī)則集，可以計(jì)算出適合每個(gè)患者的適配鞋底。他使用了Geomagic Freeform中的Dynabot功能來實(shí)現(xiàn)。克里格解釋說:“這是支持缺乏經(jīng)驗(yàn)的Geomagic Freeform用戶的最佳解決方案。“使用Geomagic Freeform Dynabot，我可以為用戶的每個(gè)子任務(wù)提供合適的工具，并指導(dǎo)用戶完成整個(gè)過程。Geomagic Freeform Dynabot還能停止，允許用戶執(zhí)行手動(dòng)建模任務(wù)，并可以再次啟動(dòng)下一步。不需要用戶輸入的操作會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，這使得處理速度更快�！�

這就是克里格的dynabt如何引導(dǎo)用戶完成制作前腳假肢的過程。參數(shù)化建模在Geomagic Freeform廣泛使用，與用戶直接修改假肢的幾何輸入。這是3D打印的基礎(chǔ)。當(dāng)前原型的一個(gè)有趣的細(xì)節(jié)是內(nèi)膽，這是病人把他們的腳插入其中的部分。這是一件用3D打印模具制成的硅樹脂鑄件。假體的其余部分大部分是預(yù)先確定的，只有大小和硬度需要適配患者。

△在Geomagic Freeform中鑄型襯板的數(shù)字視圖

△透明的鑄型半視圖

△內(nèi)膽鑄造模具:半模和鑄造型芯

△3D打印的半模

將數(shù)字化融入教育
卡帕尼教授認(rèn)為教學(xué)是一種義務(wù):“大型整形外科公司已經(jīng)為整形外科業(yè)務(wù)提供了一個(gè)生產(chǎn)某些整形外科輔助設(shè)備的數(shù)字平臺。然而，這些都是工業(yè)公司，其技術(shù)人員和工程師對矯形和假體貿(mào)易和工程有深入的了解。傳統(tǒng)的整形公司通常沒有后者。像GeomagicFreeform這樣的數(shù)字工具的使用要求用戶具有一定的技能，因此必須整合到整形外科技術(shù)人員的培訓(xùn)中。這一方面包括使用數(shù)字設(shè)計(jì)工具和為骨科技術(shù)量身定制的設(shè)計(jì)原則，另一方面包括材料及其生產(chǎn)技術(shù)的知識，例如用于3D打印的塑料�！�

將數(shù)字技術(shù)整合到作業(yè)流程中需要團(tuán)隊(duì)合作。馬蒂塞克指出:“我們正在與其他醫(yī)療用品公司、烏爾姆應(yīng)用科學(xué)大學(xué)、3DSystems和我們的合作伙伴Antonius Koester合作，定義更多的工作流程，并將其實(shí)現(xiàn)到Geomagic Freeform Dynabots中。他補(bǔ)充說:“Koester和他的員工在模具制作、使用Geomagic Freeform建模和3D打印方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)�！碑�(dāng)我們陷入困境時(shí)，Koester總是知道如何有效地實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。他們用學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位論文支持我們。”

縮小工藝和數(shù)字化之間的差距
馬蒂塞克總結(jié)道:“GeomagicFreeform是一個(gè)非常強(qiáng)大的工具，它提供了我們需要建模的任何自由度。觸覺設(shè)備提供反饋，縮小了傳統(tǒng)工藝和數(shù)字模式之間的差距。Geomagic Freeform dynabbots允許我們簡化Geomagic Freeform中的豐富功能，在正確的時(shí)間為用戶提供正確的工具�！�

“Geomagic Freeform提供了與我在石膏室相同的選項(xiàng)和工具�！�
——史蒂芬·馬蒂塞克

卡帕尼教授認(rèn)為這對患者有好處:“例如，對于某些矯形器，不需要石膏，因?yàn)樗�需的�?shù)據(jù)是通過3D掃描技術(shù)獲得的，然后使用基于軟件的處理打印出來。此外，數(shù)字化開辟了“構(gòu)建”先前無法實(shí)現(xiàn)的幾何圖形的可能性，并使其適應(yīng)患者在功能和美學(xué)方面的個(gè)人愿望。已經(jīng)設(shè)計(jì)好的輔助設(shè)備只要按一下按鈕就可以重新制造出來�！�

馬蒂塞克總結(jié)說:“數(shù)字技術(shù)不會(huì)取代我們今天使用的技術(shù)，但會(huì)補(bǔ)充它們，使我們的工作更有效率。標(biāo)準(zhǔn)化也有助于保持我們的產(chǎn)品質(zhì)量始終如一。3D打印為我們提供了全新的定制機(jī)會(huì)。我們正致力于矯形和假體行業(yè)的革命，而Geomagic Freeform是這場變革的重要組成部分和基礎(chǔ)�！�