集成傳感功能的平價(jià)3D打印鞋墊，可預(yù)防致命的糖尿病足潰瘍惡化

來源：MEMS

英國(guó)斯塔福德郡大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種具有集成傳感功能的超低成本鞋墊，該鞋墊有助于預(yù)防致命的糖尿病足潰瘍（Diabetic Foot Ulcer，DFU）惡化。研究小組開發(fā)的這種平價(jià)3D打印鞋墊沒有使用電子傳感器而是采用了微小的可調(diào)結(jié)構(gòu)來監(jiān)測(cè)潰瘍的生長(zhǎng)情況，這使其能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到穿戴者走路時(shí)腳部超負(fù)荷的位置。利用這些形變資料，臨床醫(yī)生有機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)患者潰瘍的早期跡象，從而更好地管理潰瘍的發(fā)展，防止患者截肢。

“全球每年有2600多萬人患上糖尿病足潰瘍，在發(fā)展中國(guó)家，糖尿病足潰瘍的終生患病率超過20%�！痹撗芯亢献髡逳achi Chockalingam教授解釋道，“建立預(yù)防足潰瘍的低成本方法，將減輕糖尿病造成的全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并最終挽救生命。”

“隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，本文所報(bào)道的概念有可能改變?nèi)�世界糖尿病足潰瘍風(fēng)險(xiǎn)的臨床管理。”

（a）該研究小組設(shè)計(jì)的傳感鞋墊及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（b）根據(jù)該傳感鞋墊的測(cè)試性能繪制的圖譜（來源：Royal Society Open Science）

糖尿病的致命并發(fā)癥
許多二型糖尿病患者都親身經(jīng)歷著感覺神經(jīng)病變，因?yàn)檫@種疾病會(huì)逐漸導(dǎo)致神經(jīng)損傷和腿腳的感覺功能喪失，所以，許多患者的雙腳感覺不到疼痛，這意味著他們的腳負(fù)荷比以前更重，從而誘發(fā)糖尿病足潰瘍。

雖然糖尿病足潰瘍最初看起來微不足道，但是它會(huì)造成容易被忽視并感染的開放性創(chuàng)口，因此糖尿病成為當(dāng)今世界上最常見的非創(chuàng)傷性截肢的原因。一般來說，臨床醫(yī)生認(rèn)為降低足底壓力對(duì)糖尿病足的治療至關(guān)重要，所以他們經(jīng)常給患者開具的“處方”就是用來保護(hù)潰瘍部位免受高負(fù)荷的鞋子壓力。

這種矯形鞋已經(jīng)流行了一段時(shí)間，但他們的設(shè)計(jì)更多的取決于醫(yī)生的臨床直覺，而不是糖尿病足的壓力何時(shí)超過臨界水平的證據(jù)。復(fù)雜的鞋底壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)在確實(shí)也有，但它們通常依賴于昂貴的電子傳感器和笨重的數(shù)據(jù)跟蹤設(shè)備，這妨礙了它們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用。

因此，斯塔福德郡大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)有必要根據(jù)越來越多的證據(jù)（即基于壓力閾值的裝備比目前的矯形鞋更有可能降低糖尿病足潰瘍復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)）采取行動(dòng)，因此研發(fā)出了一種具有集成傳感功能的平價(jià)3D打印鞋墊，該鞋墊有助于更準(zhǔn)確地識(shí)別超負(fù)荷的足部區(qū)域。

3D打印技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于定制矯形鞋的生產(chǎn)中（來源：Trinkley）

一種新穎的低成本鞋墊設(shè)計(jì)
該團(tuán)隊(duì)針對(duì)糖尿病足潰瘍?cè)O(shè)計(jì)的鞋墊非常有彈性，由一系列微小的相互結(jié)合的六邊形結(jié)構(gòu)組成，在低壓下具有類似彈簧的反饋。不過，一旦鞋墊上的負(fù)荷達(dá)到預(yù)先設(shè)定的臨界壓力水平，它的阻力就會(huì)有效地下降，從而使糖尿病足免受持續(xù)的壓力。

經(jīng)過一周的使用后，該研究小組認(rèn)為，鞋墊的微觀結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)了累積損傷，改變了鞋墊的機(jī)械性能，進(jìn)而可以讓他們找出腳部易受傷害的區(qū)域。為了評(píng)估他們新穎設(shè)計(jì)的可行性，研究人員選擇熔融沉積成型工藝（FDM）3D打印了26個(gè)樣品（每個(gè)樣品具有七個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)），然后再對(duì)它們進(jìn)行力學(xué)負(fù)荷測(cè)試。

在經(jīng)過2000次循環(huán)測(cè)試后（試驗(yàn)周期與糖尿病患者的平均每日步數(shù)保持一致），這些樣品不僅具有耐久性，而且確定壓力閾值為252 kPa。此外，通過后來的有限元分析，該研究小組發(fā)現(xiàn)可以通過提高或降低這個(gè)壓力閾值以滿足特定應(yīng)用的需求，甚至可以量身定制出患者專用的鞋墊。

盡管研究人員得出的結(jié)論是，他們的設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步改進(jìn)才能應(yīng)用于臨床，但是他們堅(jiān)持認(rèn)為，這證明了使用薄壁結(jié)構(gòu)作為傳感診斷工具的可行性，以及他們對(duì)“加強(qiáng)糖尿病足潰瘍風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及用來指導(dǎo)有效減輕干預(yù)措施的設(shè)計(jì)”的潛力。

“我們的工作已經(jīng)證明了一種使用低成本、非電子技術(shù)的檢測(cè)腳部超負(fù)荷的可靠方法�！痹擁�(xiàng)研究的主要作者Panagiotis Chatzistergos博士表示，“我們使用了一種3D打印的薄壁結(jié)構(gòu)，當(dāng)反復(fù)施加的壓力高于或低于可調(diào)壓力閾值時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的特性就會(huì)發(fā)生變化。我們認(rèn)為，這是對(duì)當(dāng)前糖尿病足潰瘍檢測(cè)做法的一個(gè)重大改變�！�

增材制造的矯形鞋
通過增材制造可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制化和設(shè)計(jì)的靈活性，因此，該技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于鞋類制造領(lǐng)域。本月初，3D模型廠商PROTIQ推出了一款基于3D打印的制鞋工具，使得鞋匠能夠?yàn)榭蛻粼O(shè)計(jì)和定制矯形鞋。

同樣，拜耳的足部護(hù)理子品牌Dr. Scholl's此前也曾與Wiivv合作開發(fā)了一系列定制的3D打印鞋墊。FitMyFoot（原Wiivv）公司的技術(shù)可以讓用戶對(duì)他們的腳進(jìn)行3D掃描，并打造個(gè)性化的鞋子，這有助于減輕病人的足部疼痛，改善他們的身體姿勢(shì)。

在其他領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也被用于無痛血糖監(jiān)測(cè)裝置的研制，例如雅典國(guó)立和卡波迪斯特里安大學(xué)開發(fā)的“e-ring”。一旦連接到標(biāo)準(zhǔn)智能手機(jī)，這種新型裝置就能夠利用生物標(biāo)志物來對(duì)佩戴者的血糖水平進(jìn)行超精準(zhǔn)的讀取。

3D打印“e-ring”用于血糖監(jiān)測(cè)

這項(xiàng)研究成果在題為“A novel concept for low-cost non-electronic detection of overloading in the foot during activities of daily living”的文章中有詳細(xì)的描述，該文章由Panagiotis E. Chatzistergos和Nachiappan Chockalingam合著。