3D打印和拓扑优化在康复医学科的应用

作者：魏国强 山西省长治市人民医院 主任医师

许阳阳 山西省长治市人民医院 主管技师

王 一 山西省长治市人民医院 主管技师

审核：王萍芝 山西白求恩医院 主任医师 康复医学科主任 中华医学会物理医学与康复学分会神经康复学组委员 山西省医学会物理医学与康复专业委员会主任委员

3D打印，亦称增材制造，是以创建的数字模型文件为基础，运用各种可粘合材料（墨水），通过逐层打印的方式来构造物体的一种快速成型技术。3D打印能快速实现“所想即所得”，设计者通过计算机进行数字建模后，输入3D打印设备即可快速打印出原型或产品，显著缩短了设计与制作周期。

3D打印在临床医学中的应用分为3D生物打印和3D非生物打印。前者是指有生物活性的组织器官的打印，后者则是只实现外观、功能的打印。两者最大的区别就是3D生物打印包含细胞参与，能实现更高级的甚至贴近人体正常组织器官的生命活动，是3D打印在临床医学领域的终极追求。目前，受技术与原材料限制，国内康复医学科大多采用3D非生物打印，但每件作品都是独一无二的，具备精确的数据、精准的力学测量、个性化的设计、全新的外观及良好的匹配度等特点。随着科技的发展，3D打印的应用范围会越来越广。

拓扑优化（TO）作为计算机辅助设计的方法，常用于设计并制作各种新颖和复杂的结构，具有可调刚度、分层特征及出色的轻质性能等优点。

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非常巧合的是，人体的很多器官结构的组织发育也经历过增材与拓扑优化的过程，如骨骼在关键承载区域不断沉积，而在非承载区域逐渐稀疏，通过反复拓扑优化，骨骼结构最终优化分布于承载的重要区域，实现了强度和重量的完美平衡。尽管3D打印技术在康复医学中的应用受专有材料限制，但拓扑优化能在一定程度上能弥补这一不足。3D打印与拓扑优化的结合能有效解决康复医学中的诸多问题。

近年来，我们积极探索3D打印与拓扑优化技术在康复医学中的应用，主要涉及以下方面：

1.3D医学模型

可用于临床教学和手术模拟，可按需还原、放大或缩小，具有客观、真实、直观、可触摸及可模拟操作等特点。

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2.矫形治疗

（1）颈椎固定矫形器：根据伤情及手术情况进行个性化设计，易于快速佩戴，可根据病程和患者需求随时调整稳定性、舒适度及活动度等指标。拓扑优化实现轻量化，便于观察伤情。

制作过程：

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佩戴

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（2）足趾矫形器：采集足部图像，建模后进行生物力学设计，定制矫形器，准确矫正足趾畸形。

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（3）轻量化分指板：对分指板进行改良设计，随型调整，减轻重量，提升透气性。

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（4）手指关节矫形器：用于类风湿性关节炎、外伤等导致的指间关节与掌指关节畸形，个性化设计，能及时随型调整。

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（5）拇指、示指牵伸矫形器：针对脑卒中、神经损伤等导致的手部挛缩畸形进行牵伸矫形，数字化设计，美观、透气、舒适。

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（6）踝足固定矫形器：替代石膏，可预设衣服、袜子等衬垫，易拆卸，透气，拓扑优化后轻量化，便于观察伤情。

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（7）肘关节固定矫形器：替代传统石膏，可预设衣服衬垫，易拆卸，透气，拓扑优化后轻量化，便于观察伤情。

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（8）胸腰椎固定矫形器：拓扑优化后轻量化，便于观察伤情。

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（9）丁字鞋矫形器：可用于脑卒中、下肢骨折等患者的下肢内、外旋畸形，可利用足跟装置来调节角度。

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（10）矫形鞋垫：个性化设计，经拓扑优化，可随时调节足弓、足底及足趾高度和刚度，实现矫形治疗。

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3.改良工具

自行设计与改良适合患者与治疗师使用的工具和器械等。

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3D打印技术具有以下优点：个性化、贴合度好、精准度高、制造周期短、结构轻便、透气性好、防水设计佳、可预设衬垫、迭代更新快、通透性好（便于观察）、可根据患者反应或病情变化随时调整等。同时，也存在以下不足：首先是材料，缺乏兼顾舒适性、坚固性、耐用性的打印材料，虽然拓扑优化会弥补一定刚度和弹性的不足，但舒适度欠佳仍然不利于长期佩戴；另外也存在后期专业化处理（光滑度、工艺）难度大、成本高等问题。随着材料科学的进步与新技术的融合，3D打印与拓扑优化等技术将为康复医学带来日新月异的变化。