概念和设计的3 d打印支持协助手扫描定制矫正法的实现

文摘

在康复领域,添加剂制造技术实现定制的矫形器的使用越来越普遍。获得3 d模型3 d印刷阶段可以遵循不同的方法完成。我们考虑建立个性化的上肢矫形器,包括手指,从收购手几何通过准确的三维扫描。然而,手扫描过程呈现健康受试者和患者之间的差异受病态妥协上肢功能的影响。在这项工作中,我们提出的概念和设计3 d打印支持协助手扫描的病人。设备,用FDM添加剂制造技术在ABS材料来实现,使手掌收购,和它的设计和测试是出于以下需求:(1)固定在手掌扫描病人的手不自主运动,以减少影响扫描质量,(2)保持双手打开,在正确的位置,特别是对比痉挛性主体的高度的过度紧张。由此产生的设备可以使用地的左手;提供在四维的大小和可能也适合手掌支持收购的背一边的手。

1。介绍

在骨科康复领域,人们越来越感兴趣的设计定制的上肢矫正法能够适应个别间人体解剖学的变化。预制矫正法和夹板可以不舒服和不称职,暗示各种问题,如疼痛、水肿、压力,和汗水,经常造成重要功能丧失或甚至无效设备的治疗作用[1]。之前添加剂制造技术,逆向工程过程获得几何和设计矫正法(2),允许实现高水平的定制。外部的身体部位,虽然个性化形状建模可以实现从传统的诊断成像模式(3,4),收购的3 d扫描设备往往更有效。在数字化后,解剖数据可以通过有目的的软件驱动矫正法的设计。适用各种快速成型技术在生物医学领域,由于可用材料的不断进化和设备和生产成本的降低5,6]。

这项工作包含在一个更广泛的项目,名叫整形器(逆向工程的自我保健和医疗辅助个性化赋权和康复),包括整个逆向工程链的实现一个定制的手矫正法。在先前的纸,我们深入分析和建议一个专用的三维扫描程序手收购(7]。然而,将它应用于一些类的患者(例如,四肢瘫痪的影响由于脊髓损伤或卒中后偏瘫),病理手扫描可以更费力而麻烦。病理条件意味着很难维持一个稳定的手和手指的位置,而且,根据程度的过度紧张,病人的手指会自愿在拳头(图1)。这可能会导致运动工件或缺乏获得区域。其他问题可能出现在扫描患者相对低渗的问题,也就是说,弛缓性。自实现个性化矫正法需要一个完整的手几何(背或手掌侧取决于类型的设备),我们制定一个策略来克服上述局限通过一个特殊的支持能够保持手在一个可行的位置,以免缺乏数据和运动构件。因此,本工作的目的是设计这样的一只手支持协助扫描需要个性化的矫正的治疗的患者。保持在一个稳定的位置,支持符合病人的肌肉紧张性的程度,而不是干扰正在进行的治疗治疗。手是必要的时间扫描定位的整个几何手腕,手,手指,获得表面获得高水平的准确性。我们意识到不同版本的支持,逐步修改设计,按照技术和临床规范和固定装置的最优定位,总是尊重病人舒适。

2。相关工作

手矫正法施工,通常两条路径之后,但是证据主要限制。在第一个,一个完整的接触过程被用来创建一个手工制作的个性化矫正法在低温热塑材料(图片)。典型的工作流其次是骨科技术人员(8)开始创建模式,在病人的手腕和手放在一张纸上,注意相关地标压力点。模式是精制,纸剪沿着图和测试病人;后,材料(通常是图片),填充材料,选上的紧固件。图片上的切纸转移,也就是说,后切割和安装在病人和调整;紧固件是固定矫正法,最后,可选的调整是由创造通风的洞。这种类型的制造是经常使用在临床环境中,即使它很费力,费时,而且很痛苦的病人。

第二种方法包括使用3 d扫描仪直接获得石膏生产的手。high-metric精度实现,非自愿病人运动可能会删除相关的问题。然而,很明显这个过程是如何时间material-consuming,侵入性,可以为病人不舒服。研究遵循这种方法通常不考虑收购主体受到痉挛性或其他无效病态(9]。可能的方法来克服无法扫描内部和错综复杂的表面由于视距限制,遮挡,和解剖的复杂性(手是一个几何复杂区)再次入侵,难以应用在病人没有产生不适和疲劳10]。

改进的安慰、时间和节省材料的可以直接扫描解剖学的兴趣(11)获得一个模型,可以集成在一个逆向工程方法,结束的3 d打印定制矫正法。在文学,这种方法通常应用解剖部分很容易获得,因为没有阻塞的问题(例如,腿,胳膊,前臂,脸,手和手指除外)(9,12]。高水平的定制后可以通过逆向工程方法,通常包括三个主要阶段(13,14在[],进行批判性的分析2):(1)扫描的解剖部位,(2)使用CAD软件处理获得几何,和(3)创建设备的使用添加剂制造技术。在文学中,有一些研究分析整个手矫正法的实现过程(15,16];其他专注于特定的阶段,以解剖学收购为合适的系统提供的(17- - - - - -19]。在[7),我们测试了,在健康受试者,不同的扫描方法和部分遮挡的问题解决和无意识的动作由一个可变形的多视图一致性的解决方案。然而,据我们所知,没有研究试图解决的问题缺乏获得数据由于痉挛状态的态度。我们解决这个问题的设计和使用一个特殊的支持保持手开放和尽可能接近理想的位置。

3所示。材料和方法

手的设计采购支持被设想成为一个迭代过程,由于计划和任务澄清,概念,体现设计和详细设计(20.]。

3.1。计划和任务澄清

据我们所知,没有研究处理支持设备的设计与实现有用的协助3 d扫描的解剖学,可能由于缺乏收购程序的手包括手指非常复杂的收购,尤其是在病人的情况下受到神经系统紊乱。

为了更好地理解问题的固定和定位病人的手在收购期间,其中两个代表性的例子给出了分析康复诊所住所Salutis(意大利布雷西亚)。手收购进行使用结构光扫描仪克洛诺斯3 d双和洞察力通过开放技术生存研究实验室(Rezzato,意大利)http://www.scanner3d.it/en/。扫描过程中确定(7)是应用在主题需要一个辅助设备,以保持他们的手在适当的位置扫描。倾向于关闭的手在一个拳头的初步测试,证实了在某些情况下,它产生无用的收购由于缺少内部地区,生产辅助设备的使用保持必要的手打开。此外,对一些病人来说,超出预期的问题在维护一个稳定的位置,我们观察到额外的困难假设自愿仰卧位的手,这是促进而不是有用的手掌侧收购。

在第一种情况下,如图2(一个),病人的低紧张性的手允许肢体被放置在一个几乎最优位置的收购,通过最小干预的治疗师(可见手指指数)。收购的结果(图2 (b))突出部分两个典型问题:手指的表面是不够完整(多个视图需要),在扫描和拇指。

在第二个例子中,如图3(一个)在采集阶段,治疗师的干预是更大的,和病人的手必须使用对应的手指坚定的治疗师。然而,3 d采集结果更令人满意的完整性和准确性(图3 (b))。

基于考虑出现在临床医生、治疗师,和工程师,由上述定性分析的结果和其他扫描测试,需要提高手掌一侧的扫描过程中手收购显然出现了。在这里,我们解决出现问题的设计、3 d印刷制作一个专门的固定支持根据以下需求列表:(我)双边(右,左手)使用(2)Bifrontal(手掌和背)收购(3)低成本(iv)容易定位和修复(v)收购的解剖生理位置(vi)通过不同的手大小可穿戴

3.2。设计概念和体现

因为目前工作的范围是满足一个全新的必要性,也就是说,获得手几何包括手指使用3 d扫描仪对肢体的功能弱的科目,设计阶段注意设备的功能和可能轻松快速地获得原型具有不同几何和增加复杂性。

一个满意的解决方案是这里获得通过迭代过程,包括确定额外的技术规范,评估渐进几何修改由于3 d打印。未来的工作,我们将优化设备,执行功能测试和有限元分析。

操作工作流报告图4。

版本1(V1)实现满足最初的技术要求:(我)形状符合人类的手可以应用在两个左和右的手(2)支持用加法制造(3 d打印)(3)安排的孔眼修复支持病人的手中。

版本2(V2)包括额外的规格:(我)支持应该设计一个图形复制的中立位置的手。(2)孔眼应更多,允许灵活的手指的修复。

手的中立姿态是一个平衡的位置没有活跃的肌肉收缩,它被认为是由治疗师治疗痉挛性手的最优位置。Heo et al。21)描述这样的位置如下:手腕扩展20°中性径向/尺侧偏移,在掌指的(MCP)关节弯曲约45°,近端指间关节(PIP)弯曲30°、45°之间,和远端指间关节(DIP) 10°和20°之间的弯曲。

版本3(V3)实现履行更多的具体要求:(我)拇指必须保存在反对其他手指。(2)必须意识到不同大小的支持。(3)尼龙搭扣紧固为V2选择应该替换为另一个连接解决方案。

人体测量被认为是实现不同大小的支持。野鸡(22)描述区分男性和女性手中的措施,报告第五,50和95百分位数。因为在文学的普遍定义的手大小不存在,我们决定把百分位数,我们以一种合适的方式定义的四个不同尺寸:尺寸XS(第五百分位女性),大小年代(50百分位女性和第五百分位男性),尺寸M(第95个百分位女性和50百分位男性),L(第95个百分位男性)和大小(图5)。

这项工作的措施,被认为是如图6:手掌长度(2),拇指长度(3),食指长度(4),中指的长度(5),无名指长度(6),小指长度(7),食指宽(10),一手宽(12)22]。手指的总长度是不够的,由于不同的角位置的三个趾骨。每个方阵的每个手指的长度是通过关系找到了重建Buryanov和Kotiuk23),测量相对距离(百分比)的关节手指。我们使用如下公式: (我)第三指骨长度;(2)是第二个方阵的长度;(3)是网络高度(掌指的联合);(iv)是外部的手指长度(从足底的织物);(v)是列表值的百分比23]。

第一方阵的长度推导了总长度之间的差异的手指()和第二和第三趾骨的长度(和),添加网络高度到达MCP关节。我们认为每个方阵的最大价值四根手指。

3.3。详细设计

支持与CAD软件建模,实现了3 d打印使用FDM打印机(Stratasys公司“维度BST 1200 es”)采用ABS材料(ABSplus,抗拉强度:37 mpa)层厚度为0.254毫米,建设规模254×254×305毫米。

支持等于3.5毫米的厚度(16];之后,这是增加到5毫米来提高设备的刚度。

这台打印机适合原型设计和测试,确保足够的刚度特性的产品。对于大规模的使用,进一步优化和制造提供专业3 d打印机(使用更先进和认证医学材料)考虑。

4所示。结果与讨论

V1测试一个志愿者手上,使用胶带固定(图7)。的手掌,形状被认为是适当的,但也有一些限制:平面形状可能不舒服(即使对健康受试者)如果没有痛苦(尤其是对患者)和完全开放的位置手(0°手指和手腕的弯曲)并不被认为是治疗价值,相反,它可能是有害的治疗。

V2有5孔眼代替3修复手指拇指除外。在图的设计和原型8,而在表1角的测量,按照临床医生选择和职业治疗师报道。这一版本的主要限制是不同的手部分的长度,选择基于一个志愿者的手维度。因为使用的胶带V1导致不适,取而代之的是维可牢尼龙搭扣带。

在V3信件,小翅膀被意识到的经验,促进其反对其他手指。他们弯曲的角60°的手飞机(图9)。

既定的工作报告在表的长度2,在那里手掌长度(野鸡测量[22),2号图4,减少了网络高度P1);P1, P2, P3的指骨长度;白平衡是我们考虑的手腕宽度相当于一手宽(12号在图4);车手是手腕长度,我们建立了为每个大小固定;长度、宽度和高度的外形尺寸(图的支持9)。

解决了更换尼龙搭扣与合成革关闭扣以后,在我们的情况下,维可牢尼龙搭扣带不是很实用,可能会引起皮肤过敏。

满足要求的支持列表比较表3。分析提出了表3显示了一个比较,为每一个需求,“-”被分配,如果不能满足要求,“+”如果要求是满意,“+ +”,如果要求很满意。

值得注意的是观察到的形状的支持V3也适合双边使用,也就是说,作为正确的支持手手掌背侧的扫描采集的左派和右派的手,可能背矫形器的设计与实现。

同样重要的是要澄清,再现性的支持并不是一个令人信服的需求定位,自矫正法可以精确修正通过合适的软件工具。此外,主体间重现性是很难定义的差异度大病理条件(例如,或多或少的过度紧张)。

这个实验工作中使用的设计方法高度迭代/互动和临床特点是一个连续的比较和设计要求;通过测试的第一个版本支持,我们理解,改进;第二个版本是获得第一,然后第三个。在这种情况下,使用添加剂制造技术制造的各种支持原型是根本。在一个合适的时间,我们成功地获得不同形态支持样品无需诉诸更加昂贵和耗时的制造过程。

5。结论

支持设备开发基于手固定需求时获得的手掌的手一边mobility-limited病人通过3 d扫描仪。

迭代设计过程和临床医生和之间的交互设计师需要设计和生产更多版本的支持设备。

使用添加剂制造技术发展的设备让我们跟随和追求成功的设计过程。

由此产生的产品,除了可用地左右,可能是合适的手掌支持收购的背一边的手。

下一步项目中,我们将扩展设计支持设备的使用更大样本的病人和获得的数据将用于定制的矫形器的设计。

信息披露

这个工作是一个研究作为项目的一部分(整形器,逆向工程的自我保健和医疗辅助个性化赋权和康复)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关出版的手稿。

确认

这项工作是由布雷西亚大学开放技术生存研究实验室,与基金会合作特蕾莎修女Camplani-Casa di的看台住所Salutis, Partec Srl, Brixia易访问性实验室(BrAL)。

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