创成式设计+3D打印, 助力瘫痪康复训练耳机定制

创成式设计是一种实现高效、低成本个性化设计的方式,它不再依赖手工建模创建单一模型,而是基于规则编写算法生成模型,一套规则可以生成无数种模型。设计师的任务已经变为创建规则,编写设计程序了,生成模型的任务交给计算机自动完成。最终的个性化模型是由一组合适个性化的参数或条件来确定的。

创成式设计能够创造出手动建模所不易获得的设计方案,它们拥有复杂几何结构,而增材制造-3D打印技术在工业制造中的应用优势之一是制造复杂的结构,可以说创成式设计与增材制造技术是天生的“好伙伴”,创成式设计将进一步释放增材制造的应用潜能。

.专栏文章《个性化设计、参数控制变化、轻量化,三大案例看创成式设计的应用价值》曾分享了通过创成式设计与3D打印技术,实现汽车轮毂大批量个性化设计的案例。本期,3D科学谷将继续创成式设计与个性化定制的话题,分享一个家用便携式EEG 耳机的个性化设计与制造的案例。设计与开发EEG耳机的目的是用于瘫痪患者的运动康复训练,属于康复医疗器械范畴。

Part_Ear_Headseat_Autodesk_1从传统CAD建模演变为左边通过Autodesk Fusion 360创成式设计实现的最终设计。来源:Autodesk

block 高效、经济的实现个性化与复杂性设计

脊髓损伤或中风患者经常会出现瘫痪,即部分或完全失去四肢的使用能力。这是由于大脑无法再向手臂或腿部发出指令。脑机接口(BCIs)是一种能够连接外部设备与人类大脑的技术,使得人类能够运用自已的思维来直接控制外部设备,而不需要肌肉、躯干的参与。脑-机交互及功能电刺激系统(BCI-FES),已被用于瘫痪患者的康复训练。

Part_Ear_Headseat_Autodesk_2来源:Autodesk

BCI-FES系统所需的医疗设备复杂,并且患者需要与专业人员一起训练。如果获取可靠的患者脑电图(EEG)信号的方式更加简单,那么,BCI-FES 技术的成本将会降低,将有更多的瘫痪患者,受益于这种康复方式。根据软件公司Autodesk, 苏格兰格拉斯哥大学生物医学工程专业的一名博士研究生正在设计开发一种家用便携式EEG耳机,来应对这些挑战。

手功能不完全丧失的患者,是这个研究项目的主要对象。EEG耳机在康复治疗系统中起到的作用是记录大脑活动, 这套系统可以测量大脑活动,并在电脑屏幕上以图形化的方式显示出来,指导患者自我调节大脑活动。到人想要活动肢体时,大脑会产生与实际移动时相似的大脑活动变化,这时计算机会检测到意图并激活刺激器,刺激器向手部肌肉发出信号,然后患者就可以开始运动。

耳机开发者所在的实验室,曾使用一款商用便携式耳机进行了测试。电极与头部之间具有良好的接触性,是获取良好EEG 信号的关键,但这款耳机没有涵盖研究人员感兴趣的重点大脑关键区域,不能以一致的方式适合不同用户的头部,无法使电极与头部之间进行良好的接触。

Part_Ear_Headseat_Autodesk_3EEG 3D打印耳机。来源:Autodesk

研究人员决定设计专用的耳机,将电极更准确地映射到头部。但一开始设计的可调节束带的通用型头戴式耳机,仍无法使用所有患者使用,因此最终决定进行EEG 耳机的个性化设计,但是无论是个性化设计,还是个性化制造,都需要高效和具有经济性。

最初设计耳机时,采用了传统计算机辅助设计软件,但最终转而采用能够高效、低成本实现个性化设计的创成式设计软件,来开发个性化EEG 耳机。他们使用的软件为Autodesk Fusion 360,在设计时输入一组需求,然后由软件根据这些需求,自动创建多组设计,供设计人员进行选择。研究人员将佩戴者头部的3D扫描文件导入到创成式设计软件中,然后使用它们来创建个性化耳机,软件生成了约15种不同的设计。

除了实现个性化设计之外,研究人员希望最大程度地减少将耳机安装到患者身上时使用的活动部件的数量,但这一设计理念增加了设计的复杂性。研究人员选择3D打印技术作为耳机的制造方式,以经济的方式实现个性化耳机的制造,并实现复杂的设计。

以上EEG耳机的研究项目仍在开展中,目前的定制耳机尚未成为正式的康复医疗设备。除了在运动康复领域的应用,这款耳机的还可以在消费领域得到应用,例如可以用来进行神经调节干预,测试健康的人如何仅凭脑波玩多用户游戏,来提高游戏的最佳性能。

更多关于3D打印技术在康复医疗器械制造中的应用,敬请关注即将发布的《3D打印与康复辅助器具白皮书2.0》。3D科学谷将从政策环境、康复市场、典型应用、专利、设计与行业标准,对这一领域进行多维度透视。

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