湖北省康复辅具技术中心增材制造一体化小腿假肢,为残障人士插上“腾飞的翅膀”

《2021 年中国残疾人事业发展统计公报》显示,截止至 2021 年,我国肢体残疾人数已超过2000万,仅有177万肢体残疾者得到了基本康复服务。

据了解,他们大多采取装配假肢的方式来实现缺失功能的代偿。随着数字化、物联网、大数据等技术的进步,使得以数字信息、数字制造为核心的生产方式在多领域得到了广泛的应用,截肢患者对于具有个性化定制、多功能特点的假肢有更加强烈的需求。

湖北省康复辅具技术中心研发了一批具有自主知识产权的增材制造(3D 打印)系列康复辅具,实现了康复辅具的创新性设计及数字化制造,并率先应用到患者的实际生活中。

本期,3D科学谷将分享湖北省康复辅具技术中心研发的其中一类康复辅具-增材制造一体化小腿假肢案例,以及开发产品时所应用的打通康复辅具增材制造生产全链路的3D设计软件解决方案。从中可以看到包括3D打印技术在内的数字化流程如何助力康复辅具个性化定制,并为佩戴者带来优质的辅具产品,改善他们的生活品质。

block 假肢的功能及其发展现状

假肢是康复辅助器具的种类之一,是用工程技术的手段和方法,为弥补截肢者缺损的肢体而专门设计和制作装配的人工假体,主要作用是代偿缺损肢体的部分功能,使截肢者恢复一定的生活自理和工作能力。假肢的制作需要根据病患的生理情况进行个性化定制。

在假肢技术的发展历程中,老式的假肢是用皮革、铝板等材料制造,不仅外型不美观,接受腔也很难与残肢相匹配;目前常见的树脂腔工艺,是采用石膏绷带对病患部位取型,再以此进行翻模、修整,最后再用树脂材料成型并进行组装。

对制作师而言,这两种方式工作强度较大、耗费时间较长,而且制作出来的接受腔不一定贴合病患部位;假肢成品具有重量大、不透气、不防水等弊端,影响患者穿戴时的体验感。

Whitepaper_Rehabilitation3_26©3D科学谷白皮书

block 增材制造技术助力康复辅助器具研发

湖北省康复辅具技术中心是湖北省民政厅主管的公益一类事业单位,致力于组织研发、配置和推广面向残障人士及老年患者的康复辅助器具。2014年起,中心在国内率先开展增材制造技术在小腿假肢、脊柱矫形器、矫形鞋垫等领域的应用探索。

在各级领导的大力支持下,中心技质科副科长刘万及其团队从传统假肢矫形器的痛点出发,创新的采用三维扫描、计算机辅助设计、增材制造等数字化技术,突破制造、材料选择等重重难关,研发了一批具有自主知识产权的增材制造(3D 打印)系列康复辅具,并率先应用到患者的实际生活中。

Hubei_Aid Leg湖北省康复辅具技术中心自主研发的增材制造系列康复辅具

使用增材制造技术制作假肢时:

- 首先对患者病患部位进行无接触式的光学三维扫描,有效避免了传统石膏取型可能造成“二次伤害”的劣势;

- 然后借助专用假肢修型平台,为残肢模型进行精准修型,缩短设计周期;

- 引入先进的计算机辅助设计软件完成产品结构建模,形成与患者残情相匹配的精准化模型;

- 通过增材制造工艺,实现 24 小时无人值守加工,提高了生产效率;

- 搭配后处理工艺,能实现外观颜色、图案、花纹个性化定制;

- 利用数字化技术,还能对患者适配情况进行分析和跟踪,实现三维模型和电子档案的存档与调用。

增材制造一体化小腿假肢具有“轻便、透气、防水”功能特点。借助有限元分析技术,在保证强度的前提下实现了结构轻量化设计;将自主研发的多层透气微孔、镂空点阵等立体结构应用到接受腔的制作中,与专用内衬套或硅胶套形成“排汗通道”,解决了传统假肢穿戴不透气的历史难题;利用增材制造技术将尼龙粉末一体化烧结成型,由于不含金属零部件,解决了传统假肢“洗澡难”的问题。

Hubei_Aid Leg_2增材制造系列辅具获得国内辅具设计大赛奖项

多年的技术积累与应用,湖北省康复辅具技术中心获得相关国家专利 7项、软件著作权1项、国内辅具大赛奖项2项、参与研制团体标准1项等诸多奖项,且系列产品连续五届在中国国际康复辅具博览会上亮相,受到国内外专业人士的肯定和广大残障人士好评。

block 增材制造技术为残障人士插上“腾飞的翅膀”

湖北省康复辅具技术中心经过多年的研发应用,积累了患者模型与案例数据 100余例,患者年龄分布从7岁的小学生到93岁高龄的抗战老兵,最长的使用案例已超过72个月。

Hubei_Aid Leg_3卢师傅适配增材制造一体化小腿假肢

家住武汉的卢师傅就是这项技术的受益人,他因年轻的时候受工伤,失去了双腿,一直渴望能够像健全人一样正常站立和行走。他平时生活中运动量大,而之前穿戴的传统假肢较重、不透气,行走时间长了就发热、流汗、瘙痒。

中心技术团队为卢师傅定制了增材制造一体化双小腿假肢并适配,解决了传统假肢不透气的历史问题,取得了极好的康复效果。卢师傅作为中心的产品模特,多次参加展会和技术交流,获得了业内专家广泛关注和认可,展现了假肢数字化技术发展的新成绩。

卢师傅说:“以前总觉得自己是家里的负担,自从穿了增材制造辅具,现在也能分担一些家务了,买菜做饭、洗衣服甚至是搬运煤气罐,最远的一次行走了 5里路。活动范围更大了,就像给我们残疾人插上了腾飞的翅膀”。

block Geomagic Freeform 软件

打通康复辅具增材制造生产全链路

湖北省康复辅具技术中心自主研发的增材制造系列康复辅具的技术核心之一是数字化的产品设计与建模,主要是通过计算机辅助设计完成从扫描数据到成品数字模型的步骤。在深入研发的过程中,Oqton堃腾公司的Geomagic Freeform 软件凭借其独有的3D有机设计系统,进入了该中心技术团队的视野。

Geomagic Freeform 是一款基于触摸的触觉设备相结合的3D设计软件,它将传统的手工艺转化为有机的、数字化的定制设计。有助于实现3D扫描处理、客制化设计以及增材制造生产全链路。满足了对假肢的功能性、舒适性以及美观性的高标准需求,提供了数字化设计的解决方案。它的三大功能特性有利于进行增材制造康复辅具设计。

l 突破性的数字化设计体验

Freeform 设计系统采用软硬件结合的形式,包含了模拟立体雕刻体验的触觉设备 Touch 力反馈雕刻笔,通过直观的触觉反馈、最大程度将传统雕塑设计的经验无损转化为数字设计,有效缩短设计师的学习曲线,同时加快三维设计实现进程。

Touch X_PenTouch X 力反馈雕刻笔

l 多孔网面设计实现辅具轻盈透气

接受腔是与患者残肢相接触的组成部分,是假肢的重要零部件之一。增材制造技术的高自由度成型使得透气卫生、“能够呼吸”的假肢穿戴体验成为可能,这就需要与残肢更匹配的曲面与更优化的透气结构来达到舒适透气的设计效果。

湖北省康复辅具技术中心技术团队根据患者的生理情况或使用习惯,使用 Freeform 来精确控制设计输入参数(如网格花纹、密度、大小),实现接受腔等部件的优化设计建模。

freeform_HandFreeform 的功能展示

l 设计与制造无缝衔接

使用 Freeform 软件设计的辅具产品,可以直接输出成为通用的三维模型格式。将模型传输至专用工业级的增材制造设备,即可实现设计的三维模型能一键打印,避免了模型转换和数据不兼容的烦恼。

freeform_SoftwareFreeform 软件展示

block 提升数字化技术在生产中的比重

为进一步促进科研成果转化,湖北省康复辅具技术中心以多年的增材制造等数字化技术的研究成果为基础,筹建了“数字化技术服务中心”,并于2022 年 6 月正式揭牌并投入使用。主要是借助先进的软硬件设备,实现单一传统工艺生产向数字化与传统工艺相结合的设计生产模式转变,提升数字化技术在生产过程中的比重,初步形成以数字化技术为依托的高质量、高效率生产模式及生产平台。

它是全国假肢行业首个以数字化技术应用与人才培养为核心的综合服务中心,将极大的促进康复辅具产品功能提升和假肢装配技术的提档升级,更好的解决传统假肢轻量、透气、舒适等历史难题, 更大程度满足功能障碍人员多层次、多样化的个性需求,在假肢的装配发展史上具有里程碑意义。

freeform_2数字化技术服务中心成果展示区

未来,湖北省康复辅具技术中心将继续开展增材制造等数字化技术方面的研发与积累,充分发挥Geomagic Freeform 等数字化软件的优势,持续加强与Oqton堃腾的各项技术交流,开发更多具有个性化定制特点的高性能辅具产品,用更好的技术和更优的服务推动康复辅助器具事业高质量的发展。

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