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。

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。

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。

佩戴

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（8）胸腰椎固定矫形器：拓扑优化后轻量化，便于观察伤情。

（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。

（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。

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。

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。