基于3D打印最优解决方法的康复产品设计研究

作者:未知

  摘   要:科学技术的快速发展,使3D打印成为改变人们生产方式的关键技术之一,并在各个领域中得到了广泛的应用。在医学领域中,3D打印技术最重要的体现便在于康复产品设计,通过对康复产品的设计方案进行深入研究,以此探寻3D打印的最优解决方法,必将进一步推动我国医学领域的发展,从而使康复产品能够为人们的身体健康提供更加优质的服务。鉴于此,本文便以某康复矫形器的设计方案为例,对基于3D打印最优解决方法的康复产品设计进行深入的研究。
  关键词:3D打印  最优解决方法  康复产品  产品设计
  中图分类号:TP33                                   文獻标识码:A                        文章编号:1674-098X(2019)02(c)-0159-02
  近年来,医疗领域的发展,使越来越多的患者体会到康复产品所带来的好处,这也使康复产品逐渐成为患者尽快恢复身体健康的必需品。与此同时,人们对康复产品的设计质量也越来越关注,康复产品不仅要具备能够帮助病人恢复健康的相关功能,其产品外观的美观性也非常重要。长期以来,由于康复产品在应用过程中无法适用于所有的患者,这也使患者对康复产品的需求量并不大,部分康复产品如果使用不得当,甚至还会给患者的身体造成一定的损害,这也使人们在对康复产品进行设计时,急需探寻最优的解决方法。3D打印技术的出现,为康复产品的个性化设计提供了可靠的技术保障,实现了对康复产品的最优化设计,有效解决了康复产品无法适用于所有患者的难题。鉴于此,以下便对基于3D打印最优解决方法的康复产品设计进行相应的研究。
  1  基于3D打印最优解决方法的康复产品设计方案分析
  1.1 仪器与软件
  本文所设计的康复产品为上肢手腕部位的康复矫正器,该矫正器采用的仪器包括一台Windows 7系统的计算机,该计算机的处理器采用英特尔E5-2650v4,其内存为64G,处理器中的CPU主频采用2.20GHz。在该计算机中安装有容量为1TB的硬盘。在康复矫正器设计中,其模型构建主要是通过Mimics19.0三维建模软件与Geomagic Studio逆向工程建模软件来完成的,并利用CAD软件系列中的UG NX进行辅助设计,采用Abaqus软件进行有限元分析,模型导入与添加则利用MakerBot Desktop软件来完成。该康复矫正器利用3D打印机进行输出打印,其采用的打印材料为PLA热塑材料,该材料具有绿色无毒的应用优势,经该3D打印机进行打印输出,能够大幅提高康复矫正器的设计效率与生产精度。该康复矫正器的打印尺寸为30.5cm×30.5cm×45.7cm,该矫正器各个打印层之间的分辨率为100μm,打印喷嘴的直径为0.4mm。
  1.2 数据采集方法
  该康复矫正器是为一名女性患者量身定做的,在对这名女性患者进行康复产品定制设计时,其关键所在是对数据进行精确采集,在数据采集中主要是利用Philips-Medical-Systems-Ingenia3.0对患者的上肢手腕部位进行数据扫描,该名女性患者在数据扫描过程中保持仰卧体位,需要确保患者躯干的中轴线和扫描床的轴线相互平行,患者的上肢应保持伸直状态沿着头顶的方向向上举,手部的状态可看作其功能位,手腕部应保持25°~30°的伸直,其姆指和食指以对掌位的方式向外伸展,掌指与近指关节的屈曲角度为45°,掌指与远指关节的屈曲角度为10°~15°,各个手指关节有着较为相近的屈曲度数,并且各手指间应较为分开,将桡骨的中段当作数据扫描的中心,对患者的双上肢进行扫描,数据扫描模式采用T1-mDIXON-W,其层厚与层距分别是0.2cm与0.1cm,对矩阵进行512重建,设置曝光间隔为1.5s,以此输出MRI图像。
  1.3 康复产品模型的构建与设计
  对康复矫正器的设计主要是采用CAD软件来实现的,通过CAD软件来进行数字化设计,并通过3D建模软件进行产品建模,然后运用有限元分析软件进行产品分析。在对康复矫正器的模型进行构建时,需要将扫描到的MRI图像数据导入到Mimics软件中,应用Thresholding模块来分割前臂与手臂阈值,对其分割的灰度值范围确定为34~195,然后将分割好的手掌与前臂进行初始蒙版储存,并根据该蒙板,运用Multiple Slice Edit与Masks这两个模块来修补破损与粗糙的位置,然后通过Smooth mask模块来进行光顺处理,并通过Calculate 3D模块进行处理与计算,然后以STL格式进行存储。在对康复矫正器的产品模型进行表面处理时,需要将之前计算获得的手部与前臂STL格式的模型在Geomagic Studio软件中导入,然后利用多边型模块来平滑处理模块平面,使矫正器模型的厚度能够加厚至2mm,以此确保患者在佩戴该矫正器时不会紧紧的贴附在其皮肤上,这样在3D打印后可将衬垫添加至其中,便可减轻矫正器对患者桡骨部位进行摩擦与挤压时的痛感。利用软件中的精确曲面模块可对矫正器的轮廓线进行依次检测,并对其曲面片、格栅等进行构造,对曲面进行拟合操作,分析模型偏差,在利用精确曲面模块进行处理后,即可构建出该康复矫正器的NURBS曲面,通过对该曲面进行最终拟合,以此实现对康复矫正器的实体建模。在矫正器模型构建后,将其在Abaqus软件中导入,然后设置其特性,建立矫正器的装配体,对模型网格进行划分,确定其载荷边界,然后对模型进行后处理,这些操作都是有限元操作,通过这些操作可进一步优化矫正器的模型结构,在3D打印过程中也能节约耗材,避免载荷低区域给矫正器产品的强度所带来的不利影响,实现对康复产品模型的优化设计。   1.4 设计方案评价
  在对康复矫正器这一康复产品的设计方案进行评价时,主要是通过QUEST2.0用户满意度评价表来实现的,同时还运用了李克特五点积分法对评价表进行了相应的设计。利用MRI数据,并根据具体的设计方案来对矫正器进行3D打印制作,同时选择30名患者进行佩戴。将手工制作的矫正器作为对比,让患者填写用户滿意度评价表,并汇总这些患者的认同度。该评价表主要包括填空题与选择题两种,共计12道题,评价表中的内容包括性价比、简易度、透气性、美观性、重量、用户身高及体重等,并应用李克特五点计分法将评价结果划分为很满意、满意、一般、不满意与很不满意五个级别。
  2  基于3D打印最优解决方法的康复产品设计方案的研究结果及讨论
  2.1 结果
  在应用有限元软件进行30次的迭代运算分析,最终该矫正器模型达到了理想的生物力学收敛状态,借助于Abaqus软件来分析模型构造及其节点应力,证明矫正器中存在的挖空部分会对其自身的受力造成影响,但通过对比可了解到这种影响程度不大。在优化后,可知其限定优化区域在10%~20%之间时,可确保其力学性能变化幅度适中,这证明本文所设计的矫正器在透气性上具有一定的提升性,并可节约一定的材料,增强矫正器的美观性。通过SPPS19.0软件对用户满意度评价表的结果进行汇总,可以了解到在30名用户中,有22名用户对舒适度表示满意,有18名用户对简易性表示满意,有17名用户对矫正器这一康复产品的性价比评价为一般,有18名用户对康复产品的重量表示满意,还有26名用户对矫正器这一康复产品的透气性表示很满意。
  2.2 讨论
  由以上结果可以了解到,本文所设计的矫正器这一康复产品,在舒适度上有着非常良好的体验,同时其透气性也非常强,在重量及简易度上能够满足大多数用户的要求,同时在外观性上也有较为出色的表现。由此可见,在利用3D打印技术来对康复产品进行设计,相比于传统的手工制作方法,3D打印技术需要先对患者的相关数据进行扫描,然后在3D建模软件中对扫描的MRI数据进行产品模型构建和模型结构优化,最后在将优化后的模型数据导入到3D打印设备中,选用不同的打印材料来进行输出打印,从而有效满足了用户对康复产品的使用要求,充分证明了3D打印技术在康复产品设计中的可行性。
  3  结语
  综上所述,通过对本文所设计的矫正器进行深入的分析,以此探讨了3D打印最优解决方法在康复产品设计中的具体应用,证明了3D打印技术在康复产品设计中的可行性,有效节约了材料的同时,也提高了康复产品的设计质量与生产效率,进一步推动了医疗领域的进步与发展。
  参考文献
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