3D打印在脑卒中偏瘫患者辅助支具制作中的应用

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　　摘 要 3D打印具有个体化、精准化等优点，但其用于脑卒中偏瘫患者辅助支具的制作现还处于研究阶段。本文概要介绍近年来国内外在这一方面的研究情况。
　　关键词 3D打印 脑卒中 辅助支具
　　中图分类号：R743.3； R493 文献标志码：A 文章编号：1006-1533（2019）13-0016-04
　　Application of the auxiliary braces made by 3D printing after stroke*
　　LU Chunhua**， WANG Kai***
　　（Department of Neurological Rehabilitation， Shanghai 4th Rehabilitation Hospital， Shanghai 200040， China）
　　ABSTRACT 3D printing technology has the advantages of individualization and precision， and its application in the field of auxiliary brace after stroke is still in its infancy. This paper summarizes the relevant researches at home and abroad in recent years.
　　KEy WORDS 3D printing； stroke； auxiliary brace
　　脑卒中偏瘫患者因肌张力增高，常导致出现患侧上肢垂腕、掌指或指间关节屈曲挛缩、下肢踝关节下垂和足内翻等并发症，成为影响患者功能恢复的主要障碍之一[1]。研究证实，脑卒中偏瘫患者佩戴上肢或下肢辅助支具治疗可起到稳定、支持和保护患侧上肢或下肢关节及矫正和代偿肢体运动功能等作用，有效减轻患者患侧肢体肌张力和肌痉挛，减少患肢轴向负荷，预防或纠正患侧掌指关节、腕关节和踝关节等畸形的发生，是降低脑卒中偏瘫患者患肢肌张力、纠正其痉挛状态的重要治疗方法[2-3]。目前，脑卒中偏瘫患者常用的辅助支具主要包括固定性腕部矫形器、分指板、内收肌外展矫形器、充气压力矫形器和足踝矫形器等。随着计算机辅助设计和3D打印技术的发展，将3D打印与数字化医疗相结合，应用生物力学分析原理，现已可进行个体化的辅助支具的设计和制作，并开始在临床上得到应用[4]。
　　1 3D打印的原理及特点
　　3D打印是一种基于数字模型文件的快速成型制作技术[5]。与传统制造业的规模化生产模式不同，3D打印使用黏合剂材料（如粉状、液态金属或塑料），通过逐层打印，快速制作出个体化产品[6]。继用于军事领域、汽车行业等后，因个体化定制特点，3D打印也受到医疗领域的重视，在医疗模型、医学植入物等的制作方面具有很好的应用前景[7]。
　　应用3D打印制作辅助支具的工作流程[8]为：①确定辅助支具的具体要求；②采集患者的3D数据，通常可使用3D扫描仪进行非接触式3D扫描，也可应用CT、MRI等影像学方法获取患者组织（器官）的解剖形态及周围环境；③输入3D数据，让计算机辅助设计系统设计适合患者个体的辅助支具；④3D打印及后期处理；⑤反馈及调整。辅助支具的用途不同，打印材料可能不同，对应的打印设备和打印技术也可能不同，其中打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶、金属和陶瓷等，打印技术包括立体光固化技术、激光烧结技术、熔融沉积成型技术和三维印刷技术等[9]。
　　2 3D打印制作脑卒中偏瘫患者上肢的辅助支具
　　脑卒中患者常出现上肢偏瘫及其肌张力增高，导致上肢屈曲挛缩，尤其是手部关节活动受限、疼痛、水肿、痉挛和挛缩等，严重影响患者的日常生活和功能恢复[10]。因此，根据病情选用合适的矫形器是脑卒中偏瘫患者治疗的关键[11-12]。传统上辅助支具通常根据患者的一般分类进行设计和生产，产品尺寸和规格均有限。而3D打印制作的矫形器能完美贴合患者的尺寸，所耗时间也短[13]。
　　Wang等[14]通过扫描、建模、3D打印为15例在院脑卒中后手部肌张力Ashworth评级2级以上的患者定制了3D打印分指板，并分别让患者佩戴3周和3个月。结果显示，多数患者佩戴后感觉舒适、手指疼痛未加重、皮肤无过敏反应，且握力、关节活动度均有不同程度的提高。研究者认为，3D打印分指板具有精准和个体化的特点，可用于预防和治疗脑卒中患者的手指痉挛。王凯等[15]进行了一项随机、对照研究，给30例脑卒中后手指痉挛患者分别佩戴3D打印分指板和传统分指板。结果显示，佩戴3D打印分指板患者的佩戴时间更长、耐受性更好且无过敏反应等不良反应，佩戴过程中也未出现3D打印分指板破损现象，3D打印分指板的强度能满足患者治疗的需求。研究还发现，佩戴3D打印分指板患者的手握力提高、手肌张力降低、手部运动功能改善，疗效优于佩戴传统分指板患者。脑卒中后动态康复治疗装置是一个新的研究领域。Abdallah等[16]提出了一种脑卒中偏瘫患者手运动功能障碍康复治疗的新方法，应用3D打印技术制作手部外骨骼，后者能依据肌电图信号发现手的开合意图并据此驱动每个手指的运动。测试结果表明，使用3D打印的手部外骨骼治疗可降低患者的手肌张力，提高其手指运动范围，从而完成一些简单任务。
　　目前，有关3D打印制作脑卒中偏瘫患者上肢辅助支具的研究报告较少，但3D打印制作其他疾病康复治疗用上肢矫形器的研究则较多。Portnova等[17]为2例C5 ～ C7脊髓损伤后手运动功能障碍患者制作了3D打印的腕驱动矫形器，结果发现患者佩戴舒适，佩戴后手握力显著提高。3D打印用于上肢假肢制作也有优势。Germany等[18]应用3D打印的上肢假肢，初步建立了肌电假体控制系统。Kim等[19]应用3D打印和注塑技术制作了一種腕部矫形器，该矫形器具有强度适中、透气性好、重量轻等优点。这些研究的对象虽不是脑卒中后康复治疗用上肢矫形器，但对3D打印用于脑卒中偏瘫患者上肢辅助支具的制作仍有很大的借鉴和促进作用。 　　3 3D打印制作脑卒中偏瘫患者下肢的辅助支具
　　脑卒中偏瘫常影响到下肢，这类患者即使可以行走，也会有足下垂和内翻，出现偏瘫步态[20]。下肢矫形器是矫正脑卒中偏瘫患者足踝畸形、协助其步行的主要治疗方法，常用的有踝足矫形器、膝踝足矫形器等，其中佩戴传统的踝足矫形器具有改善脑卒中患者偏瘫步态、提高其步行能力的作用[21]。但传统的踝足矫形器是由石膏或熱塑性材料等制作的，如矫形器受损或患者病情发生变化，矫形器需重新制作。而3D打印因能存储设计数据，故可重复制作并易根据患者的需求调整矫形器尺寸[22]。不过，目前有关3D打印制作脑卒中偏瘫患者下肢辅助支具的研究报告较少。刘震等[23]使用Artec尺寸扫描仪对存在踝关节背伸功能障碍的脑卒中患者的小腿、踝和足等部位进行扫描，所获数据（STL文件）经Instep软件转换为STP文件后，再通过Evolve软件优化踝足矫形器模型结构，最后交3D打印机打印出适合患者的踝足矫形器。该研究展现了3D打印制作踝足矫形器的实际过程，证实3D打印制作踝足矫形器可行，有助于推动3D打印踝足矫形器的临床应用。
　　亦有3D打印制作下肢矫形器用于其他疾病康复治疗的研究报告。Cha等[24]使用3D扫描仪采集腓神经损伤患者立位和坐位时的小腿、踝关节、足的三维数据，应用计算机辅助设计软件设计并用热塑性材料3D打印制作踝足矫形器。测试结果显示，佩戴这种踝足矫形器后，患者的步幅长度和步速显著增加，并有较传统的踝足矫形器重量轻、使用便利等优点。孟强等[25]应用Kinect系统和Geomagic Studio软件对一踝关节易内翻扭伤成年男子的踝关节进行扫描并建立三维数字模型，然后应用3D打印技术制作非对称结构的踝护具。测试结果表明，佩戴这种踝护具有防止该男子发生踝关节内翻的作用，同时舒适性也高。
　　矫形鞋垫也是一种足矫形器，具有缓冲、减震和正畸等作用，广泛用于腰痛、膝骨关节炎、足部畸形、运动损伤等疾病的预防和治疗[26]。研究证实，穿戴矫形鞋垫治疗可提高脑卒中偏瘫患者的平衡功能和步行能力[27]。郭宇等[28]的研究发现，穿戴国际生物力学学院的矫形鞋垫后，脑卒中偏瘫患者的平衡功能和步行能力均获显著提高。目前，国内外尚无3D打印制作脑卒中偏瘫患者用矫形鞋垫的研究报告，但已进行过不少3D打印的个体化矫形鞋垫用于糖尿病足、运动损伤、平足等预防和治疗的研究。Telfer等[29]的研究显示，穿戴3D打印制作的矫形鞋垫可降低糖尿病足患者的足底压力峰值。Dombroski等[30]以1例无下肢损伤的平足患者为对象，采用足弓高度指数（arch height index）测量并比较了石膏和3D扫描、打印制作的矫形鞋垫的内侧足弓，发现3D打印矫形鞋垫的内侧足弓略有增加。
　　4 存在的问题及结语
　　迄今为止，有关3D打印制作脑卒中偏瘫患者辅助支具的研究多为个例报告，缺乏大样本量数据的支持和评估。另外，在应用3D打印方面也存在一些亟待解决的问题，如3D打印的材料是金属、陶瓷、塑料等，没有生物相容性；3D打印的辅助支具缺乏生物力学实验数据的支持，机械强度、韧性、耐久性等要求亦没有统一的标准。
　　随着康复医学的发展，精准康复治疗和个体化医疗成为趋势。与传统的矫形器相比，3D打印制作的辅助支具完全适合患者个体康复治疗的需求，且外型也更美观，在临床中的应用定会越来越广泛。
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