2021年5月雜誌專題3D列印

3D 列印關節科技輔具

■高速3D 列印研究中心 / 陳俊名 助理教授

前言

全球已經進入老齡化,關節退化的不便與照顧,已是各國醫療與社會支出成本的重要議題。除藥物與手術治療外,輔具治療也是有效的方式之一,由於每個人的解剖外型與關節退化情況都不一樣,因此關節輔具的客製化也是未來的需求趨勢。
傳統的輔具業者對於如此客製化需求的產品,常常都是以石膏取模與熱壓成形的方式,來量測、設計與製造患者的貼合性輔具,如此依賴手工與經驗的產業型態,常導致只能區域化服務與低價的獲利空間,透過積層製造的加工技術便可改善傳統輔具的人工客製化產業型態。

輔具發展科技化

關節科技輔具的發展,應從量測到製造的每個階段,均需建構全方面化的數位處理方式。此輔具適用的積層製造系統開發,所強調的具體特性應包括:列印效率提高、遠端網路監控、工作空間增大、平臺黏料改良與工件自動轉換。在具備商化之前此系統應達到:價格普及、自動量測、輔具輕量孔洞透氣與符合醫材認證等技術門檻。將量測到的生理解剖資訊,透過手機APP 與雲端平臺進行三維多曲面縫合、製程碼自動生成,以及資料運算與傳遞,以達數位化發展之特性。

輕量高貼合之側彎背架

客製化的側彎背架需擷取脊椎側彎的病患外觀資訊,針對病患的軀幹進行逆向掃描,並將辨識變形區段的X 光影像與掃描模型結合,利用數位修模之方式,依據每位病患X 光片所呈現的症狀,判斷出脊椎側彎適合的矯正條件與參數,才能為病患量身訂做,設計出可精確矯正症狀部位且具備網孔透氣輕量之客製化矯正輔具。
目前的3D 背架是透過粉末燒結列印製作而成,故能達到複雜曲度且具備網孔的功能。本團隊所設計之背架非常輕薄與貼合身軀,當病患穿著背架之後,外層再穿著便服時,能不讓他人發覺背架的存在。請病患實際穿著一段時間後,均表明同儕們並未發現穿著背架之事情,這項優勢大幅提升患者願意長時間穿著背架進行側彎矯正的意願。

圖1:數位化背架設計資訊,上圖為整合X 光影像與軀幹模型;下圖為數位修模之背架

關節輔具生物力學分析與步態

脊椎側彎患者會有不對稱的姿勢定位,因為脊椎變形會改變重心,造成不對稱的軀幹動作並影響步態穩定性,因為動態平衡的問題源自不對稱的軀幹動作、肌肉僵硬、前庭功能異常與肌肉感覺系統的異常。即使脊椎側彎僅位於脊椎,但不同的動作程度還是會影響步態包括:步距、節奏與速度,下肢關節活動度、下肢承重、軀幹與臀肌活化程度、肌力大小、耗能與肌力效能。在脊椎側彎患者發現肌肉活化的效能改變,並影響正常的生物力學而造成步距變短、步幅加長、步速減緩等步態的變化。因此,脊椎側彎是複雜的病症,除了骨科結構病理之診斷與治療幫助減緩或解除疼痛外,需生物力學的理學檢查和量化分析,使復健與照護完整且全面,幫助行走並進而改善步態。

結語

側彎背架是一件體積大卻又必須很輕薄的產品,使用傳統的加工技術會很辛苦,透過積層製造的技術可以輕易的列印成型,才能盡量的把此類產品設計到最佳化。透過3D 數位化的掃描及修模,從解剖特徵的量測參數、客製設計策略、現場服務調整與臨床功能評估,得以建構關節輔具全方位數位化平臺。未來可再導入人體紅外線感測模組,輔具外型對於患者接觸部位的壓力分布,避免長期承受過大的壓力,而導致患者的皮膚紅腫甚或褥瘡。也可用來記錄使用者之有無穿戴情形,慣性感測單元偵測穿戴者之動作行為,以及無線充電之功能,後續醫師可透過藍芽連接到穿戴式裝置來獲取患者的矯正背架使用情形,以達到高精確性診斷治療。■
圖2:病患試穿3D 列印的背架,上圖為背架穿著情形;下圖為背架外穿著便服
圖3:科技化穿戴式感測器系統架構
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SMARTMolding編輯部

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