一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法技术

基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，涉及康复医疗领域。本改进的踝足矫形器的制作方法,主要包括以下步骤：(1)踝关节行走步态研究。(2)基于所述对踝关节行走步态的分析研究，建立踝足矫形器的初始三维模型。(3)对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析。(4)对踝足矫形器的支柱部分进行拓扑优化。(5)对优化后的踝足矫形器进行几何重构。(6)对重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析。(7)使用3D打印机对最终模型进行3D打印。该3D打印踝足矫形器质量轻便、透气性好，并且能起到助力的作用，具有良好的康复医疗作用。

A Method of Making Ankle-foot Orthopedics Based on 3D Printing Technology

The manufacturing method of ankle-foot orthosis based on 3D printing technology relates to the field of rehabilitation medicine. The improved method of making ankle-foot orthosis mainly includes the following steps: (1) Research on walking gait of ankle joint. (2) The initial three-dimensional model of ankle-foot orthosis is established based on the analysis and study of the walking gait of ankle joint. (3) Dynamic analysis of the initial three-dimensional model of the ankle-foot orthosis. (4) Topology optimization of the supporting part of ankle-foot orthosis. (5) The optimized ankle-foot orthosis was reconstructed. (6) Transient dynamic analysis of reconstructed ankle-foot orthosis model. (7) 3-D printing of the final model using a 3-D printer. The 3-D printing ankle-foot orthosis has the advantages of light weight, good air permeability, helpful function and good rehabilitation medical effect.

【技术实现步骤摘要】
一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法
本专利技术属于康复医疗领域，涉及一种基于一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法。
技术介绍
我国总人口基数大、社会老龄化进程加剧，每年新增脑卒中患者超过200万人。脑卒中愈后差，高比例患者存在因足下垂导致的下肢运动功能障碍。另外，马蹄足内、外翻亦属于我国少年儿童的骨科多发病，需要进行踝关节松解、矫形手术治疗。踝关节作为人体的运动关节，也是距离地面最近、负重最多的关节，特别是在进行奔跑和跳跃等运动时，踝关节承受了巨大的载荷和冲击，因此，踝关节扭伤在日常生活中也较为常见。踝关节损伤后，如果未能进行及时正确的治疗，就会出现踝关节外侧支撑强度下降、关节本体感觉减退和韧带过度松弛等症状，容易引起踝关节反复扭伤，造成踝关节功能障碍等后遗症。为治疗踝关节损伤、改善踝运动功能和步态重建，伤患者需要进行大量的、重复性的康复医疗工作。传统方法制作的踝足矫形器存在许多不足，比如制作流程复杂、制作时间长和某些矫形器不能完全适合患者等。创新型踝足矫形器辅助医疗，具有工作效率高、个性化定制等特点，非常适合用于康复治疗。国际康复医疗界认为，创新型踝足矫形器辅助康复医疗具有良好的应用前景，是缓解医患供需矛盾和解决医疗资源短缺的有效技术途径。拓扑优化的概念最早由Miche在析架理论中提出，他在1984年首次进行了应力约束下最小重量析架的基本拓扑分析，而这种方法后来也成为验证其他优化方法的可靠标准之一。拓扑优化方法会在满足结构刚度的前提下，在结构不受力和受力较小的地方减少材料，达到优化结构的目的。目前，拓扑优化方法已经广泛应用于各个领域，比如飞机的机构设计、桥梁的结构设计。近年来，拓扑优化已经逐步运用于康复医疗领域，例如将拓扑优化方法运用到植入体的设计，使其到达一定强度的同时体积最小，减少了对患者的伤害，增加了手术成功率。如果能够以患者自身数据为基础构建矫形器模型，利用拓扑优化方法设计满足刚度要求而且体积最小的被动助力踝足矫形器，并充分利用惠普立体打印的高效率，将可以为下踝关节的康复提供更稳定的愈合环境和更有效的治疗方案。
技术实现思路
近年来，国内外研究者对踝足矫形器的研究越来越多，在踝关节康复机构的研究方面已取得较好的成果，但也存在不同程度的缺陷和不足。因此，研制一个能够弥补存在的缺陷和不足，并且能够很好地完成踝康复医疗工作的踝足矫形器，具有重大的现实意义。本专利技术提出一种能够满足刚度要求并且结构简单、质量轻便的踝足矫形器的制作方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：1.一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、踝关节行走步态研究1.1)分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓。1.2)了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线。步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型。初始三维模型的数据均来源于患者自身数据。步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，主要分为受力分析和刚度分析两部分。步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：4.1)在网格处理软件中切分踝足矫形器模型，分成脚底板、支柱和袖口三部分，然后对每一切分部分分别生成体网格,体网格的尺寸大小为2mm；4.2)创建材料和属性，并分配给模型的每一切分部分。本次3D打印选取的材料为尼龙，需要设置的材料参数分别为为弹性模型、泊松比和密度，大小分别为1800、0.3和1200。4.3)选择脚底板为约束面，施加约束；4.4)选择测试棒端面的最高点为施力点，施加集中力，大小为100N；4.5)定义模型支柱部分为拓扑优化设计变量；4.5)创建位移响应约束，大小为83mm；4.6)优化分析计算，查看结构变形与密度结果云图。步骤5、对优化后的初始三维模型进行几何重构。步骤6、在计算机中对重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析,过程如下：6.1)添加资料库，选用的材料为尼龙材料，设置的材料参数与步骤4中设置的材料参数一致；6.2)划分网格，网格大小为1mm；6.3)施加约束和力，选择脚底板为约束面，选择测试棒端面的最高点为施力点，设置时间步；6.4)结果后处理，查看结果曲线；6.5)根据得到的位移曲线评价拓扑优化是否满足要求，即最大位移是否为83mm,如果满足要求，则进入步骤7；如果不满足，则返回步骤4重新进行拓扑优化，直到最终的矫形器满足设计要求。步骤7、利用打印仪对尼龙粉末进行粉末烧结，得到最终3D打印踝足矫形器实体装置。进一步，所述健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线为简化曲线，曲线的斜率即为踝关节的刚度，大小为3.3。以上分析即为此方法的理论分析基础。进一步，在三维画图软件中设计踝足矫形器的初始三维模型，模型主要包括脚底板、支柱、袖口、测试棒和嵌入块五部分。其中袖口、支柱和脚底板的尺寸与患者小腿和足部的尺寸相符，分别为袖口半径60mm，支柱长度380mm,脚底板宽度80mm。测试棒的形状为圆柱形，截面半径为1.5mm，长度为400mm。矫形器的厚度为2.5mm。进一步，引入所述测试棒和所述袖口嵌入块是为了复制小腿几何。当把负载施加到所述测试棒的末端时，嵌入块将会把压力分布到矫形器所述袖口的前表面。本专利技术的有益效果主要表现在：与传统康复方法相比，个性化3D打印踝足矫形器不仅可以与踝关节表面良好贴合，减少了其他副作用的产生，而且该矫形器在满足了刚度要求的同时做到了质量最小化，节约了人力和物力，具有重大的现实意义。附图说明：图1是本专利技术的踝关节简化模型图。图2本专利技术的健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线。图3是本专利技术一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法的矫形器的初始三维模型的轴测视图。图4是本专利技术的拓扑优化流程图。图5是本专利技术一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法的矫形器的重构模型的轴测视图。图6是本专利技术的Ansysworkbench软件中瞬态动力学分析的结果界面显示图。图7是本专利技术的Ansysworkbench软件中瞬态动力学分析的位移结果曲线。图8是本专利技术的Ansysworkbench软件中瞬态动力学分析的应变结果曲线。图9是本专利技术的Ansysworkbench软件中瞬态动力学分析的应力结果曲线。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方法进行详细说明。参照图1-图9，一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，用于踝关节康复医疗，包括以下步骤：步骤1、踝关节行走步态研究1.1)分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓。1.2)了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线。步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型。初始三维模型的数据均来源于患者自身数据。步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，主要分为受力分析和刚度分析两部分。步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：4.1)在网本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、踝关节行走步态研究1.1)分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓；1.2)了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩‑角度曲线；步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型；初始三维模型的数据均来源于患者自身数据；步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，主要分为受力分析和刚度分析两部分；步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：4.1)在网格处理软件中切分踝足矫形器模型，分成脚底板、支柱和袖口三部分，然后对每一切分部分分别生成体网格,体网格的尺寸大小为2mm；4.2)创建材料和属性，并分配给模型的每一切分部分；3D打印选取的材料为尼龙，需要设置的材料参数分别为弹性模型、泊松比和密度，大小分别为1800Mpa、0.3和1200Kg/m

【技术特征摘要】
1.一种基于3D打印技术的踝足矫形器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、踝关节行走步态研究1.1)分析踝关节生理结构，建立踝关节简化模型，将人体的足部分为三个主要部分，分别为胫骨、踝关节和足弓；1.2)了解踝关节行走步态周期特点，绘制出健康人体在自然条件下行走的踝关节力矩-角度曲线；步骤2、基于所述对踝关节生理结构的分析，建立踝足矫形器的初始三维模型；初始三维模型的数据均来源于患者自身数据；步骤3、对所述踝足矫形器的初始三维模型进行动力学分析，主要分为受力分析和刚度分析两部分；步骤4、对所述踝足矫形器的初始三维模型的支柱部分进行拓扑优化，过程如下：4.1)在网格处理软件中切分踝足矫形器模型，分成脚底板、支柱和袖口三部分，然后对每一切分部分分别生成体网格,体网格的尺寸大小为2mm；4.2)创建材料和属性，并分配给模型的每一切分部分；3D打印选取的材料为尼龙，需要设置的材料参数分别为弹性模型、泊松比和密度，大小分别为1800Mpa、0.3和1200Kg/m-3；4.3)选择脚底板为约束面，施加约束；4.4)选择测试棒端面的最高点为施力点，施加集中力，大小为100N；4.5)定义模型支柱部分为拓扑优化设计变量；4.5)创建位移响应约束，大小为83mm；4.6)优化分析计算，查看结构变形与密度结果云图；步骤5、对优化后的初始三维模型进行几何重构；步骤6、在计算机中对重构后的踝足矫形器模型进行瞬态动力学分析,过程如下：6.1)添加资料库，选用的材料为尼龙材料，设置的材料参数与步骤4中设置的材料参数一致；6.2)划分网格，网格大小为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李剑锋，薛冉，董明杰，刘瑞丰，李国通，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11