古庆悦，陈贝贝，张新，张赛博，李小海

(1.佳木斯大学机械工程学院；2.佳木斯大学康复医学院，黑龙江 佳木斯 154007)

1 3D 打印技术的引进与应用

3D 打印技术又称为增材制造技术或快速成型技术，出现在20 世纪90 年代中期，被誉为“第三次工业革命的重要标志”，是一种根据计算机数据，将金属粉末、陶瓷、混凝土、光敏树脂等可粘合材料逐层打印，最终累加为实体的工艺。3D 打印工艺主要有选择性激光烧结技术、选区激光熔化技术和熔融沉积造型技术等。由于3D 打印技术具有个性化、精准化、制作周期短等优点，这种新型技术的出现，立刻引起了国内外各领域专家的高度重视。

当代社会，由于先天遗传因素、环境及不正确的运动习惯等，人类足踝部变形乃至畸形的发生率大幅增加。模型制造将3D 打印技术第一次引进康复领域，通过使用三维扫描设备获取患者肢体数据信息，使用数字化建模软件对数据进行优化处理，所得数据信息传输到3D 打印设备，然后选取合适的材料进行打印，即可得到定制化的矫形器具。这一技术使设计者有能力根据每个患者的特殊需要改变设计以提供极佳的舒适性与矫形效果，并有潜力缓解了我国在康复矫形器制造领域专业人员紧缺的现状。

2 3D 打印在足踝矫形领域的应用进展

2.1 矫形鞋垫的研究进展

足部畸形会致使足部压力升高、生理结构异常，造成患者足部疼痛甚至发生严重损伤。作为非手术治疗足部畸形的一种方式，矫形鞋垫的制作过程相对简单，患者适应性更强，用矫形鞋垫矫正足部畸形，恢复人体足部正常生理力学与动力学功能，得到众多医生与患者。早在2008年，Faustini 等就验证了使用选择性激光烧结技术制造出与传统碳纤维足踝矫形器同样形状和功能的AFO(anklefoot orthosis)。Pallari 同样使用选择性激光烧结技术制造足部矫形器，并对患者进行步态评估试验，发现患者表现出与之前规定使用的矫形鞋垫一样的步态特征，验证了选择性激光烧结技术生产踝足矫形器的可行性。2011 年，Mavroidis 通过使用两种不同的3D 打印材料打印制作踝足矫形器，结合受试者在踝关节运动学与生物力学方面的医学专业数据，发现通过3D 打印技术制造的AFO 可以达到与传统AFO 相似的矫形性能。2014 年，Harper 等人在上述基础上利用3D 打印技术制作不同刚度的矫形器通过步态分析法，发现踝足矫形器的刚度与步态之间并无关联性。经过学者一系列的研究，可以证实3D 技术制造的踝足矫形器与传统方法制作的在矫形功能、步态等方面表现基本一致。2016 年，Roberts 等在患者的矫形康复过程中进行随机对照试验，发现通过三维激光扫描技术制造矫形器整体上并没有表现出所期待的明显的时间与质量上的优势，归结原因，是3D 打印的技术与生产工具还需改进。

有了相关实验结论的支撑与肯定，学者们将研究重点向优化踝足矫形器的制造方法与矫形效果方面转移。Cha 等人针对如何缩短3D 打印技术制造AFO的时间设计开发了一种自动化设计软件，经过三维扫描得到的足部数据通过此设计软件可直接生成用于3D 打印的STL 文件，降低了AFO 的制作时间与难度。刘震等通过有限元分析技术，从优化3D 制造AFO 的结构入手，对矫形鞋垫的填充率进行改进，实现轻量化设计的同时降低了3D 打印AFO 的制造成本。在此基础上，姜缪文进一步给3D 打印制作AFO 增加设计了具有蜂窝结构的足底垫片，通过临床验证，整个鞋垫不仅实现对足弓的完全支撑，并且垫片的设计对患者足底起到减震缓冲的作用。Schrank 等在2015 年开发了一种新的建模方法，利用CAD 模型与有限元分析技术，通过与熔融沉积式技术的结合，突破实现了预测调整踝足矫形器弯曲刚度的目标，并具有良好的尺寸精度和制造精度。医生可以数字化上传患者足踝部数据，通过该设计模型快速实现3D 打印技术定制化制作踝足矫形器的目的。Alberto 设计了一种定制3D 打印足踝矫形器的方法，对足部数据进行导入与转换后，使用SolidWorks 进行参数化建模与优化，最后，在FDM 打印机上进行打印。通过实验测试，发现该产品完全贴合患者足部形状，极大提高了患者足部的舒适性。从理论上看，此方法不需大量的人力物力成本，整体过程容易实现生产设计的自动化，可适用于各类患者身体的不同畸形部位。

从目前来看，3D 打印矫形器的制作较传统矫形器的制作过程自动化程度提高，降低了复杂伤患处矫形器的加工难度，产品设计定制化程度更高、适用范围更广，是有巨大潜力、值得推广的治疗足踝部畸形的方法。

2.2 3D 打印技术在临床治疗上的应用

不同足部畸形的病因、症状不同，应用3D 打印技术辅助治疗的方式、效果也不同。陈薇薇等人对高危糖尿病足患者进行自身穿戴3D 打印矫形鞋垫的对比试验，经过一年的治疗，穿戴打印矫形鞋垫患者的足部主要负重区域峰值压强有所降低、足溃疡的发生率明显低于治疗前。Xu Rui 研究了3D 打印定制鞋垫对扁平足患者足底压力和舒适度的影响，发现定制的3D 打印鞋垫比预制鞋垫为平足患者分散了更多的足部集中压力、提供了更好的舒适性，从而更大程度地减少了有症状的扁平足的伤痛。在对偏瘫患者的治疗中，结合大量研究表明，患者穿戴定制足踝矫形器可以改善运动时步态偏移与踝关节不稳定现象。

对严重的的足、踝部畸形患者，专家需要借助3D 打印技术通过手术为患者提供治疗帮助。高斌等人利用CT 断层扫描技术采集了扁平足患儿的足踝部数据，通过3D 打印技术获取足部模型，并在此基础上进行诊治商讨、手术规划与模拟。最终手术进展顺利，患者术中进展情况与术前3D 打印畸形模型的结构变化相同。钱辉借助3D 打印技术对高足弓畸形患者进行截骨手术的辅助，术前通过1:1 打印模型进行手术规划与模拟，术中根据模拟信息精准定位截骨位置指导手术顺利进行。拇外翻在临床上十分常见，吕志宇等人同样采用3D 打印技术构建患者脚部拇外翻模型，在此基础上准精确定位截骨角度并模拟手术操作过程。3D 打印技术使临床医生根据术前模拟情形反馈进行手术，这种治疗方式可以提供立体化、可视化的模型，对不同患者提供更加个性化的手术治疗方案，有针对性地解决问题。同时可以为年轻医生的成长提供经验帮助。

3 展望与发展

3D 打印技术推动了矫形器从手工制模进入计算机设计制造，初步实现了实体设计的自由。总的来看，3D 打印矫形器整体上优于传统矫形器，但并没有在康复矫形领域得到全面应用，主要原因有三：一是医务人员对计算机工程软件的使用流程不熟悉；二是3D 打印机打印速度较慢，造成了矫形器整体制造时间的延长；三是成本问题，特别是材料的使用量的问题。

目前，3D 打印技术在矫形领域的应用还处于初步阶段，需充分利用医工结合优势，在临床中不断实践进步，提高生产质量与生产速度，降低成本、减少污染与浪费，逐步实现3D 打印矫形器的普及，为康复矫形领域降低人工成本与压力，为现代医疗提供便利。