阮貝特，顏威，馬泓泓，奚小冰

（上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院，上海 200001）

在急性骨折及損傷臨床領(lǐng)域，矯形器的改進(jìn)始終是最首要和最具有學(xué)科交叉活躍度的，根據(jù)美國(guó)矯形與修復(fù)學(xué)會(huì)的數(shù)據(jù)，使用矯形器的人數(shù)預(yù)計(jì)將至少增加31%［1］。目前對(duì)于3D 打印矯形器的綜述往往停留于討論快速成型技術(shù)（rapid prototyping, RP）的應(yīng)用，而忽略了RP 技術(shù)前重要且必要的模型制作階段。逆向工程（reverse engineering, RE）是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design,CAD）模型的過(guò)程。這種手段近年來(lái)廣泛用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是骨重建假體置入、手術(shù)工具、醫(yī)療培訓(xùn)等方面［2］。本文將立足于從RE技術(shù)到RP 技術(shù)的制造順序，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的3D打印矯形器文獻(xiàn)中制作技術(shù)研究的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 個(gè)性化矯形器制作過(guò)程

基于逆向工程的外固定矯形器一般由光學(xué)掃描、CAD 建模、二次設(shè)計(jì)、3D 快速成型4 個(gè)步驟組成。這種3D 打印的矯形器具有定制化、個(gè)性化、信息化的特點(diǎn)，因模型完全取自于被掃描者，并通過(guò)搜集的個(gè)體數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)結(jié)構(gòu)調(diào)整。蘇晨等［3］綜合評(píng)價(jià)后認(rèn)為強(qiáng)度、透氣性、輕量化以及貼合度等因素在用戶間具有較高的權(quán)重，因此，個(gè)性化定制矯形器的研究在臨床領(lǐng)域具有較好的前景。

2 光學(xué)掃描技術(shù)的進(jìn)展

非接觸式測(cè)量法進(jìn)行RE 數(shù)據(jù)采集目前是主流，如CT 重建、手持掃描儀、箱式掃描儀，以及更為便攜的掃描配件等。目前大部分研究者采用手持式3D掃描儀來(lái)即時(shí)獲得患肢表面點(diǎn)云信息［4,5］，王勉等［6］指出經(jīng)測(cè)試掃描獲得的橈骨遠(yuǎn)端三維重建模型精度偏差值可以用于精準(zhǔn)重建，三維重建的精度可以指導(dǎo)3D 打印矯形器的制造和臨床應(yīng)用需求［7,8］。該方法相較傳統(tǒng)CT 重建更為快速、傷害性?。?］，無(wú)接觸體表光學(xué)掃描可較好避免患者信息倫理問(wèn)題，但對(duì)掃描人員的技術(shù)、周邊環(huán)境與光照條件有較高要求，同時(shí)3D 掃描儀產(chǎn)品眾多且良莠不齊，導(dǎo)致數(shù)據(jù)精度不一，不能很好地進(jìn)行統(tǒng)一的統(tǒng)計(jì)分析。

為解決以上問(wèn)題，Lazzeri 等［10］在收集數(shù)據(jù)時(shí)采用8 臺(tái)英特爾光學(xué)環(huán)形相機(jī)組成箱式掃描系統(tǒng)，相較于手持掃描儀存在的患者手部抖動(dòng)與醫(yī)務(wù)人員專業(yè)性不足的問(wèn)題，能更快速精確地得到模型。考慮到箱式掃描的價(jià)格昂貴，掃描時(shí)間較長(zhǎng)，Dombroski 等［11］嘗試使用微軟kinect 掃描儀去獲得手部信息，魯?shù)轮镜龋?2］使用便攜式ipad 掃描儀Structure Sensor，以上掃描過(guò)程為5～8 min［13］，兩者均基于紅外線深度傳感，與傳統(tǒng)掃描儀對(duì)比誤差不大，成本及使用條件較低，可更利于RE 方法的推廣。目前來(lái)說(shuō)，在醫(yī)院內(nèi)使用手持掃描儀快速取得表面數(shù)據(jù)仍是首選，同時(shí)因?yàn)榛贾S度會(huì)隨時(shí)間變化，能否快速及時(shí)準(zhǔn)確取得數(shù)據(jù)仍是主要研究方向，但進(jìn)行研究需求的條件較高，因此對(duì)此方面的研究者較少，更多的是選擇采取現(xiàn)成的掃描方案。

3 CAD 建模技術(shù)的進(jìn)展

得到患肢表面數(shù)據(jù)后，存在許多破損和粗糙部分，需依靠CAD 方法進(jìn)行修復(fù)工作，得到貼合患肢的光滑矯形器模型。如何選擇最合適的3D 處理和建模工具取決于很多因素。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的分析，有兩種方法：（1）大部分研究者可以遵循傳統(tǒng)工業(yè)的RE 方法，使用相對(duì)較復(fù)雜且獲取較昂貴的通用CAD建模軟件對(duì)矯形器進(jìn)行設(shè)計(jì)和后期處理，如Geomagic、Rhinoceros 等軟件［14，15］；（2）可以為3D 打印矯形器專門(mén)開(kāi)發(fā)特定的CAD 應(yīng)用軟件［16］，優(yōu)點(diǎn)是可針對(duì)不同操作人群和應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行適應(yīng)，如適用于醫(yī)務(wù)人員的矯形器制作系統(tǒng)。Li 等［17］使用基于grasshopper 軟件的可編程建模系統(tǒng)，提出可以在幾小時(shí)內(nèi)完成建模到打印的過(guò)程，大大縮短了患者等待的時(shí)間，同時(shí)可再編程的系統(tǒng)留給了工程師更多的自動(dòng)化空間。半預(yù)制模型目前也有研究者嘗試，Marzola等［18］利用SSM 統(tǒng)計(jì)學(xué)模型，通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的模型，根據(jù)患者掃描信息，在程序內(nèi)進(jìn)行一定微調(diào)來(lái)達(dá)到合適的模型以期提高建模速度。鄒誠(chéng)實(shí)等［19］使用外固定矯形器預(yù)編程設(shè)計(jì)模板來(lái)制作下肢矯形器，依據(jù)患者下肢體表特征點(diǎn)快速建模，同時(shí)評(píng)估醫(yī)務(wù)人員能否適應(yīng)非專業(yè)的模具制造流程，來(lái)減少信息在工程師與醫(yī)務(wù)人員之間傳遞的時(shí)間，達(dá)到院內(nèi)制造下肢3D 矯形器的結(jié)果。初步結(jié)果顯示，較為可行，但存在樣本量較小的問(wèn)題。Servi 等［20］構(gòu)建了一種集成建模系統(tǒng)，名為Oplà，此系統(tǒng)可完全在院內(nèi)情況下完成3D 矯形器的制作過(guò)程，但仍然需要24～28 h，且該期間需要傳統(tǒng)石膏臨時(shí)固定。無(wú)論是集成掃描、控制、建?；蚴抢妙A(yù)制模型根據(jù)患者特征點(diǎn)快速生成矯形器的系統(tǒng)，其目的是加速逆向工程建模這一過(guò)程，同時(shí)簡(jiǎn)化軟件操作，更好地降低成本，方便非專業(yè)人員使用，利于臨床推廣。

4 二次設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)展

完成矯形器基礎(chǔ)建模后，進(jìn)入到二次設(shè)計(jì)階段，形成進(jìn)一步定制模型，基于RE 方法運(yùn)用CAD 軟件可對(duì)結(jié)構(gòu)、外觀進(jìn)行定制。因鏤空工藝可增加透氣性及舒適度，減少材料使用，加快打印速率，減輕重量等［21］，因此對(duì)于如何依據(jù)臨床進(jìn)行鏤空以及快速鏤空成為了近期的熱點(diǎn)。

采用簡(jiǎn)單鏤空孔洞的方式，可達(dá)到輕量化的目標(biāo)［22］。Wang 等［23］編寫(xiě)了一種半自動(dòng)化鏤空建模系統(tǒng)，通過(guò)PYTHON 語(yǔ)言自動(dòng)化軟件的鏤空及后期處理的過(guò)程，從而達(dá)到普及逆向工程的3D 矯形器的目的，但簡(jiǎn)單鏤空方法存在不合理的材料刪減，需要更為科學(xué)的鏤空方案。

工程學(xué)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化算法逐漸被創(chuàng)新應(yīng)用于矯形器的輕量化改進(jìn)［24］，這種方法在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)節(jié)省材料。廖政文等［25］使用拓?fù)鋬?yōu)化方法指導(dǎo)腰部矯形器鏤空設(shè)計(jì)，利用Abaqus 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，根據(jù)結(jié)果布爾運(yùn)算出3 mm 的圓形孔洞用于透氣。Yan 等［26］通過(guò)壓力傳感器取得壓力分布信息對(duì)橈骨骨折矯形器實(shí)行拓?fù)鋬?yōu)化，鏤空后增加晶格網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，減少了42%重量和材料；彭志鑫等［27］則應(yīng)用有限元驗(yàn)證了利用拓?fù)鋬?yōu)化輕量化矯形器方法的可行性。另外，從散熱角度，Zhang 等［28］使用熱成像儀器調(diào)整鏤空孔洞分布，同時(shí)構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下達(dá)到最佳散熱效果，提高佩戴舒適感，減少并發(fā)癥。總之，從不同角度改進(jìn)鏤空方式，利用編程自動(dòng)化技術(shù)，達(dá)到鏤空快速、優(yōu)質(zhì)，同時(shí)輕量化的目標(biāo)，是工程師和醫(yī)學(xué)研究者正在努力的方向。

5 3D 打印技術(shù)的進(jìn)展

RE 方法形成的成熟模型的快速應(yīng)用更是受限于3D 打印技術(shù)自身的發(fā)展。有研究者指出，3D 打印技術(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量與打印速率存在著此消彼長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)關(guān)系［29］，同時(shí)還被成型工藝、打印機(jī)本身功率、材料溶解率、掃描路徑算法等眾多因素影響［30］。作為非主要應(yīng)用場(chǎng)合的醫(yī)院，研究者能夠選擇的往往只有成型工藝和材料，以及部分路徑算法。

成型工藝方面，常用于3D 矯形器的成型工藝包括熔融沉積成型（fused deposition modeling, FDM）、選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering, SLS）及光固化立體印刷（stereo lithography appearance, SLA），其中在可接受的細(xì)節(jié)質(zhì)量范圍內(nèi)，SLS 的掃描速度較快，可達(dá)3 500 mm/h［31］，該種工藝其表面質(zhì)量較低，且前期投入成本昂貴。在材料方面，根據(jù)文獻(xiàn)，目前常用于3D 打印矯形器及矯形器的材料有樹(shù)脂、聚乳酸、尼龍等［32］，Chen 等［33］認(rèn)為樹(shù)脂的拉伸模量超過(guò)2 000 MPa，制成的矯形器可能會(huì)讓人產(chǎn)生不適，應(yīng)使用拉伸模量較低的尼龍為前臂骨折的患者打印腕部矯形器。張文林等［34］使用預(yù)制模型與可塑性材料低溫?zé)崴馨澹ㄟ^(guò)人體構(gòu)造的相似性，得到適用于大部分人群的預(yù)制矯形器，而后使用加溫進(jìn)行二次塑型，減少了塑型時(shí)間和難度，是較為有效的解決打印建模時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的方案。復(fù)合材料的應(yīng)用也是目前聚焦的研究方向［35］。Munoz-Guijosa 等［36］采用天然纖維和碳纖維聚合物，利用熱壓罐的高壓環(huán)境，結(jié)合3D 打印模具，快速生成牢固的矯形器，認(rèn)為復(fù)合材料在矯形器制作領(lǐng)域具有較好的前景。路徑算法方面，林潔瓊等［37］通過(guò)自適應(yīng)算法根據(jù)曲率及要求精度優(yōu)化分層厚度，可以有效保證精度及質(zhì)量的流程簡(jiǎn)化，對(duì)于曲面較多的RE 矯形器速率優(yōu)化有一定的借鑒價(jià)值。因此借助交叉學(xué)科的能量，設(shè)計(jì)和選擇一種更適用于矯形器打印的3D 打印機(jī)，可以達(dá)到快速臨床應(yīng)用的目的。

6 小 結(jié)

上述基于RE 的3D 打印矯形器制作技術(shù)研究中：在掃描方面，應(yīng)用于人體表面掃描的改進(jìn)研究較少，但臨床研究均傾向于便攜式掃描儀，如何做到精度和方便的均衡尚待進(jìn)一步的探索；CAD 建模方面，半自動(dòng)建模系統(tǒng)可以很好地減少人員培訓(xùn)和軟件的時(shí)間成本，但對(duì)CAD 方法建模時(shí)間的估計(jì)均較為樂(lè)觀，可用性研究也基本是個(gè)例研究和剛剛起步；二次設(shè)計(jì)方面，研究者利用鏤空進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以一步達(dá)到多個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，但力學(xué)測(cè)量方面多依賴計(jì)算機(jī)模擬，仍缺乏一定的客觀性；3D 打印方面，通過(guò)及時(shí)更新最新的打印技術(shù)和材料，優(yōu)化噴頭路徑或分層算法，也可達(dá)到快速應(yīng)用，減少成本的同時(shí)提高療效的目的。

綜上所述，結(jié)合優(yōu)化算法的自動(dòng)化制造系統(tǒng)是目前3D 打印矯形器應(yīng)用臨床的最佳途徑，可提高患者的依從性并且提高療效［38］。最新文獻(xiàn)指出，光固化3D 打印機(jī)生產(chǎn)一副支具時(shí)間約為161 min，加上掃描和建模的過(guò)程，流程最少10 h［39，40］，此前研究忽略了從采集到CAD 方法的時(shí)間，相對(duì)于3D 打印時(shí)間，這部分時(shí)間更難以估計(jì)，但也更容易通過(guò)方法的簡(jiǎn)化進(jìn)行壓縮。如在光學(xué)掃描階段，采用便攜式掃描儀；在CAD 建模階段，構(gòu)建適用于醫(yī)務(wù)場(chǎng)所的自動(dòng)化建模系統(tǒng)；在3D 打印階段，改進(jìn)工藝和材料以及自適應(yīng)算法均可減少生產(chǎn)時(shí)間。集成以上自動(dòng)化系統(tǒng)，目前仍是臨床應(yīng)用較大的難關(guān)，但是一項(xiàng)新技術(shù)的開(kāi)展這些問(wèn)題都會(huì)出現(xiàn)，會(huì)隨著醫(yī)院設(shè)施的逐步完善而得到解決。