基于3D打印技术的康复支具设计与应力应变分析

李素丽　马恺悦　石洪宝

摘 要：为探究3D打印技术在个性化康复支具创新设计中的具体应用方法，采用人体建模软件，通过扫描患者CT数据，建立了三维数字化人体模型。以成年男子的腰腹康复支具为研究对象，根据人体躯干数据，采用人体建模软件分别建立了实体式、矩形式、镂空式3种康复固定支具模型，并对其进行划分网格，分别赋予材料（ABS材料）后在有限元软件中进行了静力学分析。通过对3种康复固定支具模型的应力应变数据的对比，发现实体式康复固定支具应力应变最小;矩形孔式康复固定支具应力应变次之;镂空式康复固定支具应力应变最大，但都满足要求，但镂空式康复固定支具具有透气性好、贴合性好、美观、轻便等优势，此研究结果可为医生的选择提供参考。

关键词：3D打印;康复固定支具;静力场;应力分析;应变分析

中图分类号：TG 44

文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2022）03-0291-07

Design and Stress-Strain Analysis of Rehabilitation Brace

Based on 3D Printing Technology

LI Suli，MA Kaiyue，SHI Hongbao

（College of Mechanical Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China）

Abstract：In order to explore the specific application method of 3D printing technology in the

innovative design of personalized rehabilitation braces，a three-dimensional digital human body

model was established by scanning CT data of patients and using modeling software.Taking adult

men’s waist and abdomen rehabilitation brace as the research object，according to the data of

human torso，three kinds of rehabilitation fixed brace models of solid type，rectangular type and

hollow type were established respectively by using human body modeling software，and they were

divided into grids.After assigning the material（ABS material）separately，the static analysis

was carried out in the finite element software.By comparing the stress-strain data of the three

rehabilitation fixation brace models，the results show that the stress and strain of the solid

rehabilitation immobilization brace is the smallest;the stress and strain of the rectangular

hole rehabilitation immobilization brace is the second;the hollow-out rehabilitation fixation

brace has the largest stress and strain，but all meet the requirements.However，the hollow-out

rehabilitation fixation brace has the advantages of good ventilation，good fit，beauty，and

lightness. The research results will provide a reference for doctors to choose.

Key words：3D printing;rehabilitation fixation brace;static field;stress analysis;strain

analysis

0 引言

康復固定支具目的是给伤残人士提供帮助而出现的一种辅助道具，又被称为矫正器，也是一种可以减轻身体功能障碍的体外装置，它使骨头以及关节损伤后的功能恢复成为可能。3D打印可以满足患者更多的要求，能够为患者提供一个稳固、轻便的个性化康复支具。在完全了解患者机体功能的情况下，特别是关节活动度以及其肌力的测定结果，康复支具可以做较为准确的使用效果评定[1-2]。

已有学者将3D打印应用于康复固定支具的设计。例如，吴帆等（2015）采用3D打印技术，打印出了一种个性化矫形康复支具，该支具不但具有确切的生物力学性能指标，还具有透气、穿戴舒适、美观等优势，解决了石膏固定透气性差、高分子绷带固定不牢靠、夹板固定压迫边缘皮肤的缺陷[3]。陆亮亮等（2017）研究一种符合人体手部生物力学的个性化、不等刚度的弹性支具，该支具不但具有确切的生物力学性能指标，还具有透气、穿戴舒适、美观等优势[4]。XU等（2017）认为新型3D打印的假肢比传统定制的假肢对于那些有创伤性截肢儿童的贫穷家庭来说更好，是一种发展中国家或缺乏保健机构地区家庭实用且能负担得起的替代办法[5]。CHEN等（2017）开发了一种患者专用的3D打印铸造技术，研究了3D打印矫形铸造在骨折治疗中的应用[6]。SZOJKA等（2017）设计了3D打印多卡丙酮支架，用以重塑半月板外基质的形状和结构成份，为完整的基于细胞的半月板再生提供模板和结构支持[7]。ZAID等（2017）认为3D打印和3D扫描可以用来进行患者特定的3D扫描和3D打印抗菌多丙酮伤口敷料[8]。廖政文等（2018）基于3D打印技术开展了个性化康复矫正器的数字化设计制作研究[9]。VAZ V等（2021）全面介绍了3D打印在心血管医学中的技术和应用，分析了该技术在提升心脏介入疗效和安全性方面的效果，促进了精确医疗的实现[10]。MOHAM MA等（2018）设计了一种紧凑和精简的软外骨骼手套，能够帮助手功能障碍患者进行正常的生活活动，并且帮助患者手部功能的康复[11]。KEUN HL等（2019）设计和制造了一个病人特定的辅助优化设备后，通过3D打印技术估计了患者残疾状态与脑损伤并通过3D打印技术为残疾患者提供低成本、定制化的辅助设备[12]。以上专家学者们已经从医学角度进行了不同部位康复支具的设计及分析，为本文奠定了一定的理论基础。为此，主要从结构入手，采用人体建模软件，基于三维数字化人体模型及数据，主要针对腰胸康复支具进行创新设计，并对3种不同的支具模型进行对比分析，且总结出了3D打印技术在个性化康复支具创新设计中的应用方法，为医生进行手术提供参考。

1 康复固定支具模型的建立

1.1 患者身体模型的建立

相比较传统的康复固定支具，3D打印康复固定支具可以更加贴合患者的受伤组织，原因在于3D打印康复支具能够根据患者实时身体数据进行建模。

通过提取患者躯干CT-DICOM数据，调整阈值将需要提取的部分进行标注，对CT图像进行蒙版分割，如图1所示。其中蓝色部分为人体蒙版，红色部分为需要分割掉的蒙版，选择分割并删除掉红色部分保留蓝色部分。

分割完蒙版后，选择分离后的人体躯干蒙版，生成初步提取的人体躯干模型如图2所示。此模型为后面的腰胸固定支具的建模提供了详细的人体模型数据。

1.2 建立支具模型

人体模型包裹外壳（图3）为一个面且厚度较薄，需要进行再加工，使其多余的或者损坏的边得到修复最终得到图4。本文在结构的设计上共使用了3种方案。

1.2.1 实体式康复固定支具

图5为实体式康复固定支具，根据人体躯干数据直接生成的一个外部包裹支具，厚度为5 mm。在结构设计上没有做过多的更改，且其质量是3种方案中最大的，同时强度也最高，此处主要作为其他2种方案的比对对象。

1.2.2 矩形孔式康复固定支具

如图6为矩形孔式康复固定支具模型，这是一个在原有固定支具初始模型上，设计了多条长方形孔，以及在侧面开出4个矩形小孔的模型，和初始固定支具相比，其透气性会更好并且质量也会更小，但这个康复固定支具模型的强度，以及应力应变都要通过分析来对比。

1.2.3 镂空结构康复固定支具

图7为镂空结构康复固定支具模型，厚度为5 mm，在初始康复固定支具模型基础上，设计了大小不同的圆孔，使其形状类似蜂窝状，是3种方案中质量最轻的一款模型，并且透气性最好。

人体腰部载荷是个相当复杂的问题，表1为一个成年男性在不同姿势及手持重物情况下的腰椎载荷。从表1可以看出，人体腰椎在不同姿势下载荷差距很大，载荷最低的正坐放松姿势只有380 N，而站立以最大努力将躯干后弯姿势载荷则可以达到5 050 N。其他姿势所产生对腰部的载荷最大为2 350 N。考虑患者在受伤情况下不可能剧烈运动，选用一个成年男性腰部载荷的中值，即选用2 350 N的力来分析康复固定支具的应力应变及最大形变，为其他患者提供参考[13]。

2 康复固定支具的应力应变及变形分析

目前基于3D打印康复支具主要采用的材料为ABS[14]，表2可以看出在ABS材料的许用应力限定在6.11 MPa时，其使用寿命为1 000 h，限定在3.8 MPa时，其使用寿命为5 000 h，而将其许用应力限定在3.78 MPa时，其许用应力不再对其寿命进行影响，所以对康复固定支具进行分析时对其许用应力限定在3.78 MPa。

2.1 不同康复固定支具应力应变分析

选用2 350 N的均布载荷，分别选用时间為0 s、0.5 s、1 s的整体图进行应力应变分析。

2.1.1 实体式康复固定支具应力分析

图8为实体式康复固定支具加载2 350 N时的应力云，从其应力云图可以看出当时间为0.5 s时，实体式康复固定支具的应力云图主要呈蓝色到绿色，对应的应力大小为0～3 355.2 Pa。图8（b）为1 s时其应力云图，红色区域为应力最大区域其应力达到10 066 Pa。

可见支具模型中分布最多的区域为

黄色和浅绿色分别为6 710.4 Pa及5 592 Pa，

由表2可以得出ABS材料在不影响其寿命的情况下其许用应力为3.78 MPa，实体式康复固定支具的应力远小于其许用应力。

2.1.2 矩形孔式康复固定支具应力分析

图9为矩形孔式康复固定支具施加2 350 N时的应力云图，图9（a）为当时间为0.5 s时，矩形孔式康复固定支具的应力云图，可以看出这个时刻其应力云图主要呈蓝色到绿色，对应的应力大小为1 242.6～6 736.4 Pa。图9（b）为1 s时其应力云图，红色区域为应力最大区域，应力达到11 132 Pa，应力最小区域为1 242.6 Pa且位于矩形孔康复固定支具左侧上方，支具模型中分布最多的区域为黄色和浅绿色分别为7 835.2 Pa及6 736.4 Pa，由表2可以看出，矩形孔式康复固定支具承受的应力远小于其许用应力。

2.1.3 镂空式康复固定支具应力分析

图10镂空式康复固定支具应力云，图10（a）为时间为0.5 s时矩形孔式康复固定支具的应力云图，可以看出这个时刻其应力云图主要呈蓝色到绿色其对应的应力大小为0～5 984 Pa。图10（b）为1 s时其应力云图，红色区域为应力最大区域，其应力达到13 464 Pa，应力最小区域为0，位于矩形孔康复固定支具右后方，

支具模型中分布最多的区域为黄色和浅绿色分别为8 976 Pa及7 480 Pa

，由表2可以得出镂空式康复固定支具的应力远小于其许用应力。

2.2 应变分析

2.2.1 实体式康复固定支具应变分析

图11实体式康复固定支具应变云，图11（a）为0.5 s时实体式康复固定支具的应变云图，可看出这个时刻其应力云图主要呈蓝色到绿色其对应的应变大小为0～

2.239。图11（b）为1 s时其应变云图，红色区域为应力最大区域其应变为5.039，在模型上出现区域十分小，应变最小区域为深蓝色为0位于模型侧方，模型分布最广泛的为浅黄色和浅绿色，应变为3.359和2.799，可以看出其应变主要分布在2.9左右。

2.2.2 矩形孔式康复固定支具应变分析

图12矩形孔式康复固定支具应变云图，图12（a）为0.5 s时，实体式康复固定支具的应变云图，这个时刻其应力云图主要呈蓝色到绿色，其对应的应变大小为0～2.846。图12（b）为1 s时其应变云图，红色区域为应力最大区域其应变为5.566，在模型上出现区域十分小，应变最小区域为深蓝色为0.670，位于模型侧后方，模型分布最广泛的为浅黄色和浅绿色，应变为3.934和2.846，可以看出其应变主要分布在3.5左右。

2.2.3 镂空式康复固定支具应变分析

图13镂空式康复固定支具应变云图，图13（a）为时间为0.5 s时，镂空孔式康复固定支具的应变云图，从其可以看出这个时刻主要呈蓝色到绿色的变化，对应的应力大小为0～2.992。图13（b）为1 s时其应变云图，红色区域为应力最大区域其应变为6.732，在模型上出现区域十分小，应变最小区域为深蓝色为0，位于模型正后方，模型分布最广泛的为浅黄色和浅绿色，应变为4.48和3.74，可以看出其应变主要分布在3.7左右。

2.3 不同结构应力应变对比分析

图14不同康复固定支具应力分析，总结了3种康复固定支具的应力情况，其中应力最小的为实体式康复固定支具，镂空式康复固定支具最大应力和主要应力相对于其他2种支具略微高出一些，但其应力为

13 464 Pa，远小于ABS材料的许用应力3.78 MPa，因此在应力方面3种支具都是完全合格的。

通过分析不同康复固定支具的应变云图（图15），镂空式康复固定支具的应变最大为6.73，实体式康复固定支具的应变最小为5.04。最小应变除了矩形孔外，其余2个康复固定支具都为0，实体的康复固定支具的主要应变最小，镂空式最大达到了3.7，但在合格范围之内。

3 结论

1）通过对人体躯干进行CT扫描并进行人体建模，对人体模型进行设计，设计出了3种不同结构的康复固定支具，并进行网格划分，赋予不同材料后，进行静力结构力学分析。

2）力学分析表明，实体式康复固定支具的形变为3种支具中最小的，但其重量最大;与传统的石膏相比，实体式康复固定支具，在包裹性和透气性上与传统石膏差异性不大。

3）矩形孔式康复固定支具设计不甚合理。在应力应变分析中，矩形孔式定支具右后方受力较为集中，并且在方孔附近型变严重，可能对患者的受伤部位不能起到很好的保护作用。

4）镂空式康复固定支具在3个支具中的应用效果最优。在质量上，镂空式康复固定支具应用了最少的材料，并且由于其表面布满了大大小小的圆孔，因此具有良好的透气性，而且应力应变方面也是合格的。

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（责任编辑：张 江）

收稿日期：2022-03-04

基金项目：国家重点实验室开放课题研究基金项目（SKLMS2021016）

作者简介：李素丽（1981—），女，山西阳泉人，博士，副教授，主要从事机械设计、增材制造方面的教学和研究工作。