一种基于3D打印的踝足矫形器的制作方法与流程

本发明属于踝足矫形技术领域，特别涉及一种基于3d打印的踝足矫形器的制作方法。

背景技术：

现有技术中治疗足外翻等踝足障碍的踝足矫形器很多。现有技术的缺陷就是：未进行患者足底压力测试，分析正常压力分布情况和分布异常情况；未运用到踝足生物力学对踝足矫形器结构进行改进，只是简单的打印扫描模型，矫正效果不佳(。关于传统石膏制作踝足矫形器的方法缺点是：需要矫形师有丰富的经验和精湛的手艺，劳动强度大且制作周期长，制作效率不高，形器太笨重不够美观、尤其是一些心理障碍比较大或者是小孩穿戴踝足矫形器时容易自卑，往往不愿意进行穿戴，使用材料过多，造成浪费。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于3d打印的踝足矫形器的制作方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于3d打印的踝足矫形器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，采用足底压力测量系统对患者患肢足底进行压力测试，获得步行时，患者的足底压力分布，确定不同患者足底压力分布异常情况；

步骤2，使用三维扫描仪扫描患肢的踝、足、小腿部位，获得患肢的点云数据；

步骤3，将步骤2得到的患肢点云数据导入到逆向软件进行逆向设计，得到stl文件；

步骤4，将步骤三中得到的stl文件导入到数字化设计软件，在软件改进模型结构，利用踝足生物力学，三点力系统与步骤1得到的足底压力异常情况对踝足矫形器结构进行三维模型数字化设计，改善踝足受力情况；

步骤5，将上述步骤4得到的stl文件进行拓扑优化，得到stl模型文件；

步骤6，将步骤5中得到的stl模型文件进行3d打印前处理，得到带有支撑的踝足矫形器；

步骤7，将步骤6中通过sls得到的踝足矫形器去除支撑，进行后处理，增加衬垫、魔术贴等辅件，最后让患肢试穿。

进一步的，步骤2中扫描时，患者保持坐姿，患肢平放置于平板上，扫描时保证扫描数据连续完整。

进一步的，步骤3中，逆向软件为rhnio；具体步骤为：

1)在rhnio中将扫描得到的点云数据进行修饰，封装，并建出完整的扫描部位轮廓的三角面片结构模型；

2)在rhnio中对步骤1)中得到的轮廓表面三角片进行外向加厚，生成壳状的三维模型，保存为stl格式文件。

进一步的，步骤4中，数字化设计软件为creo3.0。

进一步的，步骤5中，具体为：

首先对模型进行有限元分析，分析其应力，然后运用拓扑优化软件对模型进行拓扑优化，进行镂空等处理，去除多余结构，减轻模型质量。

进一步的，拓扑优化软件为inspire软件。

进一步的，步骤6中，具体为：

导入到materialisemagics21.0中，首先进行前处理，对三维模型添加支撑得到带支撑结构的三维模型，调整好打印参数，获得stl文件；将获得的stl文件通过3d打印成型得到带有支撑的踝足矫形器；其中足外翻踝足矫形器模型的打印是采用激光烧结成型技术，所述3d打印机为激光烧结固化成形3d打印机，所用材料为尼龙。

进一步的，其中所述步骤7中的后处理为进行喷砂、修型、打磨工艺；魔术贴辅助结构为可调整松紧并固定的辅助绷带。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

以根据不同患者的特点，运用踝足生物力学、三点力系统和下肢解剖学，调整患者患肢压力分布，快速地完成设计和制作出完美配合患者患肢外形的踝足矫形器，提高踝足矫形器的使用效果，实现个性化医疗，可以降低对操作人员经验及技术的要求，同时可以实现轻量化设计，减轻踝足矫形器的重量，提高患者对踝足矫形器的接受程度。

具体表现在：对患者足底进行了足底压力测试，可以分析压力分布正常情况和分布异常情况，为优秀改进踝足矫形器三维结构打好基础；使用三维扫描仪对患者的患肢不同症状和不同外形特征进行扫描精确成型，实现个性化医疗保证了患肢的高标准还原度，确保符合患者患肢外形的踝足矫形器，防止压迫损伤软组织；对比石膏法，使用计算机进行数字化的设计方法可以降低对操作人员经验和技术的要求，并且可以减轻患者多次更换石膏的痛苦；采用3d打印技术，可以自由穿戴踝足矫形器，并且可以选择不同的材料制作踝足矫形器，在一定程度上有利于观察后期对踝足矫形器恢复程度的检查；在进行数字化设计时运用踝足生物力学和三点力系统，改进踝足矫形器模型的三维结构，改善患者患肢足底受力情况，来提高踝足矫形器的治疗使用效果；使用3d打印技术，快速地制完成矫形器的制作,并且可以对模型进行踝足矫形器进行镂空等处理，实现轻量化设计，减轻踝足矫形器的重量，舒适度高，提高患者对踝足矫形器的接受程度。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为本发明的三点力系统在矢状面原理图。

图3为本发明的三点力系统在额状面原理图。

图4为本发明的拓扑优化过程图。

图5为本发明的踝足矫形器上腿示意图。

三点力系统在矢状面原理图说明：三点力在矢状面上控制踝关节的跖屈。三点力位于：1-第一跖骨头至第五跖骨头和足趾，向上的力；2-足背的上部；3-小腿肚的上部。

三点力系统在额状面原理图说明：三点力在额状面上控制踝关节的外翻。三点力位于：足跟的外侧，向内的力；2-内踝上部，向外的力；3-小腿近侧，向内的力。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图5，一种基于3d打印的踝足矫形器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，采用足底压力测量系统对患者患肢足底进行压力测试，获得步行时，患者的足底压力分布，确定不同患者足底压力分布异常情况；

步骤2，使用三维扫描仪扫描患肢的踝、足、小腿部位，获得患肢的点云数据；

步骤3，将步骤2得到的患肢点云数据导入到逆向软件进行逆向设计，得到stl文件；

步骤4，将步骤三中得到的stl文件导入到数字化设计软件，在软件改进模型结构，利用踝足生物力学，三点力系统与步骤1得到的足底压力异常情况对踝足矫形器结构进行三维模型数字化设计，改善踝足受力情况；stl是一种文件格式。

步骤5，将上述步骤4得到的stl文件进行拓扑优化，得到stl模型文件；

步骤6，将步骤5中得到的stl模型文件进行3d打印前处理，得到带有支撑的踝足矫形器；

步骤7，将步骤6中通过sls得到的踝足矫形器去除支撑，进行后处理，增加衬垫、魔术贴等辅件，最后让患肢试穿。sls是选择性激光烧结成型。

步骤2中扫描时，患者保持坐姿，患肢平放置于平板上，扫描时保证扫描数据连续完整。

步骤3中，逆向软件为rhnio；具体步骤为：

1)在rhnio中将扫描得到的点云数据进行修饰，封装，并建出完整的扫描部位轮廓的三角面片结构模型；

2)在rhnio中对步骤1)中得到的轮廓表面三角片进行外向加厚，生成壳状的三维模型，保存为stl格式文件。

步骤4中，数字化设计软件为creo3.0。

步骤5中，具体为：

首先对模型进行有限元分析，分析其应力，然后运用拓扑优化软件对模型进行拓扑优化，进行镂空等处理，去除多余结构，减轻模型质量。

拓扑优化软件为inspire软件。

步骤6中，具体为：

导入到materialisemagics21.0中，首先进行前处理，对三维模型添加支撑得到带支撑结构的三维模型，调整好打印参数，获得stl文件；将获得的stl文件通过3d打印成型得到带有支撑的踝足矫形器；其中足外翻踝足矫形器模型的打印是采用激光烧结成型技术，所述3d打印机为激光烧结固化成形3d打印机，所用材料为尼龙。

其中所述步骤7中的后处理为进行喷砂、修型、打磨工艺；魔术贴辅助结构为可调整松紧并固定的辅助绷带。

如图1所示，一种基于3d打印的踝足矫形器数字化设计及制作方法，步骤一、采用足底压力测量系统对患者患肢足底进行压力测试：让患者以最自然的步态走过压力测试平板，采集到的步态数据作为之后分析及设计的参考依据：获得步行时患者的足底压力分布，确定足底压力分布异常；

如图1所示，步骤二、采用scan三维扫描仪扫描患者患肢的踝、小腿部位，获取患肢模型的点云数据。患者保持坐姿，患肢平放于一平板上，扫描时一定要保证扫描数据连续完整，不存在数据缺失。维扫描仪工作过程中对人体没有危害，采集数据速度快。

如图1所示，步骤三、将步骤二得到的患肢点云数据导入到逆向软件rhnio中进行逆向设计，具体步骤是：步骤3-1，在rhnio中将扫描得到的点云数据进行修饰，封装，并建出完整的扫描部位轮廓的三角面片结构模型，步骤3-2，在rhnio中对步骤3-1中得到的轮廓表面三角片进行外向加厚，生成壳状的三维模型，保存为stl格式文件。逆向过程中对不同外形特征进行精确还原，实现个性化医疗，使用计算机设计保证了患肢的高标准还原度；对比石膏法，使用计算机进行制作的踝足矫形器方法更高效，可以降低对操作人员经验和技术的要求，并且可以减轻患者多次更换石膏的痛苦，具备很广泛的应用前景。

如图1所示，步骤四、将上述步骤三中得到的stl文件导入到creo3.0进行数字化设计，在软件改进模型结构，利用踝足生物力学、三点力系统与步骤一得到的足底压力异常情况对踝足矫形器结构进行三维模型数字化设计。降低骨突出点、压痛点、敏感点的受力，通过减少对应位置的厚度实现，足底压力分布较小出可以通过增加厚度，来增大其受力，并且利用踝足三点受力原理，从而改善踝足受力情况；保证踝足矫形器的基本对线正常：在矢额面内，保证患肢的承重力线通过髋关节、膝关节和踝关节的中心，在矢状面内，保证患肢的承重线经过膝关节中心(或者前10～15cm)、踝关节中心。通过改进踝足矫形器三维结构，确保足底受力情况和下肢承重力线对线正常,有效提高了踝足矫形器使用的有效性。这也是本发明很突出的一个地方。

如图1所示，步骤五、将上述步骤四得到的stl文件进行通过有限元分析和结构拓扑优化，保证踝足矫形器的力学结构合理性；首先对踝足矫形器模型进行有限元分析，分析其应力分布；然后运用拓扑优化软件inspire对模型进行拓扑优化，进行镂空、增加插槽等特征处理，不同的患者可以进行不同形状的镂空处理，去除多余结构，减轻模型质量,降低成本。

如图1所示步骤六、将步骤五中得到的stl模型文件进行3d打印前处理，导入到materialisemagics21.0中，首先进行前处理，对三维模型手动添加支撑得到带支撑的三维模型，调整好打印参数，获得stl文件；将获得的stl文件通过激光烧结成型(sls)得到带有支撑的踝足矫形器。

如图1所示步骤七、将步骤六中通过激光烧结成型(sls)得到的踝足矫形器去除支撑，进行后处理：喷砂、修型、打磨等工艺，增加衬垫、可调整松紧并固定的魔术辅助结构，最后清洗踝足矫形器，让患肢试穿。