一种基于3D打印技术的腰部支具及其制造方法

本发明涉及医疗辅助设备领域，尤其是涉及一种基于3d打印技术的的腰部支具及其制造方法。

背景技术：

1、随着人口老龄化的加剧，长期卧床的患者数量不断增加，并且在心脏术后康复过程中，尤其是血流动力学不稳定或经腹股沟血管穿刺介入术后，患者需要长时间保持平卧状态，这导致尾骶部长时间受到压力，压疮便成为卧床患者常见的并发症之一，并且腰部会出现疼痛等不适症状。传统的防压疮解决方案，如海绵垫、气垫等，往往缺乏个性化设计，难以满足不同患者特定的生理需求，尤其是患有腰椎疾病的患者，无法提供足够的舒适度，更无法有效减轻尾骶部的压力。

2、3d打印技术，自20世纪80年代问世以来，已经经历了快速的发展和在多个领域的广泛应用。在医疗领域，3d打印技术因其能够快速定制复杂结构的特点，为个性化医疗辅具的设计和制造提供了新的可能性。

3、现代医学正逐渐从“一刀切”的治疗模式向个性化、精准化治疗转变。3d打印技术能够根据患者的具体生理数据定制医疗辅具，使得医疗支具的设计更加灵活，更好地满足个性化医疗的需求。因此，开发一种基于3d打印技术能够根据患者生理曲度调节的腰部支撑垫，对于预防压疮、提高患者舒适度具有重要意义。但现有技术中的腰部支撑件仅能提供支撑作用，不能确保支具可以均匀分散压力、减少关键部位的压力集中。

4、专利cn201811569115.7公开了根据医疗数据自动3d打印腰枕，包括：采集数据、图像重建、导出模型、打印成型，针对人体模型数据3d打印出的腰枕支撑层和根据腰部重量选择的弹性层，通过分设后腰凸起、左侧腰凸起和右侧腰凸起，使人在各种睡姿时都能得到最合适的腰部支撑，有效缓解人在睡眠时的腰部压力，其中具体提到了用geomagic studio软件打开模型，将图像文件导入mimics软件种进行重建得到数据模型。但是不能优化支具的设计，确保其在分散压力、提供支撑的同时，确保支具可以均匀分散压力，减少关键部位的压力集中，预防压疮的发生。

5、专利cn202020658641.7公开了在腰部支撑件的气囊组件的表面设有压力传感器，用于感受压力并将信号传递给控制器，控制器控制调整气囊组件的充气程度；同时设有温敏传感器，用于控制温度。其能实时调整，但是结构较为复杂，还涉及控制器传感器，维修成本高，且没有根据患者腰部情况进行个性化设计。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述现有技术存在打印出的腰部支撑件不能均匀分散压力，不能减少关键部位的压力集中，及不能预防压疮的发生等缺陷而提供一种基于3d打印技术的的腰部支具的制造方法，该方法能够有效预防压疮，通过有限元分析方法，可以优化支具的设计，确保其在提供支撑的同时，确保支具可以均匀分散压力，减少关键部位的压力集中，预防压疮的发生，提升患者的舒适性和生活质量。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、专利的技术原理基于3d打印技术，结合了个性化医疗、数字化设计和材料科学等多个领域的先进技术，以实现为平卧患者提供定制化的腰部支具，有效预防压疮的发生。

4、本发明提供一种基于3d打印技术的的腰部支具的制造方法，包括以下步骤：

5、s1：数据采集：通过三维扫描技术捕捉患者的体表信息，同时采集患者的医学影像数据；体表信息描述了患者腰部的体表外形，医学影像数据描述了患者的骨骼和软组织，体表信息用于得到初始化的腰部支具模型，医学影像数据和体表信息结合用于构建腰部数字模型。

6、s2：数字化建模：根据采集到的数据，在计算机的医学图像处理软件中构建出患者的腰部数字模型和腰部支具模型，腰部数字模型和腰部支具模型共同形成患者模型；这一步骤是个性化设计的基础，确保了后续设计的支具能够精确匹配患者腰部的形态，确保其与患者身体完美贴合。

7、s3：有限元分析：使用有限元分析软件对患者模型进行力学分析，模拟支具在使用中的压力分布情况，确保支具能够均匀分散压力；有限元分析具体步骤如下：

8、s31：导入模型：将s2中建立的患者模型导入有限元分析软件中；

9、s32：定义设计变量：选择需要优化的设计变量，需要优化的设计变量为支具的形状、尺寸，这些设计变量将作为优化的自由度；

10、s33：设定目标函数：确定优化的目标函数，目标函数为最小化压力集中、最大化支持区域，目标函数与支具在患者身上的压力分布情况相关；

11、s34：设定约束条件：定义优化问题的约束条件，约束条件包括：支具的最大尺寸、最小厚度、材料的可用性，约束条件用于限制优化问题的解空间；

12、s35：选择优化算法；

13、s36：进行优化计算：运行有限元分析软件中的优化模块，对定义的目标函数和约束条件进行优化计算，得出最优的设计变量组合；

14、s37：验证：对优化后的设计进行验证，确保其满足设计要求和患者的需求；

15、通过有限元分析，可以优化支具的设计，确保其在提供支撑的同时，确保支具可以均匀分散压力，减少关键部位的压力集中，预防压疮的发生，提升患者的舒适性。

16、s4：3d打印制造：利用3d打印技术，3d打印机根据设计的三维模型打印出支具。确保支具的定制化和精确性。

17、进一步的，s1中，所述医学影像数据为ct或mri。

18、进一步的，s2中，所述患者的腰部数字模型为患者的骨骼和软组织模型。

19、进一步的，s2中，所述医学图像处理软件为3d slicer、mimics或materialise。

20、进一步的，s31中，选择的优化算法为梯度下降法、遗传算法、粒子群算法中的一种。

21、进一步的，s4中，3d打印机为光固化3d打印机。

22、进一步的，s31中，将s2中建立的患者模型导入有限元分析软件中之后，对模型进行网格划分，将模型离散化为有限元网格。这是有限元分析的基础。

23、进一步的，在3d打印制造后还包括后处理，后处理包括：打磨、抛光、消毒，以提高其表面质量和使用安全性。

24、进一步的，个性化支具设计：根据分析结果，设计符合患者腰部曲度的个性化的支具模型，设计时还需考虑到材料的透气性、柔软性、耐久性和舒适性等因素。

25、s4中，选择适合3d打印的生物相容性材料，生物相容性材料包括：医用级聚乳酸pla、聚醚醚酮peek；这些材料不仅具有良好的力学性能，还要确保对皮肤无刺激性，安全无毒。

26、在有限元分析之后的模型支具中采用多孔结构设计。这些孔洞不仅减轻了支具的重量，还提供了良好的透气性，减少皮肤长时间接触潮湿和封闭环境，从而降低压疮风险。

27、本发明还提供一种基于3d打印技术的的腰部支具，所述腰部支具由上述基于3d打印技术的的腰部支具的制造方法进行制造。

28、本发明适用于术后需长期平卧的患者，能够有效预防和减少压疮的发生，同时根据患者的生理曲度定制，提供更加舒适的支撑。

29、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

30、(1)有效预防压疮：通过有限元分析方法，可以优化支具的设计，确保其在提供支撑的同时，确保支具可以均匀分散压力，减少关键部位的压力集中，预防压疮的发生，提升患者的舒适性。

31、(2)精确匹配和个性化定制：根据患者的具体生理数据进行设计和打印，提供完美的贴合和支撑；通过3d扫描和有限元分析，确保支具与患者身体的精确匹配。

32、(3)透气性：3d打印技术可以实现复杂的内部结构设计为多孔结构设计，增加了支具的透气性。

33、(4)快速制造：3d打印技术能够快速从设计到成品，缩短了生产周期。

34、(5)易于清洁和维护：支具材料易于清洁，且耐用性高，降低了长期护理的成本。