基于3D打印技术的个性化脊柱侧弯矫形支具数字化设计

文献来源：张玉芳, 关天民, 郭侨阁,等. 基于3D打印技术的个性化脊柱侧弯矫形支具数字化设计[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(36):5824-5829.（文末可下载PDF电子版）
 

文题释义：躯干有限元模型：通过获取患者胸腰段 CT 或 MRI 数据，运用医学图像处理软件对骨骼进行三维建模。利用三维扫描仪获取患者体表点云数据，然后进行处理进而构建患者体表三维模型。接着将骨骼及体表三维模型拟合，且进行有限元单元网格化，在有限元软件中构建肌肉模型，赋予材料属性为后续仿真提供相应生物力学计算模型。熔融沉积建模技术：采用热熔喷头，使半流动状态的材料按计算机辅助设计分层数据控制的路径挤压并沉积在指定的位置凝固成型，逐层沉积、凝固后形成整个原型或零件。3D 打印的支具能够实现结构优化，节省材料，增加透气性，提高患者穿戴的满意度。
引言

文章以1例患者为例，详细介绍了一种结合三维扫描技术和3D打印技术制作患者个性化脊柱支具的新工艺。采用手持三维扫描仪捕捉患者体表信息，基于患者脊柱侧凸情况，设计个性化支具，并分析其生物力学特性。在满足矫形条件下，通过拓扑优化对支具进行减材处理，获得优化模型并输入快速打印系统，最终打印出实物支具。整个流程操作简便，医师可随时对支具模型进行调整，患者也可根据自己的喜好提出拓扑优化的图案。该工艺精简了支具设计流程，方便临床医师操作；同时优化结构可减少材料，降低患者支付费用。

1 对象和方法

选择1例14岁右胸弯和左腰弯特发性脊柱侧凸男性患者，侧弯类型为Rigo A3型，胸、腰椎侧弯Cobb角分别为36°及24°，最大侧弯位移处为T 8 、T 9 和L3椎骨。患者正侧位X射线片见 图1。患者及其监护人对试验方案知情且同意。

1.1 方法 

数字化设计制造支具模型是利用计算机辅助设计/制造结合三维扫描、医学建模和有限元分析等技术，快速实现支具的设计、优化和制造等工艺。

1.1.1 工艺流程 支具的设计制造流程如下：根据患者年龄、侧弯角度、Risser指数等数据，诊治医师对青少年特发性脊柱侧凸患者做出诊断，判断患者采用手术治疗或支具治疗。此文主要研究支具治疗的方法，对手术治疗不做详细说明。利用手持式三维扫描仪扫描患者体表信息，结合CT扫描数据利用医学建模软件建立的患者骨骼模型，构建出患者骨-肌三维模型。

利用有限元分析软件Abaqus对该模型进行有限元受力分析，结合受力情况设计支具模型。为减轻支具质量，增加透气性，对支具进行拓扑优化获得最佳支具模型。将优化后的支具模型输入到3D打印机，打印出支具模型，患者穿戴后对其进行舒适度等评价反馈。

1.1.2 有限元模型的建立 

以个性化矫形力及生物力学分析为研究目的，以特发性脊柱侧凸患者的CT断层图像数据为基础构建完全基于人体解剖结构的有限元模型，在此基础上利用生物力学原理分析不同矫形力的矫正效果。利用手持式三维扫描仪对患者体廓进行扫描，构造患者体廓三维模型。将CT扫描获取患者脊柱的数据，导入三维医学处理软件进行可视化处理。

根据骨骼阈值提取全脊柱的脊椎数据，建立患者脊柱胸-腰段椎体、肋骨、骶骨、骨盆三维几何模型。椎间盘为形状不规则的柱体，采用布尔运算得到与椎体紧密贴合的椎间盘三维模型，承担椎体间力的传导。基于人体解剖结构，利用三维建模软件构造出软肋骨、腹腔及肌肉组织，从而实现脊柱模型的弯曲、屈伸、扭转等动作。

1.1.3  支具个性化设计及仿真优化分析 

根据Hueter-Volkmann定律 ，即骨骺所受压力增加，骨的生长就会受到抑制，骨骺所受压力减小，骨的生长就会加快，采用三点力原理对患者脊柱侧凸进行矫正。

支具个性化设计 ：为实现支具的数字化设计，采用表面绘制方法。基于图像轮廓拟合物体表面，借助传统的图像学技术实现模型的重建。支具仿真分析 ：脊柱侧凸的矫正是利用支具施加在患者体廓上的外部力，利用非线性迭代解析方法传递到脊椎上达到矫形效果。利用有限元分析软件Abaqus对患者穿戴支具矫形情况进行仿真分析。设计的支具使用聚乙烯材料(E=1 500 MPa，ν=0.3)的力学性能模拟，建立四面体壳单元弹性有限元模型。支具与人体表面的接触定义为面-面接触，模拟支具到患者体廓的摩擦和力的传递。考虑材料的非线性及面面间的滑移，摩擦系数设为0.1。将支具虚拟穿戴到患者有限元模型，定义一组节点固定支具位置。边界条件为：固定骨盆的所有自由度，约束脊柱模型T 1 上表面矢状面的自由度，保持冠状面的自由。对支具施加束紧力模拟人体矫形效果，施加不同束紧力分析患者脊柱侧凸的变化情况。支具优化 ：结构拓扑优化是根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料进行最佳分配的数学方法，以达到轻量化设计，提高材料利用率、减轻模型质量等性能，其有3个要素：目标函数、设计变量和约束条件  。在实践过程中，目标函数可采用质量、体积、应变能等表示。设计变量可用厚度、材料类型、质量、频率等表示。1.1.4 3D打印支具 

此次研究采用Stratasys Fortus 450mc 3D打印机，打印采用熔融沉积原理，在打印喷头内将材料高温加热熔化，喷头沿预设的零件截面轮廓和填充轨迹准确运动，挤出材料迅速凝固，在立体空间排列形成立体实物。脊柱支具尺寸为395 mm×343 mm×400 mm，模型厚度为4 mm，打印材料为PC-10，支撑打印材料为SR-110，打印层厚为0.127 mm，打印精度较高，可满足个性化支具设计的精度要求。

1.2 主要观察指标 ①躯干生物力学分析；②仿真分析支具及躯干应变及位移；③患者穿戴支具前后矫形效果(满意度)。

根据模糊理论和层次分析法，参照张爱平等建立的舒适度主观评价评分表统计患者满意度。主观舒适度是一个心理状态，从外界人机环境产生的物理信号刺激起，经感觉器官传入中枢神经系统，再作用于肌肉腺体等反应器官，指导人们做出相应行为。主观评价是一个人对所评价事物的主观感觉，确定评价指标为环境特性、材料特性、结构特性、运动特性，分配各项指标的权重，建立评价公式：，其中ω为一层权重，a， b， c，d为二层权重，x，y，z，k为评价指标。

2  结果 2.1 患者有限元模型 利用有限元仿真软件Abaqus6.14-2读取患者骨骼及体表模型，根据解剖学知识在相应位置增加韧带、软组织等结构，以弹性梁单元表示胸-腰椎、椎间盘、肋骨、胸骨、骨盆和肋软骨结构。韧带由弹簧单元组成，腹腔和外部软组织由梁和四边形单元构成。体表三维有限元模型的建立见图 图2。解剖结构的机械特性从人类尸体脊柱节段获得的公开数据中获得的。

2.2 支具模型 

患者躯干模型为基本参照，定义支具上边界为肩胛骨，下边界为骨盆。以患者T 1 椎骨的质心和骶骨的中心构造一条中心线，以此中心线为旋转中心，等角度分别构建12个基准面。每个基准面上选取人体特征点构造支具轮廓曲线，曲线的位置通过与中心轴的距离参数确定，将轮廓曲线拟合成一个完整的曲面。患者为胸椎右侧弯，腰椎左侧弯，调整支具在各个侧弯部位的曲线与中心轴的距离，以达到向内部凹入一定范围，对侧弯位置提供矫形压力，保证矫形效果。以曲面的法线方向加厚4 mm构造支具的初始模型。将支具模型与患者人体模型进行装配，见图 图3。

2.3 支具生物力学分析 施加束紧力时，支具模型与患者侧凸部位的皮肤接触，将接触力通过皮肤、肌肉传递到脊柱上，脊柱畸形得到改善。设置10组束紧力，以10-100 N为范围，利用最小二乘法计算束紧力分别施加到患者体廓。

综合考虑人体承受疼痛阈值，患者可承受的最大束紧力为70 N，穿戴支具的位移、应力情况见 图4，5。

脊柱最大位移量为39 mm，位于胸椎侧弯位置。由于上下边界约束的设置，最大应力值为126 kPa，位于骶骨活动与固定边界，应力值在人体可承受疼痛阈值范围内，满足设计要求。

2.4 支具拓扑优化 

此次研究采用Abaqus 6.14-2有限元软件中的优化模块进行拓扑优化。优化区域为整个支具模型，目标函数为Min F(x1，x2，x3，…，xn)，其中F=weight，x1，x2，x3，…，xn为力学参数。在满足支具的刚度要求条件下，优化质量和体积，达到最佳材料分布。冻结支具的轮廓边界及施力位置，防止其在优化过程中产生破坏。分别设置10组优化参数(0.15，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.45，0.5，0.55，0.6)，通过45次迭代运算，达到满足优化目标的收敛状态。对比优化结果，选取优化参数为0.4。依据有限元优化结果，在满足刚度要求且不影响矫形效果的区域，通过布尔运算对支具减材处理。

此次研究为方便3D打印操作，在减材区域修剪直径为8.5 mm的圆形孔，不仅增加了透气性，而且减少了材料的消耗，在实际临床诊治中，修剪材料的图形可根据患者要求个性化设计。优化过程及模型效果见图 图6。

通过有限元仿真分析患者虚拟穿戴拓扑优化的支具，获得其脊柱矫形情况。其脊柱位移及支具变形云图见图 图7，胸、腰部侧弯Cobb角分别减小至28°和19.7°，较初始侧弯角度减小了78%和82%，具有较高的矫形效果。

图注：脊柱最大位移为28.4 mm，位于胸部侧弯椎体位置。

图 7 脊柱矫形情况

2.5 打印支具及矫形效果评价 

打印支撑设置、打印实物及患者穿戴见图 图8。

图注：图 A 为 3D 打印切片模型；B 为 3D 打印；C为支具实物模型；D 为患

者穿戴支具。

图8 模型3D打印流程及患者穿戴支具图

患者穿戴支具贴合性较好，且可达到预期矫形效果。通过患者矫形前后X射线片及仿真分析，对比分析患者矫形情况，见图 图9及 表1。穿戴支具后患者的侧凸情况得到一定程度的矫正，由于仿真过程中对模型有简化处理，所以仿真结果较实际矫形度更高。

图注：图 A 为正位片，B 为侧位片。

图9 穿戴支具X射线片

患者穿戴支具满意度评估见表 表2，整体对支具较满意。该支具透气性良好且外形美观，患者穿戴后，与皮肤贴合性较好，侧弯矫正位置疼痛感较轻，可进行弯腰、蹲起等日常活动，且束带可微调松紧度，不影响日常生活。
 

3  讨论 

目前虽然国内外学者对利用计算机技术设计制造支具有所研究，但针对患者体廓脊柱支具轮廓设计及其三维拓扑优化设计尚存在诸多挑战问题。如何实现临床矫形效果、更符合人体学设计且结构强度最优化的个性化脊柱侧凸支具是提高临床矫形治疗效果的关键。此次研究提出快速设计制造脊柱支具的工艺，通过数字医学、计算机辅助设计、3D打印等技术，实现符合人体工程学、结构强度最优化及临床适应性设计的个性化脊柱矫形支具提高目前临床矫形效果。文章通过个性化设计及快速制造支具方法设计制造符合患者矫形需求的支具，经患者穿戴测量，在冠状面和矢状面均可达到矫形目标，并降低了平背等副作用。文章旨在研究达到临床矫形要求，准确设计且定制化生产满足患者需求的支具，以1例患者为例，采用多个通用软件进行设计分析等处理，整个过程方便快捷，并将在后续推广至多名患者进行研究分析，为更多医师及患者提供便捷。脊柱侧凸患者的侧凸类型、侧凸椎体位置、身材等结构均不同，导致支具不能满足个体差异的需求。长期穿戴不合体的支具，易****患者侧凸部位，引起疼痛、压疮等问题，同时影响矫正效果。通过个性化设计及快速制造支具方案，获得满足患者个性化需求的支具，通过拓扑优化增加支具的透气性，降低患者皮肤由于封闭引起的压疮等风险。此外，还可对支具进行光顺等处理，根据患者提供的图案镂空，整个过程操作简便，满足多种需求。由于此次研究的患者样本数据较少，长期疗效并不明确，需要长期随访对照证实其疗效是可靠的。3D打印技术发展迅速，由于是新生技术，在医疗治疗中医生和患者还存在一定的顾虑。随着技术的推广和应用，利用计算机辅

助设计，3D打印个性化医疗器械的前景十分广阔。

编辑: 自信速

文献来源：张玉芳, 关天民, 郭侨阁,等. 基于3D打印技术的个性化脊柱侧弯矫形支具数字化设计[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(36):5824-5829.