骨骼輔助支架及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種支架及制備方法，屬于醫(yī)療器械領域，具體涉及一種骨骼輔助支架及制備方法。該方法運用三維掃描技術(shù)，對患者的受創(chuàng)部位進行三維模型的構(gòu)建，運用3D打印技術(shù)生成支架。在支架的殼體上設置有三角形和/或六邊形的鏤空孔。采用該方法制備的骷骼支架透氣性好，體積輕，重量小，支撐國充足，能夠?qū)崿F(xiàn)輕便、防水及通風的要求，使用更加舒適。
【專利說明】
骨骼輔助支架及制備方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種支架及制備方法，屬于醫(yī)療器械領域，具體涉及一種骨骼輔助支 架及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 骨折是常見的外傷癥狀。大多數(shù)的骨折癥狀在經(jīng)過醫(yī)生的應急處理和復位治療 后，會在原來部位重置并使用鑄型來固定。這些鑄型可以是石膏，玻璃纖維，或其他合成材 料。自19世紀以來，大部分此類技術(shù)和材料沿用至今，并未有顯著改進。盡管這些鑄型在臨 床上可以滿足基本要求，但是此類鑄型在康復及整形外科上還存在一些缺點。
[0003] -般來說，一個典型的手前臂骨折病人會在急診室里被安裝上一個大約重3-4鎊 的石膏或玻璃纖維鑄型支架。這些石膏或玻璃纖維鑄型支架具有很強的隔水性，這使得空 氣不能輕易穿透支架與身體接觸，同時也阻礙了皮膚呼吸作用產(chǎn)生的水汽排出?？祻推趦?nèi)， 密不透氣的治療環(huán)境會使病人承受難以忍受的痛苦，且導致一系列的皮膚病。大量的臨床 病歷顯示，在傳統(tǒng)支架固定康復期間，患者會出現(xiàn)比如皮膚感染，皮疹，瘙癢，灼痛，過敏或 者皮膚軟組織大量死亡的情況。更嚴重的是，由于在受創(chuàng)部位恢復的過程中，傳統(tǒng)的支架由 于是一次成型，厚重且不能觀察到內(nèi)部情況，導致鑄型并不能很好的貼合患者的受創(chuàng)部位， 有時支架壓迫組織從而致使血液循環(huán)不暢，嚴重者甚至可導致組織壞死。
[0004] 為避免以上提到的疾病發(fā)生，如何為病人量身定做一款能夠保持空氣流通和皮 膚干燥，且滿足醫(yī)生要求的鑄型成為了骨骼支加研究的首要任務。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述的技術(shù)問題，提供了一種骨骼輔助支架 及制備方法。本發(fā)明的支架透氣性好，體積輕，重量小，能夠?qū)崿F(xiàn)輕便、防水及通風的要求， 使用更加舒適;并且，可以滿足為病患量身定做符合醫(yī)生要求的骨折輔助支架，能很好的貼 合患者的受創(chuàng)部位，能夠防止支架壓迫組織從而致使血液循環(huán)不暢，防止導致組織壞死;此 外，由于采用了更為現(xiàn)代化的處理方法以賦予產(chǎn)品以更為美觀怡人的形態(tài)，以及更為舒適 的感覺體驗，同時保持當前繃帶模具所體現(xiàn)出的性能。
[0006] 為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種骨骼輔助支架，包括:形 狀與人體待支撐部位相適應的殼體，所述殼體上設置有鏤空孔。
[0007] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架，所述鏤空孔為多個，并且以柵格形式排列；所 述鏤空孔的形狀為:三角形、六邊形中的一種或多種。
[0008] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架，所述殼體分為上殼體和下殼體，所述上殼體設 置有凸起的連接扣，所述下殼體設置有連接帶，所述連接帶上設置有與所述連接扣相匹配 的連接孔。
[0009] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架，所述殼體與人體胳臂形狀相適應，所述殼體上 的單個鏤空孔面積從人體胳臂上端向下依次減小。
[0010] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架，所述殼體的一端設置有手掌出口以及與所述 手掌出口呈一定角度設置的拇指出口。
[0011] 為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種骨骼輔助支架的制備 方法，包括:依據(jù)建立的骨骼支架模型采用3D打印技術(shù)打印骨骼支架，所述骨骼支架模型 的外殼上設置有三角形和/或六邊形的鏤空孔。
[0012] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架的制備方法，所述骨骼支架模型的建立包括以 下步驟：
[0013] 人體建模步驟，用于通過三維模型生成軟件將所獲取的人體圖片信息處理成一個 包括點陣和幾何構(gòu)造圖的人體三維模型，并利用3D制圖軟件對人體模型表面進行平整處 理；
[0014] 外殼生成步驟，用于選取DTM3以及DTM5基準平面，沿著人體三維模型外側(cè)邊緣畫 出人體輪廓曲線并生成外殼，并根據(jù)需要調(diào)整外殼的厚度；
[0015] 鏤空處理步驟，用于在以DTM5為基礎新建立的平行平面上繪制三角形和/或六邊 形的鏤空孔，并讓鏤空孔布滿外殼。
[0016] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架的制備方法，所述鏤空處理步驟中，在以DTM5為 基礎新建立的平行平面上繪制三角形和/或六邊形的鏤空孔后，以孔形結(jié)構(gòu)為基礎在外殼 上打第一排孔，以第一排孔為模板，讓孔形結(jié)構(gòu)布滿模型上半部，以模型上半部為模板，在 模型的下半部分鏡像生成相同的結(jié)構(gòu)。
[0017] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架的制備方法，所述三維打印步驟中將支架模型 分為兩片分別打印，并且在打印得到的兩片支架上分別設置凸起的連接扣以及帶有與所述 連接扣相匹配的連接孔的連接帶。
[0018] 優(yōu)化的，上述的一種骨骼輔助支架的制備方法，所述三維打印步驟中采用橫向打 印方式。
[0019] 因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1.透氣性好，體積輕和重量小，能夠?qū)崿F(xiàn)輕便、防水及 通風的要求，使用更加舒適;2.根據(jù)人體形狀量身定做，可以滿足為病患量身定做符合醫(yī)生 要求的骨折輔助支架，能很好的貼合患者的受創(chuàng)部位，能夠防止支架壓迫組織從而致使血 液循環(huán)不暢，防止導致組織壞死;3.采用更為現(xiàn)代化的處理方法以賦予產(chǎn)品以更為美觀怡 人的形態(tài)，以及更為舒適的感覺體驗，同時保持當前繃帶模具所體現(xiàn)出的性能。
【附圖說明】
[0020] 附圖1是相機視角（field of view or F0V)原理示意圖；
[0021 ]附圖2是Z向環(huán)狀相機陣列示意圖；
[0022]附圖3是Y向環(huán)狀相機陣列示意圖；
[0023]附圖4是Y向環(huán)狀相機陣列的另一種示意圖；
[0024]附圖5三維掃描設備的概念設計CAD模型側(cè)視圖；
[0025]附圖6是Creo Parametric模擬制作的三角形結(jié)構(gòu)方案；
[0026]附圖7是人體模型示意圖；
[0027] 附圖8是模型在Creo Parametric DTM3參考平面下的不意圖；
[0028] 附圖9是模型在Creo Parametric DTM5參考平面下的示意圖；
[0029]附圖10是外殼不意圖；
[0030]附圖11是開口后的外殼示意圖；
[0031 ]附圖12是外殼打開第一排孔后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]附圖13是外殼上半面打孔完成后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]附圖14是打孔完成后的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0034]附圖15是通過連接條連結(jié)后的外殼結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]附圖16附圖15的局部放大不意圖；
[0036]附圖17附圖15的另一種局部放大不意圖；
[0037]附圖18是有限元分析時的支架受力示意圖；
[0038]附圖19是有限元分析時的支架另一種受力示意圖；
[0039]附圖20是豎直打印并進行表面處理的時間和受力圖；
[0040]附圖21是豎直打印并進行表面處理的應力和受力圖；
[0041 ]附圖22是豎直打印不進行表面處理的時間和受力圖；。
[0042]附圖23是豎直打印不進行表面處理的應力和受力圖；
[0043]附圖24是水平打印并進行表面處理的時間和受力圖；
[0044]附圖25是水平打印并進行表面處理的應力和受力圖；
[0045]附圖26是水平打印不進行表面處理的時間和受力圖；
[0046]附圖27是水平打印不進行表面處理的應力和受力圖。
[0047]圖中，1-相機/攝像頭陣列。
【具體實施方式】
[0048] 下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。
[0049] 實施例：
[0050]本實施例采用三D打印法來進行骨骼支架的生產(chǎn)。使用三維掃描和增材制造的方 法可以滿足為病患量身定做符合醫(yī)生要求的骨折輔助支架的這一要求。選擇合適的材料進 行3D打印的鑄型，能夠?qū)崿F(xiàn)輕便、防水及通風的要求。在外型方面，也可根據(jù)病人的要求有 不同的顏色選擇。
[0051] 本實施例的骨骼輔助支架的制備方法包括：人體掃描、支架建模、三維打印等步 驟，下面分別介紹這幾個步驟，并且利用有限元分析和實物測試對實施例結(jié)果進行測試。
[0052] 1、人體掃描
[0053]在設計三維打印骨折固定外支架之前，需要對患者的骨折部位進行三維掃描。通 過對患者受創(chuàng)部位的三維掃描，可以獲得必要的三維數(shù)據(jù)并生成掃描部位的三維模型。運 用獲取到的三維數(shù)據(jù)及模型，可以進行定制化的骨折固定外支架的設計和3D打印?，F(xiàn)階 段，針對手前臂骨折這一特定骨折案例，有多種三維掃描方案可供使用。
[0054]專業(yè)三維掃描設備指的是使用三維掃描儀(3D Scanner)進行人體的三維掃描。通 過三維掃描儀，可以直接掃描患者的受創(chuàng)部位從而生成該創(chuàng)傷部位的三維模型。目前的專 業(yè)掃描設備主要有以下幾種：
[0055] (l)Artec Eva 3D Scanner
[0056] Artec Eva三維掃描儀是為需要快速、準確以及紋理掃描的客戶量身定做的三維 掃描儀。該掃描儀具有不需要對物體進行標記或校準的特點。掃描過程中，Artec Eva三維 掃描儀可以迅速地用高分辨率捕獲物體外形，并可以真實還原物體鮮艷的色彩。Artec Eva 三維掃描儀的工作原理類似于一臺配有三維捕獲功能的攝影機。掃描儀最高的可以達到16 幀每秒的捕獲精度。所獲得每一幀圖像可以自動校準對齊，使整個3D掃描過程變得簡單快 捷。這種特點對于特效制作、醫(yī)學應用以及生物力學的研究尤為重要，可以廣泛的應用到CG 動畫制作、現(xiàn)場取證、醫(yī)藥等行業(yè)。
[0057] (2)NextEngine 3D Laser Scanner
[0058] NextEngine 3D Laser Scanner是一種三維激光掃描儀，可以通過激光捕捉更加 細節(jié)的信息，在工業(yè)生產(chǎn)以及醫(yī)療教育行業(yè)中廣泛使用。NextEngine具有獨家的多激光技 術(shù)(Multi-Laser Technology)，可以提供卓越的三維掃描精確度和保真度。
[0059] (3)3D3-HDI Advance Scanner
[0060] 3D3-HDI Advance Scanner是一種三維光學掃描儀，該掃描儀采用了一對單色CCD FireWire攝像頭及12.5mm鏡頭。通過一臺白光投影儀，該掃描儀將參考圖案投射到掃描物 體上以獲取必要的信息并通過攝像頭捕捉這些數(shù)據(jù)。
[0061] (4)3D3-HDI Advance Scanner
[0062] 除了使用與使用專業(yè)的三維掃描設備，通過照片捕捉并借助相關(guān)軟件（Photo Capturing and Scanning)亦可生成所需的三維模型。與借助三維掃描設備獲取三維信息 的方法不同，Photo Capturing and Scanning是通過對掃描物體環(huán)繞拍照的方式，獲取對 象物體必要的信息，通過后期的軟件處理生成三維模型的三維掃描方案。目前，可以使用 Autodesk公司的"123D Catch"和Agisoft公司的"Agisoft PhotoScan"這兩款軟件生成三 維模型。
[0063]相比使用專業(yè)的掃描設備，拍照掃描的方式具有獲取數(shù)據(jù)更加快速與便捷，患者 需要承載的負擔更小，醫(yī)院相關(guān)人員學習成本更低等特點。由于人體手臂在掃描過程中并 非完全靜止，若使用傳統(tǒng)的三維掃描儀，整個掃描過程所需時間較長，極易發(fā)生由于患者被 掃描手臂移動所導致的三維掃描不準確。而拍照掃描的方式則是通過"相機拍攝一軟件處 理一生成模型"的流程，拍攝流程和三維處理流程相對獨立，患者只需參與最初拍攝流程， 無需等待后續(xù)的數(shù)據(jù)處理過程。通過預先設置好的軟件，相機拍攝所獲取的圖像可以直接 被處理，經(jīng)過處理后的圖像數(shù)據(jù)將生成對應的三維模型并且直接用以骨折固定外支架的設 計與制作。
[0064]同時，為了更快速地獲取掃描物體的照片圖像，本實施例采用了Multi-cameras Photo Capture的方式，即同時連接多臺相機通過計算機統(tǒng)一處理并拍攝。通過使用該方 法，在拍攝過程中，多臺相機可以同時捕捉圖像，在最短的時間內(nèi)這些相機便可完成多角度 的環(huán)繞拍攝。在一分鐘之內(nèi)便可完成環(huán)繞拍攝，拍攝所獲得圖像將直接傳送至電腦并導入 三維處理軟件。
[0065]通過拍攝照片并運用大量照片所提供的信息來生成三維模型的方法高度依賴高 質(zhì)量的照片以及三維模型生成軟件的可靠性。以Agisoft公司的"Agisoft PhotoScan"三維 模型生成軟件為例，該軟件可以完全通過所提供的大量照片進行三維重構(gòu)。進行三維重構(gòu) 時，該軟件對相機所拍攝的照片有著諸多要求，相機的光圈、焦距、景深等參數(shù)以及被掃描 對象的材質(zhì)和掃描環(huán)境都需要考慮在內(nèi)。當拍攝照片時，被掃描物體不可以是透明、反光、 玻璃材質(zhì)的物體，同時被掃描物體不可移動。被掃描物體所處的掃描環(huán)境需要有相對穩(wěn)定 持續(xù)的光源，作為參照的背景同樣不能出現(xiàn)透明反光的現(xiàn)象并且需要與被掃描物體形成一 定識別度。
[0066] 除了被掃描物體本身和掃描環(huán)境的要求，相機的參數(shù)同樣影響三維模型生成的精 確度。在理想條件下，使用高像素的單反數(shù)碼相機配合定焦鏡頭在低感光度和小光圈的條 件下可以輸出符合軟件要求質(zhì)量較高的照片。例如，使用尼康D800和尼康D7100兩臺單反數(shù) 碼相機，在35mm的定焦鏡頭配合下使用，所生成的照片在進行過畸變處理后可以完全滿足 "Agisoft PhotoScan"的要求。然而，使用單反數(shù)碼相機帶來的高成本和單反數(shù)碼相機自身 的一些局限（如多臺單發(fā)數(shù)碼相機的同時控制和拍攝以及單反相機陣列所占用的空間）使 得操作較為復雜。
[0067] 在相機拍攝過程中，景深（The depth of field，D0F)、視角（field of view, FOV)、光圈以及傳感器尺寸是控制一張照片的幾個基本變量。控制以上這幾個參數(shù)便可推 導出符合三維掃描軟件的最低相機參數(shù)要求。
[0068] 本實施例采用1/2.5英寸(5.76mmX4.29mm)的傳感器尺寸(傳感器的面積)作為參 數(shù)要求，該尺寸的傳感器廣泛的運用于網(wǎng)絡攝像頭、手機鏡頭和各種相機組件之中，便于獲 取且價格相對低廉。針對改尺寸的的傳感器，項目團隊將光圈固定在f/2.8以便于測試。其 中，f為光圈值，光圈f值=鏡頭的焦距/光圈口徑，光圈越大進光量越大，景深越小，f值越 小。
[0069] 在確定了傳感器尺寸以及光圈大小后，需要對景深和視角的參數(shù)進行測算和實際 測試。景深是指相機對焦點前后能生成清晰圖像的范圍，在固定傳感器尺寸和光圈的條件 下，相機與被拍攝物體之間的距離成為了計算和測試的變量。在現(xiàn)有的參數(shù)條件下，相機與 被拍攝物體之間的最短距離約為4英寸。為保證生成清晰的圖像，在具體實施時，增加了額 外的1英寸寬容空間。
[0070] 由于在拍攝所得的大量照片中，三維生成軟件要求各相鄰照片之間需要有一定的 內(nèi)容重復率(overlap)，在測算和確定完上述的參數(shù)之后，需要計算改參數(shù)條件下相機的視 角，即相機所拍攝圖像的角度范圍，如圖1所示。
[0071] -般情況下，相機的視角可以從下列公式中求出：
[0072]
[0073]其中，d代表所采用的傳感器尺寸，f代表相機與被拍攝物體之間的最短距離。經(jīng)過 計算在給定的參數(shù)下，相機水平方向的視角約為70.17度，豎直方向的視角約為55.23度，對 角線方向的視角則為82.41度。
[0074] 針對"通過照片捕捉并借助相關(guān)軟件完成三維掃描（Photo Capturing and Scanning)"的方案，本實施例采用兩種方式進行三維掃描設備的設計，分別介紹如下。
[0075] (1)Z向環(huán)狀相機陣列：
[0076] 本方案將多臺數(shù)碼相機通過固定支架固定，在xy平面上沿著豎直的z軸形成兩個 環(huán)狀相機陣列，如圖2所示。掃描時手臂將放置與兩個環(huán)狀相機陣列中間，與陣列保持相對 平行，位于手臂上下兩側(cè)的相機陣列將分別捕捉手臂兩側(cè)的360度全方位圖像。
[0077] 運用兩臺單反數(shù)碼相機分別模擬兩個環(huán)狀相機陣列中某一固定機位，運用多相 機控制軟件，通過移動兩臺相機的機位對一個預設好固定靜止的手臂模型進行拍攝。經(jīng)過 測試，在光線相對恒定且背景干擾較少的情況下，收集約16張左右的手臂全方位圖像(上下 兩相機陣列各拍攝約8張圖像）即可生成精確度滿足支架制作要求的手臂三維模型。該方案 的優(yōu)點在于相同掃描質(zhì)量的情況下所使用的相機數(shù)量較少，且定位于支架上的相機可按需 求移動，有利于今后對不同人體部位的掃描測試。但同時該方案也有著一定缺陷，如每個環(huán) 狀相機陣列占用的空間較大(環(huán)狀陣列的半徑約一米)導致整個設備將占用較大空間。同時 該方案對掃描場地的環(huán)境要求(光源、參照背景等)也較高，不穩(wěn)定的光源或背景干擾極易 導致掃描失敗。
[0078] (2)Y向環(huán)狀相機陣列：
[0079] 本方案改變了兩個環(huán)狀相機陣列的整體位置，如圖4所示，兩個環(huán)狀相機陣列將在 xz平面(豎直方向）上沿著y軸(水平線)設置。掃描時，手臂將穿過兩個陣列，兩個相機陣列 上的相機將從其固定機位上捕捉圖像，所收集的圖像將直接傳送至單臺電腦集中處理。不 同于Z向環(huán)狀相機陣列的方案，此方案對每張照片間的內(nèi)容重復率要求較高，現(xiàn)階段測試所 得的照片間的內(nèi)容重復率(overlap)約為80%以上。與此同時，為了適當縮小環(huán)狀陣列的半 徑以及提高掃描精確度，該方案需要需要收集約24張不同位置的手臂圖像（即每個陣列搭 載12臺相機)每臺相機之間的間隔角度約為30度。
[0080] 為了進一步集成和縮小掃描設備的體積和規(guī)模，可以縮小環(huán)狀陣列的半徑，縮小 后的環(huán)狀陣列半徑為8.25英寸，為了保證照片間的內(nèi)容重復率(overlap)約為80%以上，在 每個陣列搭在12臺相機的前提下，環(huán)狀相機陣列由原來的兩個增加為4個，如圖4-5所示，最 大掃描長度為20英寸，可涵蓋幾乎所有的使用人群，每一個陣列環(huán)包含12臺高清攝像頭或 集成相機組件（圖中圓孔位置)相機間間隔角度為30度，各相機矩陣環(huán)之間的間隔為5英 寸。該方案將一次性拍攝48張患者手臂不同部位的照片，這些照片將包含手前臂的每一個 分段，達到三維重構(gòu)處理所需的要求。
[0081] 為確?；颊呤直凵烊朐O備后正好位于各陣列環(huán)的中心位置，每一個環(huán)上將加裝近 距離傳感器(proximity sensor)用以探測手臂與相機的距離。與此同時，作為外部支撐，將 有一個獨立的支架支撐患者被掃描手臂的后端以此輔助支撐和定位。
[0082] 2、支架建模
[0083]在建立支架模型前，首先要建立人體待支撐部位的三維模型。本實施例中，通過使 用Agisoft PhotoScan三維模型生成軟件，所獲取的圖片信息被處理成一個由點陣和幾何 構(gòu)造圖構(gòu)成的三維模型。該三維模型雖具有較完整的表面信息，但由于此時的三維模型并 非實體模型(solid model)，所以仍需進行一些后續(xù)三維模型處理工作。
[0084] 為了讓制模軟件Creo Parametric能夠使用生成的初始文件，由Agisoft PhotoScan導出的文件還需轉(zhuǎn)成Creo Parametric專用的.prt文件。項目團隊首先需要考慮 通過掃描儀取得的數(shù)據(jù)在幾何構(gòu)造上可能存在漏洞和縫隙的問題。為了解決這一問題，需 要固化三維模型的表面部分。通過使用Meshlab軟件可以將初期導出模型存在的漏洞和縫 隙填上。同樣使用Meshlab或者Rhinocero軟件可以細化模型并且是模型形成實體三維模 型。在完成三維模型的細節(jié)處理和固化后，最后使用FreeCAD軟件來將文件從初始的.stl格 式轉(zhuǎn)化為所需要的.prt格式版本。
[0085]針對骨折輔助支架的結(jié)構(gòu)和外觀設計，可以采用兩種方式。分別介紹如下：
[0086] (1)桁架式支架
[0087] 本方案結(jié)合了現(xiàn)實生活中經(jīng)常出現(xiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造。采用桁架橋可以分散整個結(jié) 構(gòu)的壓力，以至于任何一個單獨的橫梁不會承受過多的壓力的特點。本方案模仿橋梁結(jié)構(gòu) 的骨折輔助支架設計。該設計方案可以在Creo Parametric制作模型時將支架模型圍繞手 臂三維模型進行復制，同時稍加改變和調(diào)整，便可生成大量尺寸相似的三角形構(gòu)成的三角 形結(jié)構(gòu)支架，病人就可以將受創(chuàng)的手前臂放入該支架模型里，如圖6所示。
[0088] (2)六邊形支架
[0089] 六邊形結(jié)構(gòu)設計來源于自然界中常見的蜂窩結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的三角形結(jié)構(gòu) 有著相似的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在之后的有限元分析中，六邊形結(jié)構(gòu)有多項參數(shù)優(yōu)于三角形結(jié)構(gòu)。 并且六邊形結(jié)構(gòu)在輔助支架模型設計及后期的3D打印中，其獨特的結(jié)構(gòu)可以節(jié)省較多的打 印材料，這在成本控制上有著更好的表現(xiàn)。
[0090] 下面，本實施例重點描述六邊形支架的制作過程。
[0091] (1)輔助支架CAD設計
[0092] 將3D掃描的結(jié)果導入到3D制圖軟件Creo Parametric 2.0,能得到一個如圖8所示 的手臂模型，考慮到掃描過程中出現(xiàn)的偏差所造成的凹凸不平，在進行操作之前可進行額 外的處理以保證手臂模型基本平整，如圖7所示。
[0093]不同于Creo通常制圖的是，導入的模型并沒有現(xiàn)成的三維平面可供參考。因此，需 要制圖者選點建立參考平面。
[0094] 在此，利用平面DTM3大致將手臂模型分為左右兩個部分，利用平面DTM5大致將手 臂模型分為上下兩個部分，如圖8-9所示。當建立一個平面的時候，可以這個平面為基準，根 據(jù)需要建立與之平行、垂直或者有特定夾角的其他平面。
[0095] 選取DTM3以及DTM5并以此平面為基準制圖，Creo能夠在制圖過程中繪制曲線，沿 著手臂模型外側(cè)邊緣畫出4條曲線(每個平面各畫兩條），分別為上下左右四條曲線。
[0096]選定之前繪制的4條曲線，使用Boundary Blend指令生成外殼，如圖10所示，外殼 的厚度可以根據(jù)需要進行調(diào)整(過份加厚可能會導致系統(tǒng)錯誤而無法生成）。
[0097]考慮到在實際應用中，病人大拇指部分需要有一定的活動空間，因此上圖中拇指 部分不能夠是封閉的，因此將模型的大拇指部分移除留下開口，如圖11所示。
[0098]在使用Boundary Blend并且加厚的過程中，所有的邊角都是自動認定問90度，因 此打磨模型的邊角，以提高實際使用時的舒適度：
[0099] DTM5是一個將手臂模型分成上下兩個部分的平面，以DTM5為基礎建立一個平行平 面，并且在這個新的平面上繪制六邊形結(jié)構(gòu)圖，之后使用Extrude remove指令，在外殼上打 第一排孔，如圖12所示。
[0?00]使選定剛剛完成的第一排孔，使用Pattern指令，讓六邊形結(jié)構(gòu)布滿模型上半部如 圖13所示。模型上下部分的孔結(jié)構(gòu)是相同的，因此可以使用Mirror指令，讓相同結(jié)構(gòu)對稱分 布在模型下半部分。
[0101] (2)輔助支架的接合
[0102] 在實際使用的時候，支架至少要分成上下兩片(或者更多）生產(chǎn)使用，為了有效的 將上下兩片牢固連接在一起，模型采用如圖15-17所示的設計。
[0103] 在連接處運用到了橡膠的可變形性質(zhì)?，F(xiàn)有的3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠打印一些軟性 材料，比如尼龍以及軟性PLA等等，因此可以用來作為上下片之間的連接帶。在測試中，用硬 PLA打印出的兩片紅色長條，上面各有一排半圓柱體，白色的軟PLA則有對應間距的圓孔。將 連接帶嵌入預留的凹槽，極大的摩擦力能夠確保連接帶將上下片牢固的結(jié)合在一起。而且 在實際使用中，也不會那么容易取出，從而避免意外(特別是未成年病人)發(fā)生。
[0104] 3、三維打印
[0105]整體模型完成之后，以之前所提到的DTM5為分界線，移除任意半片保留另外半片， 存為STL格式文件以備打印。
[0106] 4、有限元分析
[0107]有限元分析利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬。在利用3D打印機打印 最終樣板原型以及成品之前，產(chǎn)品需要在電腦軟件上進行有限元分析來模擬各種可能發(fā)生 的情況(撞擊，壓縮，彎曲），從而得出該產(chǎn)品能夠接受的最大承受力。
[0108] (1)分析條件
[0109] 材料:采用的是ABS plastic，具體的各項參數(shù)如下所示：
[0110]表1:分析條件1
[0111]
[0112]
[0113]由于最常也是最容易發(fā)生在產(chǎn)品上的力大部分都集中在產(chǎn)品的前端。所以在有限 元分析中，我們將會模擬產(chǎn)品的前端（即手心手背處)產(chǎn)生一個大小不同的力。固定點將設 置為產(chǎn)品的末端，如圖18所示。在本次有限元分析中，我們將會改變力的大小從而得出該產(chǎn) 品最大能夠承受的壓力。
[0114] (2)不同受力情況測試結(jié)果
[0115] 對產(chǎn)品施加了四組力（1 · 44KG，4KG，7KG)得出了不同的結(jié)果。
[0116] 根據(jù)ABS plastic材料的特性，該材料最大能夠承受的壓力是在60MPa到64.5MPa 之間。以此可以看出三次有限元分析都符合材料的要求并且在承受該應力之下不會發(fā)生形 變。但是由于電腦模擬與真實的情況有很大的差異。我們將會加入一個安全系數(shù)來保證有 限元分析的準確性。因此，默認材料能夠承受的應力在40MPa到45MPa之間。所以根據(jù)有限元 分析的結(jié)果可以得出，該產(chǎn)品在該模擬條件下，能夠承受的最大力在39.2牛到49牛之間。
[0117] (3)三角形結(jié)構(gòu)與六邊形結(jié)構(gòu)對比
[0118]單從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性出發(fā)，三角形結(jié)構(gòu)和正六邊形結(jié)構(gòu)各有自己的優(yōu)勢與劣勢。三角 形在承受正切于產(chǎn)品平面的壓力的時候具有較高的穩(wěn)定性，正六邊形則更容易發(fā)生形變甚 至產(chǎn)生裂痕。然而，正六邊形能夠承受比三角形更大的來自垂直于平面的壓力。
[0119]從產(chǎn)品材料使用上，如果想要覆蓋相同的面積，正六邊形所需要的材料比三角形 要少得多，因此可以減少不少的打印時間，從而減低了生產(chǎn)成本。
[0120]從產(chǎn)品可靠性來看，由于護具所受到的大部分力和壓力都來自于外界，也就是垂 直于平面的力與壓力，所以可以得出正六邊形結(jié)構(gòu)將會更適合該產(chǎn)品，因此我們決定用正 六邊形結(jié)構(gòu)來填充產(chǎn)品。我們將用有限元分析來證實我們的猜想。
[0121] 有限元分析的邊界條件與之前的測試類似，測試材料采用的是ABS plastic，各參 數(shù)如下所示：
[0122] 表2:分析條件2
[0123]
[0124] 常也是最容易發(fā)生在產(chǎn)品上的力大部分都垂直于產(chǎn)品。所以在有限元分析中，我 們將會在正六邊形平面與三角形平面上模擬一個垂直于平面的力如圖。固定點將設置為平 面的的四周。在本次有限元分析中，我們將會對比兩個平面在承受相同的力的時候所承受 的壓力以及力的分布。模擬的前提條件如圖19所示。
[0125] 在承受相同的力的情況下，正六邊形結(jié)構(gòu)更夠?qū)⒘Ω玫姆植荚谄矫嫔?，并且?面所承受的壓力遠小于三角形結(jié)構(gòu)所承受的壓力。
[0126] 5、實物測試
[0127] 為進一步驗證設計的機械特性，以及在實際應用中3D打印材料的表現(xiàn)特性，我們 從兩方面進行了機械測試。
[0128] 首先使用UltiMaker 3D打印機獲得四個樣品，其中兩個使用豎直方向打印成型， 另外兩個使用橫向打印的方式成型。隨后，各取一個樣品，加熱丙酮至沸騰，懸掛樣品至同 樣高度，使其浸在丙酮蒸汽中，在通風櫥內(nèi)進行表面處理。
[0129] 測試得到應變化曲線如圖20-27所示。從圖中可以得出橫向打印并且未做過表面 處理的樣品具有更高的材料強度，能夠承受更大的載荷而不發(fā)生形變以及斷裂。
[0130] 但是由于最終產(chǎn)品將面向市場，而且未經(jīng)處理的產(chǎn)品將會對用戶的體驗造成很大 的影響，所以我們最終使用一個權(quán)重分析表來得出最終的打印方法：
[0131] 表3:最優(yōu)打印方法參數(shù)
[0132]
[0133] ~從權(quán)重分析表里可以看出，橫向打印以及表面處理的產(chǎn)品將會是我們的最優(yōu)選^ 擇。
[0134] 本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領 域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替 代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種骨骼輔助支架，其特征在于，包括:形狀與人體待支撐部位相適應的殼體，所述 殼體上設置有鏤空孔。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種骨骼輔助支架，其特征在于，所述鏤空孔為多個，并且以 柵格形式排列;所述鏤空孔的形狀為:三角形、六邊形中的一種或多種。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種骨骼輔助支架，其特征在于，所述殼體分為上殼體和下殼 體，所述上殼體設置有凸起的連接扣，所述下殼體設置有連接帶，所述連接帶上設置有與所 述連接扣相匹配的連接孔。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種骨骼輔助支架，其特征在于，所述殼體與人體胳臂形狀相 適應，所述殼體上的單個鏤空孔面積從人體胳臂上端向下依次減小。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種骨骼輔助支架，其特征在于，所述殼體的一端設置有手掌 出口以及與所述手掌出口呈一定角度設置的拇指出口。6. -種骨骼輔助支架的制備方法，包括:依據(jù)建立的骨骼支架模型采用3D打印技術(shù)打 印骨骼支架，其特征在于，所述骨骼支架模型的外殼上設置有三角形和/或六邊形的鏤空 孔。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種骨骼輔助支架的制備方法，其特征在于，所述骨骼支架模 型的建立包括以下步驟： 人體建模步驟，用于通過三維模型生成軟件將所獲取的人體圖片信息處理成一個包括 點陣和幾何構(gòu)造圖的人體三維模型，并利用3D制圖軟件對人體模型表面進行平整處理； 外殼生成步驟，用于選取DTM3以及DTM5基準平面，沿著人體三維模型外側(cè)邊緣畫出人 體輪廓曲線并生成外殼，并根據(jù)需要調(diào)整外殼的厚度； 鏤空處理步驟，用于在以DTM5為基礎新建立的平行平面上繪制三角形和/或六邊形的 鏤空孔，并讓鏤空孔布滿外殼。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種骨骼輔助支架的制備方法，其特征在于，所述鏤空處理步 驟中，在以DTM5為基礎新建立的平行平面上繪制三角形和/或六邊形的鏤空孔后，以孔形結(jié) 構(gòu)為基礎在外殼上打第一排孔，以第一排孔為模板，讓孔形結(jié)構(gòu)布滿模型上半部，以模型上 半部為模板，在模型的下半部分鏡像生成相同的結(jié)構(gòu)。9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種骨骼輔助支架的制備方法，其特征在于，所述三維打印步 驟中將支架模型分為兩片分別打印，并且在打印得到的兩片支架上分別設置凸起的連接扣 以及帶有與所述連接扣相匹配的連接孔的連接帶。10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種骨骼輔助支架的制備方法，其特征在于，所述三維打印 步驟中采用橫向打印方式。
【文檔編號】A61F5/01GK105997319SQ201610390046
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】周功耀, 費逸凡
【申請人】上海德稻集群文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)（集團）有限公司