【摘要】：研究背景：3D打印(Three Dimensional Printing,3DP)技術(shù),也稱三維打印技術(shù),增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing, AM)是它的另一種特殊的稱呼,它是快速成形技術(shù)其中Rapid Prototyping, RD的一種。美國材料與試驗協(xié)會American Society for Testing Materials, ASTM)將它定義為是“使用逐層制造方式將材料結(jié)合起來的,一種與傳統(tǒng)材料去除加工方法相反的工藝,且完全基于三維數(shù)字模型”。因為與當前計算機建模領(lǐng)域“3D”設(shè)計的概念非常契合,人們又將該項技術(shù)通俗地稱之為“3D打印”技術(shù),二者均表示同一概念。2010年,奧巴馬就任美國總統(tǒng)的第二年,敦促國會立法通過了《制造業(yè)再生法案》,以刺激美國制造業(yè)的創(chuàng)新與增長,誘導制造業(yè)重新向美國回流,解決2008年金融危機以來,人口失業(yè)率的增加與出口的疲弱。當時受全球金融危機影響,美國制造業(yè)在國內(nèi)生產(chǎn)總值(Gross Domestic Product, GDP)的比重僅為12%,但卻占美國對外出口總量的50%上。兩年后,“重振美國制造業(yè)計劃”由奧巴馬又一次提出,設(shè)立了一個名稱為國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”The National Network for Manufacturing Innovation, NNMI)的項目。該網(wǎng)絡(luò)由15所區(qū)域性制造業(yè)創(chuàng)新研究機構(gòu)組成,旨在通過“政府-企業(yè)-大學”合作方式,加強制造業(yè)創(chuàng)新與美國制造業(yè)全球競爭力,其中3D打印列為優(yōu)先資助范疇。此舉與1993年克林頓政府的“信息高速公路計劃”由異曲同工之妙,后者使美國在今日互聯(lián)網(wǎng)信息科技領(lǐng)域獨占鰲頭。通過一系列的措施,美國經(jīng)濟強勁復(fù)蘇,2014年第三季度GDP增幅高達5.0%,徹底走出了2008年以來的經(jīng)濟危機。如今,美國的“制造業(yè)回歸戰(zhàn)略”對我國勞動力密集型產(chǎn)業(yè)構(gòu)成嚴重威脅,這也變相倒逼我國制造業(yè)向知識密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型,醫(yī)用3D打印領(lǐng)域就是中美兩國爭奪的一技術(shù)“戰(zhàn)略要地”。因此,對該領(lǐng)域的研究有重要戰(zhàn)略意義,刻不容緩。從全球范圍來看,該項技術(shù)萌芽于20世紀80年代末,但真正進入快速發(fā)展階段確是在2010年左右,中國從上世紀90年代就引入該項技術(shù),在該技術(shù)的研究并不落后。2012年,亦被稱為“3D打印元年”,是3D打印市場從萌芽期進入成長期的轉(zhuǎn)折點。美國Stratasys與以色列Objet兩大公司宣布在3D打印業(yè)務(wù)方面進行合并,其作為當年的一個重大事件,載入史冊。兩個公司聯(lián)姻后,達到了30億美元的市場價值,上百萬件產(chǎn)品在當年打印了出來,一共發(fā)展了15萬個會員,美國的3D打印領(lǐng)域達到初步產(chǎn)業(yè)化。2012年4月,英國《經(jīng)濟學人》雜志發(fā)表專題文章,指出了當今全世界范圍內(nèi),制造業(yè)領(lǐng)域正在爆發(fā)“第三次工業(yè)革命”。這是一場互聯(lián)網(wǎng)、新材料、新能源相結(jié)合的新興的工業(yè)革命,“數(shù)字化制造”是它的靈魂,全球技術(shù)要素與市場要素配置方式都發(fā)生了顛覆。以“第三次工業(yè)革命的重要標志”的3D打印技術(shù),被認為是新一輪產(chǎn)業(yè)大變革的關(guān)鍵“催化劑”,全世界的工商業(yè)界都十分看好這個領(lǐng)域。作為具有前沿性、先導性的新興技術(shù),3D打印技術(shù)正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革。“靈活制造”和“原材料的極大節(jié)約”是3D打印技術(shù)掀起地另一場革命。種類繁多、批量小、高價原材料、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)制造是其卓越的優(yōu)勢。所以,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療有巨大的空間。4D打印技術(shù)于2013年2月,由青年科學家Skylar Tibbits在美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)公布,這是一種將想要的性狀編程直接通過打印輸入材料當中,不需要借助其他復(fù)雜的機電設(shè)備,打印出物體會“自動”地出現(xiàn)。此消息引起了整個3D打印界的高度關(guān)注,與之相關(guān)概念的高科技公司的股票也出現(xiàn)大幅上漲。外骨骼(exoskeleton)是一個生物學的專業(yè)詞匯,指的是為甲殼類或昆蟲類生物提供堅硬的外部結(jié)構(gòu),用以保護和支持生物體的類似人類骨骼的結(jié)構(gòu)。2000年,美國軍方研究機構(gòu),制定了一項令人耳目一新的“增強人體機能的外骨骼研究項目”(Exoskeletons for Human Performance Augmentation, EHPA)。其中的研究包含外骨骼機器人裝置(Exoskeleton Robotic Device),這是一種將人工智能與機械動力裝置結(jié)合為一體的機器人系統(tǒng)。從此,外骨骼裝置的研究與開發(fā),逐漸在全球范圍開始被越來越多的關(guān)注。由于外骨骼系統(tǒng)可用于提供保護身體、支撐患肢等功能,還能在醫(yī)師的控制下輔助患者完成一定的肢體功能鍛煉和其他任務(wù),因此,在肢體功能障礙患者的輔助功能鍛煉過程中的醫(yī)療應(yīng)用逐漸增多。此外,外骨骼機器人裝置在軍事上,單兵作戰(zhàn)裝備領(lǐng)域的研發(fā),也獲得廣泛應(yīng)用,值得醫(yī)學科研人員的借鑒與思考。中醫(yī)正骨小夾板外固定是具有中國特色的骨折治療方法,它從“動靜結(jié)合”、“筋骨并重”的觀點出發(fā),巧妙運用了夾板彈性-壓墊加壓的生物力學。如此,取得了骨折的愈合與功能的恢復(fù)同步的良好療效,并且把骨折復(fù)位、固定、功能鍛煉完美地統(tǒng)一在一起。但由于傳統(tǒng)的夾板制作規(guī)范不統(tǒng)一、選材局限(柳木、杉樹皮等)、外觀粗糙原始、不夠綠色環(huán)保、制造均為手工操作、內(nèi)敷藥物刺激皮膚等,均給該項技術(shù)的學習與應(yīng)用推廣造成困難。目前,人們對樹木的砍伐日益嚴重,有“地球綠肺”之稱的森林面積大幅減少,空氣質(zhì)量惡化,從保護森林,保護大自然母親的角度出發(fā),也有必要尋找開發(fā)有機、可回收再循環(huán)使用的新型替代材料。如果將中醫(yī)正骨小夾板外固定,運用計算機輔助設(shè)計進行數(shù)字化虛擬建模,并對小夾板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外觀形態(tài)進行設(shè)計、在虛擬應(yīng)力下進行材料的計算機有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)、生物力學測試；將小夾板外固定的各種參數(shù)量化,對操作部位、操作步驟,標準化、規(guī)范化、定量分析,最終用3D打印的方式制做出來。這樣數(shù)字化的3D打印小夾板就非常容易進行學習與推廣應(yīng)用,其治療療效與其他療法之間的差異就能得到正確的評價,治療效果就更加能夠被業(yè)界認可。夾板的數(shù)字化、量化研究還可以界定外固定治療時的各項生物力學與材料學參數(shù),尋找到更好的新型替代材料(甚至添加藥物成分),讓外固定既能達到治療目的,避免外固定不當造成的損傷,提高外固定治療時的安全性,又為進一步開發(fā)更先進的4D打印智能外骨骼機器人系統(tǒng)積累實驗參數(shù)。本項課題采用計算機虛擬建模、有限元分析和生物力學研究方法,擬對Colles骨折實施手法復(fù)位后兩夾超腕固定小夾板的各項參數(shù)進行測量并定量分析,將傳統(tǒng)的中醫(yī)正骨小夾板技術(shù)進行數(shù)字化建模與客觀量化,同時探索新型3D打印小夾板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、外部形態(tài)、材料選擇等優(yōu)化設(shè)計,建立3D打印小夾板外骨骼從軟件到硬件的完整系統(tǒng),為3D打印技術(shù)在醫(yī)用外固定器械產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用做出努力。目的：1.對30例Colles骨折患者的患肢,同一操作者實施手法復(fù)位后四塊夾板超腕固定的傳統(tǒng)杉樹皮小夾板進行的力學參數(shù)進行測量并對與之相關(guān)的患者相關(guān)參數(shù)進行統(tǒng)計分析。2.對45例Colles骨折患者的患肢,不同操作者實施手法復(fù)位后四塊夾板超腕固定的傳統(tǒng)杉樹皮小夾板進行的力學參數(shù)進行測量并對與之相關(guān)的患者相關(guān)參數(shù)進行統(tǒng)計分析。3.根據(jù)CT掃描獲得的影像資料,運用計算機三維建模軟件Solidworks 2012建立常規(guī)虛擬數(shù)字化小夾板模型,并運用Ansys9.0軟件進行有限元分析,并對數(shù)字化小夾板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外觀形態(tài)進行外骨骼優(yōu)化。4.選擇尼龍玻璃纖維、光敏樹脂材料應(yīng)用3D打印機打印制造數(shù)字化小夾板并進行比較。5.根據(jù)小夾板的生物力學測定參數(shù),運用Solidworks軟件計算機建模方法對數(shù)字化3DP小夾板對骨折部位的生物力學狀況做有限元分析,了解新型小夾板外固定對骨折治療的機制。方法：1、同一名醫(yī)師在傳統(tǒng)小夾板固定時,各項測量的參數(shù)與影響因素的研究。運用游標卡尺、直尺測量、皮尺等工具,分別測量30例colles骨折患者的患腕周徑,應(yīng)用Tekscan多通道單點測力采集系統(tǒng)的薄膜壓力傳感器,測量傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠端壓墊下壓力(簡稱：背側(cè)壓力)、傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠端壓墊下壓力(簡稱：掌側(cè)壓力),并對30例患者的采集的資料進行統(tǒng)計分析。采集并分析影響小夾板操作的因素,包括：性別、年齡、體重指數(shù)、健腕周徑、患腕周徑、受傷時間等。2、不同操作者傳統(tǒng)小夾板固定的在體力學測量、各項參數(shù)和操作特征與影響因素的研究。運用游標卡尺、直尺測量、皮尺,分別測量45例colles骨折患者的患肢腕部周徑,應(yīng)用Tekscan多通道單點測力采集系統(tǒng)的薄膜壓力傳感器,測量傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠端壓墊下壓力(簡稱：背側(cè)壓力)、傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠端壓墊下壓力(簡稱:掌側(cè)壓力),并對45例患者的采集的資料進行統(tǒng)計分析。采集并分析可能影響小夾板操作的因素,包括：患者的性別、身體高度、年齡、體重、體重指數(shù)(BMI)健腕周徑、患腕周徑、受傷時間、患腕腫脹程度。3、患肢前臂三維數(shù)字化與實體模型的重建：前臂三維數(shù)字化模型的重建：選取1例左側(cè)健康男性的前臂,年齡30歲,簽署知情同意書后進行電子計算機斷層攝影(Computed Tomography, CT)掃描。使用Philips Brillance 16排螺旋CT掃描機,于平臥位,令其左臂上舉,實行患手至上臂中段連續(xù)薄層掃描,層厚0.625mm,共1174層。醫(yī)學數(shù)字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)格式作為可讀寫光盤或移動硬盤的存儲文件,然后再導入醫(yī)學三維圖像建模軟件Mimics10.01,通過Region Growing選擇左前臂與手部區(qū)域,提取左側(cè)前臂與手部,以初始化圖形交換規(guī)范(Initial Graphics Exchange Specification, IGES)格式導出。再將之導入Geomagic Studio 2012軟件,進行去噪、光滑、封裝,建立前臂三維數(shù)字化幾何模型。應(yīng)用激光燒結(jié)快速成形制作患肢前臂的模型。運用硅膠模具制作手板,然后再用硅膠制作出骨折手臂實體的真實模型,可以把3D打印小夾板實際運用在其上,以便觀察效果。4、新型3D打印小夾板的計算機建模：建模對象為1名青年男性志愿者,經(jīng)過X線檢查,確定為colles骨折,使用螺旋CT,以1mm的間隔,沿軸向進行斷層掃描、保存,導入三維重建軟件Mimics,進行組織切割,獲取骨、皮膚、肌肉三維模型、保存,導入Solidworks2012軟件中建立骨折三維模型,并虛擬切割出手法復(fù)位成功后骨折線處的“骨折部三維模型”。據(jù)此,建模新型3DP骨折小夾板外骨骼數(shù)字模型。根據(jù)30例患者的臨床資料分析結(jié)果,在Solidworks軟件中建立傳統(tǒng)小夾板三維數(shù)字模型。5、運用3D打印機打印優(yōu)化后的3DP小夾板外骨骼。6、計算機有限元分析：(將Mimics10.01下建模的骨骼三維數(shù)字模型導入Ansys14.0軟件,對骨骼三維數(shù)字模型行虛擬條件下的網(wǎng)格劃分。將劃分后的虛擬的骨骼三維實體網(wǎng)格導入Mimics10.01,根據(jù)人體骨骼的CT值與楊氏模量相關(guān)關(guān)系,(求解與計算：在Ansys14.0軟件中,運用有限元求解器獲得在加載條件下“骨折部”節(jié)點的應(yīng)力均值,理解小夾板的治療機理,并對3DP小夾板外骨骼進行逆向優(yōu)化。)導回Ansys140軟件,對骨骼賦予材料學屬性。將在Solidworks2012軟件中建立傳統(tǒng)小夾板的三維數(shù)字模型,以及優(yōu)化后的3DP小夾板外骨骼三維數(shù)字模型導入Ansys9.0軟件,進行有限元網(wǎng)格劃分。經(jīng)過以上步驟,分別建立1個傳統(tǒng)小夾板外固定Colles骨折的三維有限元模型,以及1個3D打印小夾板外骨骼固定Colles骨折的三維有限元模型。本項研究暫不考慮載荷下骨折斷端的接觸情況,因此加載方式的載荷大小以加入夾板模型連接骨折兩斷端成一整體(相對不發(fā)生位移)、而未加入“骨折部三維模型”兩骨折端有間隙時,使骨折兩斷端不產(chǎn)生接觸、不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)移位或不使夾板斷裂的壓力載荷、扭轉(zhuǎn)載荷及三點彎曲載荷大小為參照。所有計算機模擬計算暫未考慮動態(tài)影響,扭轉(zhuǎn)暫不考慮角速度,為靜態(tài)加載試驗。結(jié)果：所有患者骨折均得到傳統(tǒng)小夾板外固定治療,無負損傷的發(fā)生。1、操作時,橈骨遠端骨折塊骨折遠端背側(cè)所受力,為傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠端壓力(簡稱：背側(cè)壓力),橈骨遠端骨折塊骨折線近端掌側(cè)所受力為傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠端壓力(簡稱：掌側(cè)壓力)。傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠端壓力均值為：76.09±21.11N,最大值為：106.76N,最小值為：37.65N；掌側(cè)板遠端最小值壓力為127.59N,其壓力均值226.10±64.10N,最大壓力值372.39N,。2、Pearson相關(guān)性分析：傳統(tǒng)小夾板掌側(cè)板遠端壓力峰值與均值的R=0.862,P=0.000、傳統(tǒng)小夾板背側(cè)板遠端壓力峰值峰值與均值的R=0.968,P=0.000表明兩組參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性：小夾板掌側(cè)板遠端壓力峰值與小夾板背側(cè)板遠端壓力峰值的R=0.510 P=0.052,有一定的相關(guān)性：小夾板掌側(cè)板遠端壓力均值與小夾板背側(cè)板遠端壓力均值的P=0.096,無顯著相關(guān)性；3、多元線性回歸分析顯示認為：體重指數(shù)與小夾板背側(cè)壓力峰值正相關(guān),年齡與小夾板背側(cè)壓力峰值呈負相關(guān),年齡和體重指數(shù)均和小夾板背側(cè)壓力峰值有顯著的相關(guān)性。小夾板掌側(cè)壓力峰值與年齡有顯著相關(guān)性,與年齡呈負相關(guān)。經(jīng)秩和檢驗,男、女性別組間的固定操作時間、小夾板掌側(cè)壓力峰值、背側(cè)峰值均無顯著性差異。4、建立了骨折小夾板的新型三維虛擬數(shù)字模型,并進行有限元分析。5、建立了硅膠實體的患肢前臂模型,可以對小夾板外骨骼的固定,重復(fù)實驗驗證。結(jié)論：1、操作者進行傳統(tǒng)小夾板操作時,背側(cè)板遠端壓力峰值越大時,掌側(cè)板遠端壓力峰值也越大：2、患者的年齡背側(cè)板遠端壓力、掌側(cè)板遠端壓力大小的影響表現(xiàn)為：年齡越大,背側(cè)板遠端壓力和掌側(cè)板遠端壓力越��；體重指數(shù)對背側(cè)板遠端壓力、掌側(cè)板遠端壓力的影響表現(xiàn)為：體重指數(shù)越大,背側(cè)板遠端壓力、掌側(cè)板遠端壓力越大。3、運用三維建模軟件,計算機建模方法對新型數(shù)字化3DP小夾板對骨折部位的生物力學狀況做有限元分析,理解了外固定對骨折治療的機制。4、完成患者前臂的三維虛擬和實體模型的建立,運用計算機圖形學、三維建模技術(shù)、逆向工程技術(shù)、傳感器技術(shù)等,實現(xiàn)了三維打印新型小夾板從虛擬設(shè)計到還原現(xiàn)實實物的整個過程。
【學位授予單位】：廣州中醫(yī)藥大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.73;R274.9

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本文編號：2524584