低コストの 3D プリンターを使用したカスタム膝装具の設計と製造

寄稿者: 唐磊、李迪塵

リハビリテーション医療で使用される装具は現在、装着時の快適性の欠如と、使用者の動作条件への適応の難しさという課題に直面しています。カスタマイズされた矯正器具の登場により、これらの問題はある程度解決できますが、その設計と製造プロセスには時間がかかり、困難で、コストもかかるため、大規模に普及および適用することは困難です。ポルトガルのリスボン大学の研究者らは、3Dスキャン、3Dモデリング、3Dプリントの技術を組み合わせて、リハビリテーション医療用のカスタマイズされた製品の設計と製造方法を提案し、評価しました。この方法は、脳性麻痺の患者向けにカスタマイズされた膝装具に適用されました。研究者は患者と協力して 4 つの異なるデザインを開発、設計、テストし、この技術が大規模な産業用途に応用できる可能性を実証しました。

この設計に関わった患者は、四肢の筋肉すべてに高い緊張（最も重度なのは脚）を特徴とする脳性麻痺の一種である痙性両麻痺と診断されました。過度の筋肉の緊張は、人体の正常な運動姿勢の変形を引き起こす可能性があります。外科的治療の効果を確実にするために、日常生活において膝関節の過度な屈曲や関節の誤った姿勢を防ぐための膝関節位置決め装具を患者に合わせて設計する必要があります。

カスタマイズされた膝装具の設計と製造には、主に 3D スキャン、3D モデリング、3D プリントの 3 つのステップが含まれます。最初のステップは、3次元スキャナーを使用して患者の対応する四肢領域の幾何学的形状を取得し、患者の四肢のデジタルモデルを再構築することです（図1）。 2番目のステップは、これに基づいて四肢モデルに一定の画像処理を施し、それを使用して装具の3次元モデルを作成することです。 3番目のステップは、3Dプリント技術を使用して矯正器具を製造することです。

図 1 手足の 3D スキャンデータの取得。スキャン処理中、スキャン対象領域は暗い色の薄いストッキングで覆われ、手足の正確な形状を取得します。ストッキングにランダムに配置されたマーキングポイントも、スキャンモデルの精度を効果的に向上させます。患者の四肢の幾何学モデルを取得した後、CAD ツールを使用してモデルを修復および平滑化し、四肢モデルに基づいてサーフェスオフセットを通じて対応する装具の幾何学モデルを作成します。最後に、生成された装具モデルファイルは 3D プリンターにインポートされ、印刷および製造されます。使用される材料は、アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS) と熱可塑性ポリウレタン (TPU) です。装具が製造された後、より快適性を高めるためにネオプレン生地の層が内側に取り付けられます。

研究者らは患者に合計 4 つの装具設計および製造オプションを提示し、患者はそれらを試した後、最終的にオプション 4 を選択しました (図 2)。この選択には主に 2 つの理由があります。まず、オプション 4 では、最初に上部のストラップを緩めてから膝を曲げ、次に下部のストラップを緩めるため、着脱が簡単になります。次に、他のオプションと比較して、オプション 4 には中空構造がなく、サポート領域が大きいため、膝関節を曲げたときにエッジ領域に高い接触圧力が発生しません。同時に、患者は、上記の矯正器具のデザインはすべて、以前使用していた矯正器具よりも小さく、軽く、持ち運びが簡単であるため、全体的に改善されていると報告しました。

図 2 患者試験シナリオにおける 4 種類の 3D プリント装具。現在、この技術にはまだ改善が必要な問題がいくつかあります。 1 つ目は、3 次元スキャンを通じて四肢の形態を取得するプロセスを簡素化することです。スキャンの準備時間を短縮するために、造影剤やマーカーを必要としないスキャナーを使用します。スキャナーの取得率を向上させ、スキャン時間を短縮し、患者が手足を長時間動かさないことによる不快感を回避します。 2つ目の課題は製造設備です。安価な3Dプリンター（FDM）は通常サイズが限られており、大型の矯正器具を印刷することはできません。別々に印刷してつなぎ合わせる方法では、どうしても製品強度に問題が生じます。そのため、大型の専用印刷設備が必要となります。製造時間について、研究者らは、この方法の産業化により、設計と製造時間が大幅に短縮されると述べています。最終的な装具は、3Dスキャン（10分）、パラメトリックモデリング（1〜2時間）、3Dプリント（約12時間）を含む、設計と製造の全プロセスを48時間以内に完了しました。患者の 3D 画像に基づいて事前に設計されたテンプレートを使用できれば、設計と製造の時間をさらに短縮できるため、従来のカスタマイズされた装具の製造方法に比べて大きな利点があります。

参考文献:
Santos S、Soares B、Leite M、他「低価格3Dプリンターを使用したカスタマイズされた膝関節位置決め装具の設計と開発[J]。仮想および物理プロトタイピング、2017:1-11」

寄稿者: Tang Lei、Li Dichen 寄稿者: 機械製造システム工学国家重点研究室

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