3D打印截肢病人用機(jī)械義肢

巴西的研究人員發(fā)表了一項(xiàng)研究報(bào)告，旨在通過3D打印技術(shù)改善機(jī)器人機(jī)械假肢的特性和無障礙性。

機(jī)械化假肢有可能為模擬殘疾人喪失的功能提供一種可行的低成本替代方案。然而，它的高價(jià)值意味著這些設(shè)備的購買力很低，使其無法獲得。

在他們的論文中，研究人員詳細(xì)介紹了利用3D打印技術(shù)改進(jìn)上肢機(jī)械假肢，通過編程實(shí)現(xiàn)的擬人化特征，同時(shí)重要的是，他們還重點(diǎn)介紹了該設(shè)備的財(cái)務(wù)成本較低。

真實(shí)模型（左）與這項(xiàng)工作中開發(fā)的模型（右）之間的比較。圖片來自國際高級工程研究與科學(xué)雜志

利用3D打印技術(shù)提高醫(yī)療設(shè)備的可獲得性

研究報(bào)告首先詳細(xì)介紹了目前假肢市場的現(xiàn)狀。雖然這種用于截肢者康復(fù)的假肢裝置的發(fā)展一直在發(fā)展，但研究人員解釋說，機(jī)械假肢在商業(yè)上有一個(gè)劣勢。"這類假肢的價(jià)格高于很大一部分正在接受康復(fù)治療的人群的購置條件。購置價(jià)值低的人購買假肢最終不具備可行性，因此，他們會(huì)選擇機(jī)械控制和與使用者互動(dòng)性較低的非自動(dòng)化機(jī)制。"

鑒于這個(gè)問題，該研究隨后將3D打印定位為設(shè)計(jì)有效的假肢的潛在技術(shù)，并將其定位為低成本的有效假肢技術(shù)："可以打印出具有與人類相似特征的模型，使其具有接近真實(shí)人體零件的資源性。"

事實(shí)上，3D打印已經(jīng)被用于幫助提高全球各地截肢者的假肢等定制醫(yī)療設(shè)備的可獲得性。最近在3D打印產(chǎn)業(yè)上，我們詳細(xì)介紹了荷蘭的非盈利組織3D Sierra Leone是如何為這個(gè)西非國家的患者提供定制化的3D打印假肢的。利用3D打印技術(shù)，3D塞拉利昂致力于改善塞拉利昂那些接受截肢手術(shù)但無法獲得相關(guān)醫(yī)療服務(wù)的患者的生活。

在敘利亞，3D打印技術(shù)也被用于提供假肢，因?yàn)樵诔掷m(xù)的內(nèi)戰(zhàn)中，傳統(tǒng)上制造的假肢設(shè)備已經(jīng)很難找到。在敘利亞工作的英國慈善機(jī)構(gòu) "敘利亞救濟(jì)組織"(Syria Relief)已經(jīng)懇請英國國際發(fā)展部(DFID)為該國的兒童提供3D假肢資金。

在馬桑加的3D打印假肢。圖片來自3D塞拉利昂

3D打印的機(jī)械假體。

在他們的工作中，研究人員介紹了具有擬人化特征和低經(jīng)濟(jì)成本的上肢假肢的開發(fā)和改進(jìn)，研究人員使用3D打印的零件與肌電圖（EMG）傳感器和應(yīng)變計(jì)力傳感器一起使用。

該假肢的設(shè)計(jì)在AutoDesk CAD軟件中建模，然后使用AnetA8 3D打印機(jī)進(jìn)行3D打印。由于AnetA8是一個(gè)低成本的系統(tǒng)，它沒有配備深度傳感器來檢測擠出機(jī)噴嘴接近臺面的深度傳感器，這可能會(huì)導(dǎo)致碰撞。因此，研究人員選擇對該系統(tǒng)進(jìn)行修改，通過實(shí)現(xiàn)感應(yīng)式傳感器來檢測金屬材料，并更新固件和校準(zhǔn)。

假肢上的每一個(gè)部件都被設(shè)計(jì)成機(jī)械地相互作用，相當(dāng)于人類手部組成中存在的骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，由27塊骨頭組成。"因此，在結(jié)構(gòu)建模結(jié)束時(shí)，相當(dāng)于37塊，所有的結(jié)構(gòu)都是通過內(nèi)部的電纜來完成手指的運(yùn)動(dòng)。"

假體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括直徑為2mm的穿孔，以使電纜能夠通過裝置。拳頭用鋼制螺釘固定在手和手指上，并利用硬銅連接手指鏈接。

用于電纜布線的結(jié)構(gòu)。圖片來源：國際高級工程研究與科學(xué)雜志。

研究人員選擇PLA作為第一階段3D打印的材料，因?yàn)樗娜埸c(diǎn)為190℃，所以研究人員選擇了PLA作為3D打印的材料。使用Simplify3D V4.1軟件建立了3D打印過程的參數(shù)，以確定所需的燈絲量和打印過程的長度。為了實(shí)現(xiàn)假肢手指的運(yùn)動(dòng)，在4.8V供電時(shí)使用了大扭矩13公斤/厘米的伺服電機(jī)，工作電壓為4.8-7.2V。金屬齒輪使手指運(yùn)動(dòng)過程中的磨損更小，扭矩也更可靠。為了測量手指在手掌表面的壓力，采用了測量范圍在100克到10kg左右的力傳感器，檢測面積為15mm的圓形，檢測范圍為15mm。

在測試該設(shè)備的能力時(shí)，研究人員解釋說。"事實(shí)證明，鑒于假體和目標(biāo)肌肉之間的測量結(jié)果，在假體和目標(biāo)肌肉之間的測量結(jié)果被測量出來，并轉(zhuǎn)化為設(shè)備的運(yùn)動(dòng)，因此，該傳感應(yīng)用是令人滿意的。因此，力傳感器能夠停止運(yùn)動(dòng)，防止手指閉合時(shí)對假體的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)造成破壞。"

該項(xiàng)目的最終收購價(jià)值為2000雷亞爾（374美元），而目前市場上機(jī)械假體的平均價(jià)格約為20萬雷亞爾（37408美元）。

在論文的最后，研究人員詳細(xì)介紹了3D打印的機(jī)械假肢的研究如何推進(jìn)平價(jià)機(jī)械假肢的研究。"針對未來涉及機(jī)械假體改進(jìn)項(xiàng)目的研究，可能會(huì)提供可以模擬類似于人體皮膚表面觸摸的傳感器，以及插入新的力傳感器和肌電圖傳感器，以更好地處理消散在肌室中的刺激信號。"