余嘉3d脊柱矯形器

1、3D打印脊柱側(cè)凸矯形器走向臨床 3D Printed Scoliosis Brace : a Clinical Feasibility Study,蘇州大學(xué)/蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院，骨科研究所Orthopaedics Institute, Soochow University / The First Affiliated Hospital of Soochow University21 Aug 2015,余 嘉 Jia YU,醫(yī)

2、工產(chǎn)交叉研究(Interdisciplinary Research),2,香港理工大學(xué) 賽馬會康復(fù)工程中心,蘇州大學(xué)附屬第一醫(yī)院 骨科研究所,比利時Materalise公司,醫(yī),工,,康復(fù)醫(yī)學(xué)Rehabilitation,產(chǎn),美國梅奧醫(yī)學(xué)院骨科生物力學(xué)與運(yùn)動分析實驗室,醫(yī),如有部分脊椎持久地偏離身體的中線，使脊柱向側(cè)方彎曲成“C”形或“S”形，生理性彎曲亦隨之發(fā)生改變，使人體的生理功能受到影響。國內(nèi)外發(fā)病率為0.5%-3%，

3、全球患者估計有0.12億，中國至少超過300萬人。青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎是最常見的結(jié)構(gòu)性脊柱側(cè)彎，占脊柱側(cè)彎總數(shù)的80%左右,其中女性尤其多見，男女比例大約是1：8 。,3,脊柱側(cè)彎（Scoliosis）,不良后果(Unfavorable Consequence),生理影響(Physiology)：較重的脊柱側(cè)凸則會影響嬰幼兒及青少年的生長發(fā)育，使身體變形，嚴(yán)重者可以影響心肺功能、甚至累及脊髓，造成癱瘓。社會心理（Psycholo

4、gy）：側(cè)彎患者與對比組相比，表現(xiàn)出更缺乏自信，對自身體型的認(rèn)可度偏低。生活質(zhì)量(Life quality)：患者存在嚴(yán)重心理疾患、社會隔離、工作機(jī)會受限、低結(jié)婚率等問題 。,4,從生物模式到生物-心理-社會模式,脊柱側(cè)彎的治療(Scoliosis Treatment),分為非手術(shù)治療和手術(shù)治療，其中僅有10%的青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎（AIS）患者最終需要手術(shù)治療，90%的患者可以保守治療和積極觀察。非手術(shù)治療中公認(rèn)最主要和最可靠

5、的方法是支具治療，其他方法如理療、體操療法和石膏等只能作為輔助手段。早期脊柱側(cè)彎，70%患者可通過規(guī)范化的非手術(shù)治療進(jìn)行干預(yù)。側(cè)彎30度以內(nèi)，可通過矯形支具矯正。每年需要更換支具。常用的脊柱側(cè)彎矯形器有：色努矯形器(Cheneau)、 波士頓矯形器(Boston)、密爾沃基型矯形器(Milwaukee)，Charleston, Lyon，SpineCor, TriaC 等。,5,從手工到CAD/CAM (From Hand-

6、made to CAD/CAM),6,石膏取模,數(shù)控銑床加工,Raux et al., 2014,激光取模,三維建模,常用矯形支具（Braces for Scoliosis),Milwaukee,Boston,Charleston,SpineCor,TriaC,Cheneau,支具矯正的生物力學(xué)(Bracing Biomechanics),被動機(jī)制 Passive MechanismsMultiple 3-point syst

7、emsElongation/unloading (Cherry stone effect)Derotation of thorax,Kotwicki & Cheneau , 2008,8,主動機(jī)制 Active Mechanisms,矯正生物力學(xué)(Bracing Biomechanics),9,佩戴時間及存在問題(Bracing Time, Potential Problems),一天至少22小時的佩戴及固定來提

8、供持續(xù)性的三維矯正力，改善脊椎在矢狀面與冠狀面的畸形；超過39%的患者不佩戴，依從性最好的患者也很少佩戴超過20小時（Rahman, 2005；Aulisa, 2014; Scoliosis Research Society Brace Manual， 2015)。,10,全封閉或半封閉式的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致悶熱不透氣；不貼合的設(shè)計導(dǎo)致患者皮膚局部有壓點；支具壁厚過厚，樣式不美觀，很難隱藏在衣服下面；,現(xiàn)有支具的問題：,If a child

9、 feels uncomfortable in his or her brace for whatever reason, whether due to social pressures or physical distress, he or she is less likely to wear it as instructed and the brace will therefore provide no benefit (EOS,

10、2009) .,佩戴時間與矯正成功率 （Compliance and Success）,每日佩戴23h，成功率達(dá)93%；每日佩戴16h，成功率達(dá)62%；每日佩戴08h， 成功率達(dá)60%；腋下支具必須每天佩戴22-23h；全時段支具可每天佩戴15-16h；,11,Rowe et al., J of bone and joint surgery Am. 1997,3D打印在支具設(shè)計的應(yīng)用 (Applications of 3D

11、 Printing in Rehabilitation ),假肢設(shè)計 Prosthetics,12,足踝支具Ankle-Foot Orthosis,骨折外固定支具 Exoskeletal Cast,Standard Cyborg Inc.,University of Delaware,Victoria University of Wellington,3D打印在服裝上的應(yīng)用(Applications of 3D

12、Printing in Costume),13,Nervous System Inc.,設(shè)計目標(biāo)(Design Objectives),采用3D打印技術(shù)設(shè)計 (3D Printed Technology)：個性化設(shè)計，樣式好看(Custom-fit, Sleek)透氣(Breathable)重量輕(Light)符合生物力學(xué)矯正原理 (Biomechanical rules)制作快(Fast Production)穿戴方便(E

13、asy to wear)價廉(Cheap cost ),14,患者基本信息（Patient Profile）,15,Posterior view of diagnosed curve type and brace.,Patient’s anterior view.7 years girl,模型建立（Modeling）,3D model based on MR images,16,概念設(shè)計（Brace Conceptual Desig

14、n）,Based 3-point bending system on existing curve correction concepts (inspired by  Chêneau brace). 色努支具Using CAD software to design brace and using hexagon pattern reduced material,,17,蜂窩結(jié)構(gòu)（Honey Comb）,18,力學(xué)強(qiáng)

15、度計算（Crushing Strength ）,多孔固體理論計算共面性（壓縮）和異面性（彎曲）;抗縮和抗彎強(qiáng)度∽孔穴邊長(l)/壁厚(t)的比例；支具矯正壓力應(yīng)不超過30 mHg(4KPa)或40 N (Perie et al., 2004; Gignac et al., 1998)斷裂強(qiáng)度不超過材料屈服強(qiáng)度(48 MPa);,19,蜂窩結(jié)構(gòu) （Hexagon Reduction）,20,,≈ 40%,Locking hinge

16、Allows patient to easily put on and remove brace.,連接部分設(shè)計 （Locking Design）,,21,3D打印方式及材料選擇（3D Printing method & material selection）,22,DuraForm@ PA(Polyamide,Nylon):Density: 1.0g/cm3=WaterFlexural strength, yield:

17、48MPaFlexural modulus:1378 MpaHardness, Shore D：73Elongation at breaking ：14%醫(yī)用級材料Medical applications requiring USP Class VI compliance, or biocompatibility,選擇性激光燒結(jié)技術(shù) SLS (Selective laser sintering ),支具原型(Brac

18、e Prototype）,Weight: 221g <Thickness: 4mm <Accuracy：0.1mmMaterial: NylonProduction time: 1 nightPrinting Cost: 3600 RMB/600USD,專利申請?zhí)枺?01520256268.1*Patent pending,258g,6.9mm,自連接部分（Self Locking）,24,Automatic C

19、lose,Fast,Slow,Our Design,Patient’s Current Brace,貼合性對比（Fit Comparison）,25,Our Design,Patient’s Current Brace,Custom fit to patient based of MR images.Make brace “invisible” beneath clothing,Modelled from plaster mould

20、.Bulky and ugly.,隱形效果對比（Invisible Comparison）,26,Our Design,Patient’s Current Brace,Uniform reduction of material makes brace lightweight and breathable.,Patient complains that brace does not breath, making her hot and

21、uncomfortable.,透氣效果對比（Breathable Comparison）,27,小結(jié)及展望（Summary）,3D打印技術(shù)可以應(yīng)用在脊柱側(cè)凸矯形支具上，其原型設(shè)計: 好看，輕巧，透氣，隱形，易穿戴，價格相對合理。 Successfully designed a custom-fit “invisible” brace using 3D printing technology which is sleek, li

22、ght, breathable, easy to wear it beneath cloth, relatively cheap.康復(fù)支具已經(jīng)從傳統(tǒng)的手工制作發(fā)展到CAD/CAM階段，那么3D 打印技術(shù)是否是下一個階段呢？ From hand-made to CAD/CAM, and then？ 3D Printed在臨床應(yīng)用中，3D 打印應(yīng)用可從簡單的模型制作發(fā)展到具有康復(fù)治療功能。 From simpl

23、e medical model to functional rehabilitation device,28,佩戴電子監(jiān)測器也可以顯著提高佩戴時間，平均達(dá)到5.24小時/天 (Miller et al., 2002 Spine).可穿戴智能設(shè)備：佩戴電子監(jiān)測器也可以顯著提高患者依從性，更重要的是為醫(yī)師提供準(zhǔn)確穿戴治療數(shù)據(jù) Wearing electronic monitor to enhance compliance and

24、 obtain wearing data for analysis.,29,展望（Future Study）,3D打印支具研究小組（Our Team）,30,Project done by international students from Waterloo University (Canada),Laura Warr, Adam Zhang,Vivian Chau, Kieran Broekhoven,蘇州大學(xué)附屬兒童醫(yī)院（合作