3D打印截肢病人用機械義肢

巴西的研究人員發表了一項研究報告，旨在通過3D打印技術改善機器人機械假肢的特性和無障礙性。

機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，它的高價值意味著這些設備的購買力很低，使其無法獲得。

在他們的論文中，研究人員詳細介紹了利用3D打印技術改進上肢機械假肢，通過編程實現的擬人化特征，同時重要的是，他們還重點介紹了該設備的財務成本較低。

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

利用3D打印技術提高醫療設備的可獲得性

研究報告首先詳細介紹了目前假肢市場的現狀。雖然這種用于截肢者康復的假肢裝置的發展一直在發展，但研究人員解釋說，機械假肢在商業上有一個劣勢。"這類假肢的價格高于很大一部分正在接受康復治療的人群的購置條件。購置價值低的人購買假肢最終不具備可行性，因此，他們會選擇機械控制和與使用者互動性較低的非自動化機制。"

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

事實上，3D打印已經被用于幫助提高全球各地截肢者的假肢等定制醫療設備的可獲得性。最近在3D打印產業上，我們詳細介紹了荷蘭的非盈利組織3D Sierra Leone是如何為這個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，3D塞拉利昂致力于改善塞拉利昂那些接受截肢手術但無法獲得相關醫療服務的患者的生活。

在敘利亞，3D打印技術也被用于提供假肢，因為在持續的內戰中，傳統上制造的假肢設備已經很難找到。在敘利亞工作的英國慈善機構 "敘利亞救濟組織"(Syria Relief)已經懇請英國國際發展部(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濟成本的上肢假肢的開發和改進，研究人員使用3D打印的零件與肌電圖（EMG）傳感器和應變計力傳感器一起使用。

該假肢的設計在AutoDesk CAD軟件中建模，然后使用AnetA8 3D打印機進行3D打印。由于AnetA8是一個低成本的系統，它沒有配備深度傳感器來檢測擠出機噴嘴接近臺面的深度傳感器，這可能會導致碰撞。因此，研究人員選擇對該系統進行修改，通過實現感應式傳感器來檢測金屬材料，并更新固件和校準。

假肢上的每一個部件都被設計成機械地相互作用，相當于人類手部組成中存在的骨質結構，由27塊骨頭組成。"因此，在結構建模結束時，相當于37塊，所有的結構都是通過內部的電纜來完成手指的運動。"

假體的內部結構包括直徑為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。

用于電纜布線的結構。圖片來源：國際高級工程研究與科學雜志。

研究人員選擇PLA作為第一階段3D打印的材料，因為它的熔點為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，以確定所需的燈絲量和打印過程的長度。為了實現假肢手指的運動，在4.8V供電時使用了大扭矩13公斤/厘米的伺服電機，工作電壓為4.8-7.2V。金屬齒輪使手指運動過程中的磨損更小，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。

在測試該設備的能力時，研究人員解釋說。"事實證明，鑒于假體和目標肌肉之間的測量結果，在假體和目標肌肉之間的測量結果被測量出來，并轉化為設備的運動，因此，該傳感應用是令人滿意的。因此，力傳感器能夠停止運動，防止手指閉合時對假體的關節結構造成破壞。"

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

在論文的最后，研究人員詳細介紹了3D打印的機械假肢的研究如何推進平價機械假肢的研究。"針對未來涉及機械假體改進項目的研究，可能會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。"