Anwendung von 3D-Druck und Topologieoptimierung in der Rehabilitationsmedizin

Autor: Wei Guoqiang, Chefarzt, Changzhi-Volkskrankenhaus, Provinz Shanxi

Xu Yangyang, Cheftechniker, Volkskrankenhaus Changzhi, Provinz Shanxi

Wang Yi, Cheftechniker, Changzhi-Volkskrankenhaus, Provinz Shanxi

Gutachter: Wang Pingzhi, Chefarzt, Shanxi Bethune Hospital, Direktor der Abteilung für Rehabilitationsmedizin, Mitglied der Neurorehabilitationsgruppe, Zweigstelle für Physikalische Medizin und Rehabilitation, Chinesische Ärztekammer, Vorsitzender des Fachausschusses für Physikalische Medizin und Rehabilitation, Shanxi Medical Association

3D-Druck, auch als additive Fertigung bekannt, ist eine Rapid-Prototyping-Technologie, bei der verschiedene Klebematerialien (Tinten) verwendet werden, um Objekte durch Schicht-für-Schicht-Druck auf Grundlage der erstellten digitalen Modelldateien zu konstruieren. Mit 3D-Druck lässt sich schnell erreichen, dass Sie bekommen, was Sie denken. Nachdem Designer mithilfe von Computern digitale Modelle erstellt haben, können sie die Daten in 3D-Druckgeräte eingeben, um schnell Prototypen oder Produkte auszudrucken, wodurch der Design- und Produktionszyklus erheblich verkürzt wird.

Die Anwendung des 3D-Drucks in der klinischen Medizin wird in 3D-Bioprinting und 3D-Nicht-Bioprinting unterteilt. Ersteres bezieht sich auf den Druck biologisch aktiver Gewebe und Organe, während Letzteres sich auf den Druck bezieht, bei dem lediglich Aussehen und Funktion erreicht werden. Der größte Unterschied zwischen beiden besteht darin, dass beim 3D-Bioprinting eine Zellbeteiligung stattfindet und fortgeschrittenere Lebensfunktionen möglich sind, die denen von normalem menschlichem Gewebe und Organen sogar nahe kommen. Es handelt sich um die ultimative Weiterentwicklung des 3D-Drucks im Bereich der klinischen Medizin. Aufgrund der Einschränkungen bei Technologie und Rohstoffen verwenden derzeit die meisten Abteilungen für Rehabilitationsmedizin im Inland den nichtbiologischen 3D-Druck. Allerdings ist jedes Werk einzigartig und weist präzise Daten, genaue mechanische Messungen, ein individuelles Design, ein neues Erscheinungsbild und eine gute Übereinstimmung auf. Mit der Weiterentwicklung der Technologie wird der Anwendungsbereich des 3D-Drucks immer größer.

Topologieoptimierung (TO) wird als computergestütztes Designverfahren häufig zum Entwerfen und Herstellen verschiedener neuartiger und komplexer Strukturen mit Vorteilen wie einstellbarer Steifigkeit, geschichteten Merkmalen und hervorragender Leichtbauweise verwendet.

Abbildung 1 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Zufälligerweise wurde auch die Gewebeentwicklung vieler Organstrukturen im menschlichen Körper dem Prozess der additiven Fertigung und topologischen Optimierung unterzogen. Beispielsweise werden in wichtigen lasttragenden Bereichen kontinuierlich Knochen abgelagert, während in nicht lasttragenden Bereichen allmählich weniger Knochen vorhanden sind. Durch wiederholte topologische Optimierung wird die Knochenstruktur schließlich optimiert und in wichtigen lasttragenden Bereichen verteilt, wodurch ein perfektes Gleichgewicht zwischen Kraft und Gewicht erreicht wird. Obwohl die Anwendung der 3D-Drucktechnologie in der Rehabilitationsmedizin durch proprietäre Materialien eingeschränkt ist, kann die Topologieoptimierung diesen Mangel bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Durch die Kombination von 3D-Druck und Topologieoptimierung lassen sich viele Probleme der Rehabilitationsmedizin effektiv lösen.

In den letzten Jahren haben wir die Anwendung von 3D-Druck und Topologieoptimierungstechnologie in der Rehabilitationsmedizin aktiv erforscht, wobei wir vor allem die folgenden Aspekte berücksichtigt haben:

1.3D Medizinisches Modell

Es kann für die klinische Lehre und chirurgische Simulation verwendet werden und kann je nach Bedarf wiederhergestellt, vergrößert oder verkleinert werden. Es hat die Eigenschaften, objektiv, real, intuitiv, greifbar und simulierbar zu sein.

Abbildung 2 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

2. Orthopädische Behandlung

(1) Zervikale Fixationsorthese: Sie wird individuell entsprechend der Verletzung und den Operationsbedingungen entwickelt, ist einfach und schnell zu tragen und kann Stabilität, Komfort, Bewegungsbereich und andere Indikatoren jederzeit entsprechend dem Krankheitsverlauf und den Bedürfnissen des Patienten anpassen. Durch topologische Optimierung wird ein geringes Gewicht erreicht und die Beobachtung von Verletzungen erleichtert.

Produktionsprozess:

Abbildung 3 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Tragen

Abbildung 4 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Abbildung 5 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(2) Zehenorthese: Erfassen Sie Fußbilder, führen Sie nach der Modellierung ein biomechanisches Design durch und passen Sie die Orthese an, um Zehendeformitäten präzise zu korrigieren.

Abbildung 6 Urheberrechtlich geschützte Bilder dürfen nicht reproduziert werden

(3) Leichtgewichtiges Griffbrett: Das Griffbrett wurde verbessert und an die Form angepasst, um das Gewicht zu reduzieren und die Atmungsaktivität zu verbessern.

Abbildung 7 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(4) Fingergelenkorthese: Wird bei Deformitäten des Interphalangealgelenks und des Metakarpophalangealgelenks verwendet, die durch rheumatoide Arthritis, Traumata usw. verursacht werden. Sie verfügt über ein individuelles Design und kann rechtzeitig angepasst werden.

Abbildung 8 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(5) Dehnungsorthese für Daumen und Zeigefinger: Sie dient zum Dehnen und Korrigieren von Handkontrakturen, die durch Schlaganfall, Nervenschäden usw. verursacht wurden. Sie ist digital gestaltet und sieht gut aus, ist atmungsaktiv und bequem.

Abbildung 9 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(6) Knöchel-Fuß-Fixierungsorthese: Sie kann Gips ersetzen und mit Polsterungen wie Kleidung und Socken vorinstalliert werden. Es lässt sich leicht entfernen, ist atmungsaktiv, nach topologischer Optimierung leicht und die Verletzung lässt sich leicht beobachten.

Abbildung 10 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(7) Ellenbogengelenk-Fixierungsorthese: Sie ersetzt den herkömmlichen Gips und kann mit einer Kleidungspolsterung vorinstalliert werden. Es lässt sich leicht entfernen, ist atmungsaktiv, nach topologischer Optimierung leicht und die Verletzung lässt sich leicht beobachten.

Abbildung 11 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(8) Thorakolumbale Fixationsorthese: Leichtgewicht nach topologischer Optimierung, wodurch die Beobachtung der Verletzung erleichtert wird.

Abbildung 12 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(9) T-Schuh-Orthese: Sie kann zur Behandlung von Innen- und Außenrotationsdeformitäten der unteren Extremitäten bei Patienten mit Schlaganfall, Frakturen der unteren Extremitäten usw. verwendet werden. Mit der Fersenvorrichtung kann der Winkel eingestellt werden.

Abbildung 13 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

(10) Orthopädische Einlegesohlen: Personalisiertes Design, topologisch optimiert, kann die Höhe und Steifheit des Fußgewölbes, der Sohle und der Zehen jederzeit anpassen, um eine orthopädische Behandlung zu erreichen.

Abbildung 14 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

3. Verbesserte Werkzeuge

Entwerfen und verbessern Sie für Patienten und Therapeuten geeignete Werkzeuge und Geräte.

Abbildung 15 Copyright Bild, keine Erlaubnis zum Nachdruck

Die 3D-Drucktechnologie bietet folgende Vorteile: Personalisierung, gute Passform, hohe Präzision, kurzer Herstellungszyklus, leichte Struktur, gute Atmungsaktivität, gutes wasserdichtes Design, voreingestellte Polsterung, schnelle Iteration und Aktualisierung, gute Durchlässigkeit (leicht zu beobachten) und kann jederzeit entsprechend der Reaktion des Patienten oder Zustandsänderungen angepasst werden. Gleichzeitig gibt es aber auch folgende Defizite: Da wäre zunächst das Material. Es mangelt an Druckmaterialien, die Komfort, Festigkeit und Haltbarkeit berücksichtigen. Zwar kann die topologische Optimierung den Mangel an Steifigkeit und Elastizität bis zu einem gewissen Grad ausgleichen, der geringe Tragekomfort ist jedoch dennoch nicht für das langfristige Tragen geeignet. Hinzu kommen Probleme wie der Aufwand und die hohen Kosten einer fachgerechten Nachbearbeitung (Glätte, handwerkliches Geschick). Mit dem Fortschritt der Materialwissenschaften und der Integration neuer Technologien werden Technologien wie 3D-Druck und Topologieoptimierung schnelle Veränderungen in der Rehabilitationsmedizin mit sich bringen.