3D打印支具助力青少年脊柱侧弯保守治疗

　　脊柱侧弯（或者称之为脊柱侧凸），是一种脊柱的三维畸形，包括冠状位、矢状位和轴位上的序列异常。正常人的脊柱从后面看应该是一条直线，并且躯干两侧对称。如果自然站立时从正面观察双肩不等高或后面看到有后背左右不平，就应怀疑是否有脊柱侧弯了。

　　脊柱侧弯的发生率其实很高，特别是在10-14岁的青少年，其中女孩又占了绝大多数。

上面两张图，是较为严重的脊柱侧弯，目视即看出侧弯状况。

　　侧弯初期的时候患者本人并不会感觉到异常也不会影响生活，容易被忽视，所以发现异常时往往程度已经比较严重。

　　有一位热爱舞蹈的少女小文，身体就受到了脊柱侧弯的影响。小文的家长找到了南小峰脊柱矫形工作室进行脊柱侧弯治疗（点击视频，了解小文的治疗过程和3D打印支具的制造过程）。工作室的矫形专家推荐的是GBW支具进行治疗。

　　然而如何从支具设计到制作工艺，以及材料选择始终满足正确的矫形位置，还有支具的抗形变能力等，这些矫形过程所需要的精度问题一直困扰着支具师。传统的支具制作需要经过多次的模型转换、躯干取型、石膏阳型灌制、石膏模型修型调整、预制板材热塑成型、板材胚型裁剪，而且每一次的模型转换就存在一次增大误差的可能。

　　繁琐的传统支具制作流程

　　传统支具制作两大难题

　　石膏膨胀系数大影响精度：比如石膏在灌制的时候，存在比较大的膨胀系数，整个模型的维度在石膏固化和干燥的过程中，预计会有10%的增大，如果支具师在石膏模型修型之前，不做数据还原处理，那么整个修型过程，都有可能在错误的模型基础上进行。

　　冷却过程中板材回弹：另外预制板材的材料特性决定论这种材料在热塑成型到冷却定型过程中，会有一定的回弹，加上真空成型工艺对吸力大小，真空能力、模型干燥程度的要求很高，比如支具师在石膏模型上预设3厘米的压力深度，但是因为模型膨胀、板材回弹等多重因素影响，可能最终在做好的支具上，只能实现一半的预设压力。

　　传统制作支具的过程真非常繁琐，一个小错误就可能影响到支具的精度。有什么方法可以让支具的制作更佳精准呢？

　　数字化设计与3D打印解决困扰

　　通过3D扫描系统和CAD计算机辅助设计系统，能够在精准的人体数据上，直接设计支具的矫正方案，准确把握脊柱侧弯矫正所必需的正确的矫正位置和最佳矫正力度。南小峰工作室经过仔细慎重的考虑，最终引入3D打印技术来制作支具。

　　3D打印矫形支具的制作过程

　　首先矫形工作室将设计好的、支具数据发送给3D Systems公司的 Quickpart团队。在3D打印之前，对数据进行测试和调整部分参数，然后通过SLS（选择性激光烧结）3D打印工艺进行打印。

　　3D打印技术的加工特点更能保证加工所得脊柱侧弯支具成品是与设计数据的一致性，彻底解决困扰支具师的成型精度问题。

　　精简的全数字化工作流程

　　南小峰脊柱矫形工作室经过使用支具内受力检查系统，对比3D打印支具与传统板材支具时发现，3D打印支具契合度更高，各加力部位的受力方向、受力高度和受力强度这三项重要指标都完全达到支具设计的理想状态。

　　但预制板材的材料回弹和形变依旧无法解决。支具在改变身体的时候，身体也在改变支具。

　　一般来说，脊柱侧弯矫正支具使用时间在一年左右，按每天穿戴22小时，一天穿脱多次，那么一个支具在其使用过程中，有3000-5000次的开合，每一次的开合对于支具来说都是一次大幅度的形变过程。

　　与此同时，在利用支具矫正侧弯的时候，因为穿戴者的身体处在发育的时候，会对支具形成强大的对抗力量，使支具变形。另外，对于很多力量相对较小的低龄女性，在反复的日常穿脱支具时对支具的穿戴便利性有较高要求。

　　如何保证支具完成大量形变的弹性恢复，又保证穿戴的便利性呢？ 在进行支具工艺和材质选择时需要充分考虑到，在支具使用过程中将会遇到的高强度对抗力量的因素。

　　传统的热塑真空成型工艺所使用的预制板材因为材料是均匀厚度，但是经过加工中对材料的牵拉封闭和真空吸附等过程，加上板材各批次配方的细微差别，以及预制成型期间的材料均质差异，是无法保证支具在整个使用周期中材料强度一致性的问题。而3D打印为支具实现结构设计变为了可能，为支具提供了稳定的空间结构，提升了支具的受力承载。

　　3D打印材料配比分析

　　南小峰脊柱矫形工作室与3D Systems Quickparts团队经过近300次的打印材料配方修正，终于完成高强度、易开合、抗变形的打印材质。3D Systems用于SLS打印机的DuraForm EX Natural材料具有良好的韧性和强度，即使受到弯曲，还是可以在短时间内恢复原来的形状。

　　工作室还测试了材料的耐疲劳度、加热是否变形、敲击是否产生裂纹、支具多厚合适，强度和弹性都需要满足要求，并且还要足够的轻量化。最终测试效果非常理想，完全能够承受小朋友一年的穿戴。

　　在设计支具时，除了除了对支具力学性能的考虑，还要兼顾到佩戴的舒适性。好的支具在保证效果的同时，更要最小限度影响生活。特别是在天气炎热的季节，人们即使穿着很轻薄的衣服都会觉得酷热难当，可以想象侧弯患者在炎热的夏季穿戴支具的感受。在夏天佩戴支具成为了患者最难过的坎，极大影响佩戴的积极性。

　　在支具上开孔能有效解决透气散热问题，但传统板材上开孔，使本就不稳定的结构强度变得更加脆弱。

　　3D打印支具所实现的局部受力，框架承载的支具稳定形态，在不影响支具整体强度性能的情况下，让非受力部位的开放、大面积增设通气孔变为了可能。

　　镂空的设计形态能有效降低支具重量30%以上，有效降低患者的日常负担。会呼吸的支具完全改变了脊柱患者在矫形过程中最难克服的穿戴感受。夏天佩戴舒适感差的难题就这样解决了。

　　小文表示相较传统的支具，3D打印的支具更贴合身体的每个部位，透气舒适，夏天也不会闷热，冬天晚上睡觉的时候也觉得比较舒服。矫正效果也是非常明显的，从去年6月1日的侧弯30度，到12月8日再测量，侧弯变为15度。

　　很欣慰3D打印技术为脊柱侧弯矫形发展过程带来的每一点进步，希望3D打印可以帮助到更多有需要的人，不仅在脊柱矫正领域，在医疗的其他领域也能帮助到更多人。

　　脊柱侧凸是危害青少年和儿童的常见疾病，关键是要早发现、早治疗。轻度的脊柱侧凸可以观察，严重者需要手术治疗。由此也希望各位家长在发现孩子有轻微的迹象时，就要尽快赴医治疗。

来源:3D科学谷