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          20年前上萬的假肢如今只需幾十元?up主用3D掃描儀為粉絲父親定制假肢,獲百萬人關注

          發布時間:2024-03-07
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          截止2021年,中國殘疾人聯合會數據顯示,中國約有8500多萬殘疾者,其中截肢者約1000萬左右,這意味著千萬人需要依賴假肢來維持正常生活的可能。然而,傳統假肢制作的高昂成本和復雜工序使得很多殘疾人難以負擔費用,或者需要面臨漫長的等待期,此外,由于傳統假肢的材質、重量等因素,患者長時間佩戴可能會引起不適,這不僅限制了他們的自由和生活質量,也加重了他們的心理和經濟壓力。然而,隨著科技的不斷進步,3D掃描結合3D打印技術提供了定制化、快速和經濟實惠的解決方案,為殘疾者帶來了新的希望。

          今天,我們要講的就是B站up主 Owen來造(下稱“歐文”)通過3D技術為患者定制假肢的故事。

          粉絲求助

          四個月前,歐文收到了一位粉絲私信,講述了他的父親多年前因意外導致左腳掌截肢,只剩下腳跟部分,然而,受當時技術限制,醫院制作的傳統假肢不僅價格昂貴,而且無法完全貼合腳部,長時間穿戴還會引發疼痛和身體其他部位的不適。因此,他找到了歐文,希望通過3D打印的高定制化解決上述問題。

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          多年前截肢1.gif

          但由于國內外在3D打印假肢領域仍處于探索階段,歐文決定親自無償幫助粉絲,并與大家一同分享研究3D打印假肢的整套流程。

          為了制作出舒適合腳的假肢,我們需要考慮到這位伯伯平時的步態和行走方式,以及他在日常生活環境中可能遇到的各種路況。此外,還需要了解他目前使用的假肢存在哪些不便之處,以及哪些部位會引起疼痛和疼痛原因。帶著這四個問題,歐文前往了這位粉絲的家中。


          傳統假肢的束縛

          伯伯在1992年花費一萬多制作的假肢僅使用不到一年就損壞,而假肢上的黑色部分則是他32年來多次修修補補的痕跡。這種頻繁的修復無疑給伯伯帶來了許多不便和困擾,而且都只是暫時性的改善方案,沒有真正解決他的困境。

          多年修補1.gif

          目前的假肢需要經過三層固定才能實現行走,這也導致伯伯穿著假肢的左腳顯得格外臃腫。

          為了穿戴假肢,伯伯必須選擇比正常鞋碼大的高幫鞋,通過鞋帶將假肢固定在鞋子內部。

          綁鞋帶1.gif

          此外,在假肢的高位處還需要使用繩子進行額外的固定。

          綁帶1.gif

          最后將襪子反過來包裹假肢,以勉強保持固定狀態以供行走使用。

          套襪子1.gif

          為了穿戴更加舒適,伯伯還在假肢內墊入海綿墊,起到緩沖作用。然而,在患肢處仍然明顯可見長期磨損的痕跡,這些部位也是伯伯經常感到疼痛的地方。

          海綿墊1.png

          患肢疼1.png

          但歐文注意到,伯伯在行走時似乎有些用力不足,并且由于假肢的厚度達到2.5cm,導致左右腳高度差過大。加上伯伯的走路姿勢問題,使得腿部長期受力不均,進而導致右膝蓋的嚴重勞損。

          走路1.gif


          第一次制作

          對于新的假肢,伯伯希望它更輕便軟彈,以減少患處的疼痛。了解了基本情況和需求后,歐文開始了制作假肢的第一步,即使用3D掃描儀對患肢進行3D掃描,這一步驟至關重要。歐文使用的是知象光電Revopoint MIRACO 3D掃描儀,它能將患肢轉化為高精度的三維數字模型。

          歐文在患肢處貼滿了標記點,并用標記點拼接模式進行掃描,以實現更準確的捕捉定位。為了使新假肢盡可能接近于原有的大小和形態,他還對伯伯的右腳進行了掃描。

          掃描1.gif

          掃描完成后,歐文使用Revopoint 3D掃描儀配套處理軟件Revo Scan對模型進行精細化處理。通過3D打印,他得到了一個1:1的模型。

          軟件1.gif

          患肢模型有了,一個問題也隨之而來——哪種假肢才能讓伯伯走路更加順暢自然呢?經過一番資料查詢,歐文了解到,對于失去腳掌的患者來說,假肢最重要的功能之一就是恢復腳掌滾動的功能。觀察伯伯的行走步態,假肢并未能很好地實現這一動作,僅僅是被帶動提起,并沒有發力。在只有小腿和腳跟的情況下,什么樣的動作或發力方式能讓假肢實現自然的滾動動作?具體的發力點又在哪里?

          腳趾滾動1.gif假肢提起1.gif

          絕知此事要躬行,被這些問題困擾好幾天后,歐文決定給自己設計打印一個假肢,并親身體驗。他將自己的腳掌和腳趾部分固定,將其作為假肢的一部分,然后綁起小腿和腳跟部分,嘗試使用小腿和腳跟發力走路。

          綁小腿和腳跟1.gif

          歐文發現,在他走路時,小腿會向前彎曲,腳跟向后推動,這樣假肢就會自然地形成滾動動作,并且主要的發力點在小腿正面靠上和腳跟處。然而,在多次走動后,他發現滾動動作還是不太連貫協調。通過與平時走路的動作反復對比,歐文意識到主要區別在于腳趾部分,腳趾并不一定需要參與滾動這一動作。

          腳趾滾動1.gif

          因此,歐文決定再次通過3D打印制作一個沒有腳趾的假肢。不出所料,這次的行走體驗更加自然流暢,這也印證了歐文的想法:腳趾不參與滾動動作反而有助于提高步態的連貫性和舒適度。

          無腳趾1.gif

          明確了假肢的設計思路和重點,歐文將患肢的模型和設計圖導入到VR中進行建模。除了勾勒出假肢的外形,最重要的是確保內部結構與患肢貼合,在保證包裹性的同時,還需要預留出一定空間以便穿戴,確保良好的血液循環。

          VR1.gif

          完成3D打印后,歐文使用患肢模型進行實驗穿戴,穿脫過程并沒有遇到太大問題,然而,盡管使用了TPU軟材料繼續打印,由于結構或密度的原因,假肢內部空間仍然感覺較硬,穿戴時不夠舒適。此外,鞋舌部分的強度也不夠。

          穿脫1.gif

          歐文首先嘗試使用旋轉紐帶對假肢進行固定,緊接著又進行了一系列實驗:使用相同材料打印不同內部結構和密度的模型,以找到軟硬度和強度之間的關系。鑒于目前歐文對假肢各個部位的受力情況、軟硬度和強度的認知仍然是推測性的,他決定打印出兩款具有不同密度分布甚至是結合不同材料的假肢。這樣,伯伯可以根據自己的習慣進行體驗,并提供使用一段時間后的反饋。

          旋鈕1.gif


          3D打印假肢仍需改進

          假肢制作完成,歐文帶著模型再次來到粉絲家中。這次拜訪的目的則是讓伯伯親身體驗3D打印假肢1.0,指出存在的問題和優點,以供歐文對下一代產品進行調整和改進。

          顯而易見,與之前的版本相比,3D打印假肢更加小巧輕便,重量從原來的496g減少至151g,厚度從2.5cm降至8mm。令歐文驚喜的是,假肢的穿戴體驗比他之前想象的更加順暢方便,并且其包裹性很好,只需扭緊旋鈕就能直接行走。之前最關注的腳掌滾動問題也未出差錯,走路變得更加自然,幾乎看不出那只腳穿了假肢。

          大小對比1.png

          走路自然1.gif

          但經過一個小時的反復測試以及伯伯四天的穿戴體驗反饋,假肢的一些問題卻逐漸顯露出來。首先,3D打印材料在與瓷磚接觸時容易打滑,存在安全隱患。其次,假肢的前掌部分設計過窄,容易發生左右側翻,缺乏穩定性。第三,右側的鞋帶會勒到腳腕,舒適感大打折扣。另外,假肢的材料過于硬,長時間穿戴會造成疼痛。更嚴重的是,假肢的外部結構已經塌陷,無法受力。

          塌陷1.png

          第一代3D打印假肢似乎存在不少問題,但歐文卻說,“所有的這些對于我來說都是好消息,這樣我能清楚的明白具體的受力點在哪里,知道下一步該如何修改設計和調整打印參數”。


          第二次制作

          吸取第一次的經驗,歐文在新設計中采用了更加軟彈舒適的材料。他在視頻中解釋,假肢的每個部分都有不同的強度和材料密度。黑色部分代表高強度區域,密度為50%。這樣的設計既保證了高強度,還具備一定的彈性和緩沖特性,提供了良好的支撐性。白色部分是與患肢接觸的區域,密度為10%。而腳跟和鞋底則做了漸變強度的處理,從硬到軟,既保持了柔軟的感覺,同時也兼顧了高強度的要求。

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          為了解決鞋帶勒腳的問題,歐文將旋鈕鞋帶調整為外置式。既能固定假肢,又解決了勒腳的不適。最后,在鞋底貼上一層防滑膜,3D打印假肢2.0就完成了。

          帶著3D打印假肢2.0,歐文第三次登門回訪。伯伯仍然穿著歐文第一次制作的假肢,3D打印假肢的重量和大小比起傳統假肢縮小了很多,伯伯的鞋碼也從40碼換成了39碼。通過這次改進,假肢的穿戴體驗更加舒適,伯伯的行走和活動也變得更加自如。

          2.0走路1.gif

          在本次案例中,使用3D打印技術制作假肢的材料成本大約在50-60元左右,而完成整個打印過程可能需要花費兩三百元,制作成本大幅降低。然而,對于假肢制作來說,設計模型才是最重要且成本最高的環節。此次設計制作假肢,歐文全程未收取任何費用,因此整個項目的成本看起來似乎很低。

          但對于一般患者而言,無論是傳統假肢還是3D打印假肢,不能只關注材料耗損費用,在前期溝通患者需求、設計假肢模型以及不斷測試改進,一直到最終成型的整個過程中,付出的人力及設計成本絕不容忽視。

          但相較于傳統假肢的制作成本以及后期維護成本,3D打印假肢不失為一種極具性價比的解決方案:一旦設計完成3D模型,就可以重復打印出無數個假肢,這種可復制性使得3D打印假肢具有更大的想象空間。

          視頻發出后,這位粉絲在評論區留言說,“父親因為腿的原因已經30年沒跟家人外出旅游,現在有了新的假肢,他今年也有了一起出游的打算”??萍嫉牧α空谟诖?,當它與人們的智慧相融合,疾病就不再是生命的絆腳石。

          歐文在視頻中使用的是知象光電Revopoint MIRACO無線一體式專業級便攜三維掃描儀,一體式設計無需連接任何外部硬件即可輕松開始掃描。其搭載的6寸OLED觸摸屏可隨時查看掃描結果,遠近景雙幅面模式打破了掃描尺寸的限制,連續和單拍雙掃描模式帶來更便捷的掃描體驗,4800萬像素8K全彩技術讓模型色彩更加真實,適配WIFI 6無線連接讓數據傳輸更便捷。

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