義肢装具におけるコンピューター支援設計と3Dプリンティング

コンピューター支援設計（CAD）と積層造形（3Dプリンティング）は、義肢装具の設計と製造にデジタルワークフローをもたらします。肢体または身体部位はスキャンによって捕捉され、デバイスは画面上でモデル化および修正された後、コンピューター制御製造によって生産されます。これは、従来の製造のためにモデルを彫刻する（CAD/CAM）か、または3Dプリンティングによってデバイスを直接層ごとに構築することによって行われます。これらの方法は、再現性、カスタマイズ性、そして一部の状況では低コスト化を約束します。

Definition

義肢装具におけるコンピューター支援設計と3Dプリンティングとは、デジタルモデリング（CAD）とコンピューター制御製造または積層造形を組み合わせて、義肢装具を設計および製造することであり、手作業による型取りや手作業での製造に代わる、またはそれを補完するものです。

Scope

このトピックは、義肢装具に適用されるデジタル設計・製造パイプライン、すなわちスキャン、CADモデリング、コンピューター支援製造、積層造形、およびそれらの設計パラメータとトレードオフについて扱います。これは技術とその考慮事項に関する参考資料であり、製造プロトコルや個人のためのデバイス製造に関する臨床ガイダンスではありません。

Core questions

• 義肢装具におけるデジタル設計・製造パイプラインはどのように機能しますか？
• CAD/CAMと積層造形はどのように異なりますか？
• 3Dプリントされたデバイスの強度と品質に影響を与える設計パラメータは何ですか？
• デジタル製造の潜在的な利点と限界は何ですか？

Key concepts

• コンピューター支援設計（CAD）
• コンピューター支援製造（CAM）
• 積層造形（3Dプリンティング）
• 表面スキャンとデジタル形状捕捉
• 熱溶解積層法（Fused filament fabrication）
• 充填と層のパラメータ
• 再現性とカスタマイズ性

Mechanisms

デジタルワークフローは通常、表面スキャナーで肢体または身体部位の形状を捕捉し、三次元モデルを作成することから始まります。臨床医またはエンジニアは、CADソフトウェアでこのモデルを修正し、石膏型に手作業で行われる修正と同様の形状修正を適用してデバイスの形状を作成します。その後、このモデルは、従来の成形用の陽性モデルを彫刻するコンピューター支援製造、または材料を層ごとに堆積させてデバイスを直接構築する積層造形によって実現されます。プリントされた部品では、材料の選択、層の向き、充填密度などのプロセスパラメータが機械的強度に影響を与えるため、これらの設定はプリントされたデバイスが機能的負荷に耐えられるかどうかにとって中心的です。

Clinical relevance

デジタル設計と積層造形は、義肢装具の製造方法を再構築しており、研究と実践の活発な分野である再現可能でカスタマイズ可能なワークフローを提供します。この項目は、技術とその工学的考慮事項を参考資料として記述しており、デバイスを製造するための指示や、個々の患者に対する製造方法を選択するためのガイダンスを提供するものではありません。

Evidence & guidelines

エビデンスベースは、工学研究とレビューが主です。ポリマーベースの積層造形に関するレビューは、採用の増加と使用されている材料およびプロセスの範囲を記述しており、キャンベルら（2018）のような実験的研究は、充填率などのプリントパラメータが3Dプリントされた下腿義足ソケットの強度にどのように影響するかを調査し、機械的適合性がデバイスのプリント方法に強く依存することを強調しています。

History

コンピューター支援設計および製造は、1980年代以降、伝統的に石膏型に手作業で行われていたソケットや装具の成形をデジタル化する方法として、義肢装具分野に導入されました。その後、特に熱溶解積層法（fused filament fabrication）のようなアクセスしやすい3Dプリンティングの普及により、デジタルパイプラインはデバイスの直接生産にまで拡大し、材料、プリントパラメータ、プリント部品の強度に関する研究を促進しました。

Seminal works

• campbell-2018
• sakib-2023

Frequently asked questions

義肢装具におけるCAD/CAMと3Dプリンティングの違いは何ですか？

CAD/CAMでは、デジタルモデルを使用して従来の製造用の陽性モデルを機械加工しますが、3Dプリンティング（積層造形）では、材料を層ごとに堆積させることによってデバイス自体が直接構築されます。

ソケットの3Dプリント方法はその強度に影響しますか？

はい。材料、プリントされた層の向き、充填密度などのプロセスパラメータは、プリントされたデバイスの機械的強度に影響を与えるため、これらの設定は機能的負荷に耐えられるかどうかにとって重要です。