การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์และการพิมพ์ 3 มิติในงานอวัยวะเทียม

การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ (CAD) และการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (การพิมพ์ 3 มิติ) นำกระบวนการทำงานแบบดิจิทัลมาใช้ในการออกแบบและผลิตอุปกรณ์อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริม การจับภาพแขนขาหรือส่วนของร่างกายทำได้โดยการสแกน อุปกรณ์จะถูกสร้างแบบจำลองและปรับเปลี่ยนบนหน้าจอ จากนั้นจึงผลิตโดยการผลิตที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์ ไม่ว่าจะโดยการแกะสลักแบบจำลองสำหรับการผลิตแบบดั้งเดิม (CAD/CAM) หรือโดยการสร้างอุปกรณ์โดยตรงทีละชั้นผ่านการพิมพ์ 3 มิติ วิธีการเหล่านี้ให้คำมั่นสัญญาว่าจะเพิ่มความสามารถในการทำซ้ำ การปรับแต่ง และในบางกรณี ลดต้นทุน

Definition

การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์และการพิมพ์ 3 มิติในงานอวัยวะเทียมคือการใช้การสร้างแบบจำลองดิจิทัล (CAD) ร่วมกับการผลิตที่ควบคุมด้วยคอมพิวเตอร์หรือการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ เพื่อออกแบบและผลิตอุปกรณ์อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริม ซึ่งเป็นการทดแทนหรือเสริมการหล่อด้วยมือและการผลิตด้วยมือ

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกระบวนการออกแบบและผลิตแบบดิจิทัลที่ใช้กับอวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริม: การสแกน, การสร้างแบบจำลอง CAD, การผลิตด้วยคอมพิวเตอร์ และการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ รวมถึงพารามิเตอร์การออกแบบและข้อดีข้อเสียของวิธีการเหล่านี้ เนื้อหานี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเกี่ยวกับเทคโนโลยีและข้อควรพิจารณา ไม่ใช่ระเบียบการผลิตหรือแนวทางปฏิบัติทางคลินิกสำหรับการผลิตอุปกรณ์สำหรับบุคคล

Core questions

• กระบวนการออกแบบและผลิตแบบดิจิทัลในงานอวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริมทำงานอย่างไร?
• CAD/CAM และการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุแตกต่างกันอย่างไร?
• พารามิเตอร์การออกแบบใดบ้างที่ส่งผลต่อความแข็งแรงและคุณภาพของอุปกรณ์ที่พิมพ์ 3 มิติ?
• ประโยชน์และข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้นจากการผลิตแบบดิจิทัลคืออะไร?

Key concepts

• การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์ (CAD)
• การผลิตด้วยคอมพิวเตอร์ (CAM)
• การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (การพิมพ์ 3 มิติ)
• การสแกนพื้นผิวและการจับภาพรูปร่างดิจิทัล
• การผลิตแบบหลอมเส้นใย
• พารามิเตอร์การเติมและชั้น
• ความสามารถในการทำซ้ำและการปรับแต่ง

Mechanisms

กระบวนการทำงานแบบดิจิทัลโดยทั่วไปจะเริ่มต้นด้วยการจับภาพรูปร่างของแขนขาหรือส่วนของร่างกายด้วยเครื่องสแกนพื้นผิว ซึ่งจะสร้างแบบจำลองสามมิติขึ้นมา แพทย์หรือวิศวกรจะปรับเปลี่ยนแบบจำลองนี้ในซอฟต์แวร์ CAD เพื่อสร้างรูปทรงของอุปกรณ์ โดยใช้การแก้ไขรูปร่างที่คล้ายกับการทำด้วยมือบนแบบหล่อปูนปลาสเตอร์ จากนั้นแบบจำลองจะถูกสร้างขึ้นจริงโดยการผลิตด้วยคอมพิวเตอร์ ซึ่งจะแกะสลักแบบจำลองเชิงบวกสำหรับการขึ้นรูปทั่วไป หรือโดยการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ ซึ่งจะสร้างอุปกรณ์โดยตรงโดยการวางวัสดุทีละชั้น ในชิ้นส่วนที่พิมพ์ พารามิเตอร์ของกระบวนการ เช่น การเลือกวัสดุ การวางแนวของชั้น และความหนาแน่นของการเติม จะส่งผลต่อความแข็งแรงทางกล ดังนั้นการตั้งค่าเหล่านี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการที่อุปกรณ์ที่พิมพ์จะสามารถทนทานต่อภาระการใช้งานได้หรือไม่

Clinical relevance

การออกแบบดิจิทัลและการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุกำลังเปลี่ยนแปลงวิธีการผลิตอุปกรณ์อวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริม และนำเสนอกระบวนการทำงานที่สามารถทำซ้ำได้และปรับแต่งได้ ซึ่งเป็นสาขาที่มีการวิจัยและปฏิบัติอย่างต่อเนื่อง ข้อมูลนี้อธิบายเทคโนโลยีและข้อควรพิจารณาทางวิศวกรรมเป็นข้อมูลอ้างอิง; ไม่ได้ให้คำแนะนำในการผลิตอุปกรณ์หรือแนวทางในการเลือกวิธีการผลิตสำหรับผู้ป่วยแต่ละราย

Evidence & guidelines

ฐานข้อมูลหลักฐานส่วนใหญ่มาจากการศึกษาและบทวิจารณ์ทางวิศวกรรม บทวิจารณ์เกี่ยวกับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุที่ใช้พอลิเมอร์อธิบายถึงการนำไปใช้ที่เพิ่มขึ้นและช่วงของวัสดุและกระบวนการที่ใช้ ในขณะที่การศึกษาเชิงทดลอง เช่น ของ Campbell และคณะ (2018) ตรวจสอบว่าพารามิเตอร์การพิมพ์ เช่น เปอร์เซ็นต์การเติม มีผลต่อความแข็งแรงของเบ้าขาเทียมส่วนปลายขาที่พิมพ์ 3 มิติอย่างไร โดยเน้นย้ำว่าความเพียงพอทางกลขึ้นอยู่กับวิธีการพิมพ์อุปกรณ์อย่างมาก

History

การออกแบบและการผลิตด้วยคอมพิวเตอร์ได้เข้ามาในงานอวัยวะเทียมและอุปกรณ์เสริมตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา เพื่อเป็นวิธีการแปลงการขึ้นรูปเบ้าและอุปกรณ์เสริมที่เคยทำด้วยมือบนแบบหล่อปูนปลาสเตอร์ให้เป็นดิจิทัล การแพร่หลายของการพิมพ์ 3 มิติที่เข้าถึงได้ในภายหลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการผลิตแบบหลอมเส้นใย ได้ขยายกระบวนการดิจิทัลไปสู่การผลิตอุปกรณ์โดยตรง และกระตุ้นการวิจัยเกี่ยวกับวัสดุ พารามิเตอร์การพิมพ์ และความแข็งแรงของส่วนประกอบที่พิมพ์

Seminal works

• campbell-2018
• sakib-2023

Frequently asked questions

ความแตกต่างระหว่าง CAD/CAM และการพิมพ์ 3 มิติในงานอวัยวะเทียมคืออะไร?

ใน CAD/CAM แบบจำลองดิจิทัลจะถูกใช้ในการกลึงแบบจำลองเชิงบวกสำหรับการผลิตแบบดั้งเดิม ในขณะที่ในการพิมพ์ 3 มิติ (การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ) ตัวอุปกรณ์จะถูกสร้างขึ้นโดยตรงโดยการวางวัสดุทีละชั้น

วิธีการพิมพ์เบ้า 3 มิติส่งผลต่อความแข็งแรงของเบ้าหรือไม่?

ใช่ พารามิเตอร์ของกระบวนการ เช่น วัสดุ การวางแนวของชั้นที่พิมพ์ และความหนาแน่นของการเติม จะส่งผลต่อความแข็งแรงทางกลของอุปกรณ์ที่พิมพ์ ดังนั้นการตั้งค่าเหล่านี้จึงมีความสำคัญต่อการที่อุปกรณ์จะสามารถทนทานต่อภาระการใช้งานได้หรือไม่