计算机辅助设计与3D打印在假肢领域的应用

计算机辅助设计（CAD）和增材制造（3D打印）将数字化工作流程引入假肢和矫形器械的设计与生产。通过扫描获取肢体或身体区域的形状，在屏幕上建模和修改器械，然后通过计算机控制的制造方式进行生产，无论是通过雕刻模型进行传统制造（CAD/CAM），还是通过3D打印逐层直接构建器械。这些方法有望实现更高的可重复性、定制化，并且在某些情况下能降低成本。

Definition

假肢领域的计算机辅助设计和3D打印是指结合使用数字化建模（CAD）和计算机控制或增材制造技术，来设计和制造假肢和矫形器械，以取代或补充传统的手工石膏铸模和手工制造。

Scope

本主题涵盖了应用于假肢和矫形器的数字化设计与制造流程：扫描、CAD建模、计算机辅助制造和增材制造，以及它们的设计参数和权衡。它是关于该技术及其考量的参考资料，而非制造协议或为个体生产器械的临床指南。

Core questions

• 假肢和矫形器中的数字化设计与制造流程是如何运作的？
• CAD/CAM和增材制造有何不同？
• 哪些设计参数会影响3D打印器械的强度和质量？
• 数字化制造的潜在益处和局限性是什么？

Key concepts

• 计算机辅助设计（CAD）
• 计算机辅助制造（CAM）
• 增材制造（3D打印）
• 表面扫描和数字形状捕捉
• 熔融沉积成型
• 填充和层参数
• 可重复性和定制化

Mechanisms

数字化工作流程通常始于使用表面扫描仪捕捉肢体或身体区域的形状，生成三维模型。临床医生或工程师在CAD软件中修改此模型以创建器械几何形状，应用类似于在石膏模型上手动进行的形状修正。然后，该模型通过计算机辅助制造（雕刻出用于传统模具的正模型）或增材制造（通过逐层沉积材料直接构建器械）来实现。在打印部件中，材料选择、层方向和填充密度等工艺参数会影响机械强度，因此这些设置对于打印器械能否承受功能载荷至关重要。

Clinical relevance

数字化设计和增材制造正在重塑假肢和矫形器械的生产方式，并提供可重复、可定制的工作流程，这是当前研究和实践的活跃领域。本条目描述了该技术及其工程考量作为参考资料；它不提供制造器械的说明或为个体患者选择制造方法的指导。

Evidence & guidelines

证据基础主要由工程研究和综述构成。关于聚合物基增材制造的综述描述了其日益增长的应用以及所使用的材料和工艺范围，而实验研究，例如Campbell及其同事（2018）的研究，则探讨了填充百分比等打印参数如何影响3D打印胫骨假肢接受腔的强度，强调了机械充分性在很大程度上取决于器械的打印方式。

History

计算机辅助设计和制造自20世纪80年代起进入假肢和矫形器领域，作为一种将传统上通过石膏模型手工完成的接受腔和矫形器塑形数字化的方式。后来普及的易于获取的3D打印技术，特别是熔融沉积成型（fused filament fabrication），将数字化流程扩展到器械的直接生产，并促进了对材料、打印参数和打印部件强度的研究。

Seminal works

• campbell-2018
• sakib-2023

Frequently asked questions

假肢领域中CAD/CAM和3D打印有什么区别？

在CAD/CAM中，数字模型用于机械加工出用于传统制造的正模型，而在3D打印（增材制造）中，器械本身是通过逐层沉积材料直接构建的。

接受腔的3D打印方式会影响其强度吗？

是的。材料、打印层的方向和填充密度等工艺参数会影响打印器械的机械强度，因此这些设置对于其能否承受功能载荷至关重要。