本发明涉及个性化肢体矫形康复医疗器械技术领域，尤其是涉及基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法。

临床上，先天性四肢骨关节和脊柱发育畸形常发于儿童和青少年人群，其病因和形态学表现往往复杂多变，呈现出高度个性化的特点。除此以外，创伤性或神经系统损伤产生的后遗症往往也会导致肢体继发解剖形态学改变，病理性特点同样具有显著的患者个体化特征。此类先天性和后天性的肢体形态异常如得不到及时和规范的矫正治疗，将导致肢体和躯干部位出现永久性和不可逆的病理改变，进而影响肢体的承重和运动功能残障，给家庭和社会带来严重的负担。

传统外固定支具矫形治疗肢体畸形被认为是最有效的早期干预手段，并在先天性脊柱畸形、马蹄足、先天性髋关节发育不良等疾病中取得了令人鼓舞的效果。尽管如此，传统支具在实际临床应用中仍存在种种问题：传统支具制作时间长，制作工艺对取模、测量、成形等技术要求较高，往往延误了患者矫形治疗进程；传统支具的人力成本占据了大部分比例，自动化程度较低，人员手工制作精细度和匹配程度在穿戴效果方面往往难以令人满意；再者，支具的制造选取的材料较为固定，传统材料存在着种类单一，强度特性难以和复杂矫形需求绝对匹配，透气性和佩戴舒适性较差等问题。上述种种问题和因素导致了患者尤其是青少年儿童患者坚持佩戴的依从性，从而大大影响了肢体矫形治疗的最终效果。

在这种情况下，基于3d打印的个性化外固定矫形支具的拓扑优化设计是目前解决上述问题的最佳方案。个性化支具对于肢体矫形患者而言存在着巨大的应用优势：1、基于生物医学工程技术的个性化定制支具，可实现支具设计过程的高度自动化、智能化和精准化制造，有效达到人工制造难以满足的精确度和匹配度；2、对接3d打印成形工艺可实现不同材料的选择，不同性能的材料可满足不同的矫形治疗需求；3、增材制造技术可大大降低支具的制造成本并提高支具交付临床使用的时效性，提高支具矫形治疗效果的同时，大大降低患者的经济负担。然而，如何实现更为符合人体学设计、结构强度最优化设计以及临床适用性设计的个性化外固定矫形支具是提高目前临床肢体矫形治疗效果的关键环节。

因此针对现有技术不足，提供基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法以解决现有技术不足甚为必要。

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法。该基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，扫描对象肢体得到数据；

步骤二，将步骤一得到的数据导入软件，进行图像分割和模型的三维构建得到肢体表面三维壳状模型；

步骤三，将步骤二得到的肢体表面三维壳状模型进行模型表面修饰处理，构造肢体外轮廓的曲面片，导入计算机辅助设计软件转化为壳状曲面模型；

步骤四，将上述步骤三壳状曲面模型导入有限元分析软件，定义限定参数，进行支具模型的网格划分，提交至有限元求解器求解，得到初始有限元分析结果；

步骤五，将上述步骤四得到的初始有限元分析结果导入拓扑优化软件，设定约束参数并基于敏感算法的优化设计迭代运算，得到设计结果；

步骤六，获得设计结果的stl模型，输出至设计软件中进行最终支具的重设计并得到优化设计后的支具模型，3d打印得到个性化外固定支具。

优选的，包括如下步骤具体为：

步骤一，扫描对象肢体表面得到点云数据或dicom图像数据；

步骤二，将步骤一得到的点云数据或dicom图像数据导入逆向工程设计软件或医学三维重建软件，进行图像分割和模型的三维构建得到肢体表面三维壳状模型；

步骤三，将步骤二得到的肢体表面三维壳状模型进行模型表面修饰处理，构造肢体外轮廓的nurbs曲面片，导入计算机辅助设计软件转化为壳状曲面模型，存为igs格式或者iges格式；

步骤四，将上述步骤三壳状曲面模型导入有限元分析软件，定义限定参数，进行支具模型的网格划分，提交至有限元求解器求解，得到初始有限元分析结果；

步骤五，将上述步骤四得到的初始有限元分析结果导入拓扑优化软件，设定约束参数并基于敏感算法的优化设计迭代运算，得到设计结果；

步骤六，获得设计结果的stl模型，输出至逆向工程/计算机辅助设计软件中进行最终支具的重设计并得到优化设计后的支具模型，将模型输出为通用的3d打印文件stl格式，导入3d打印成型设备打印成形，得到个性化外固定支具。

优选的，上述步骤五具体包括有，

步骤5.1将上述步骤四得到的初始有限元分析结果为起始值，进入步骤5.2；

步骤5.2将起始值导入拓扑优化软件，设定约束参数并基于敏感算法的优化设计迭代运算，读取有限元分析结果odb文件；

步骤5.3调整密度分布重新计算设计响应，得到当前迭代运算值；

步骤5.4判断在当前迭代运算值下，是否满足应变能量小化目标和体积约束，如果是，则进入步骤5.6；如果否，则进入步骤5.5；

步骤5.5以当前迭代运算值作为起始值，返回步骤5.2；

步骤5.6将步骤5.4得到的迭代运算值为设计结果。

优选的，上述步骤一扫描对象肢体表面，通过三维激光扫描仪或者计算机断层成像设备，得到点云数据或dicom图像数据格式。

优选的，上述步骤二中，扫描数据的处理在逆向工程软件和医学图像处理软件中完成，扫描数据的类型包括逆向扫描获得的点云数据和医学影像设备支持的dicom格式数据。

优选的，上述步骤三中，所进行的表面修饰处理为光顺化、去特征化、重画网格、删除钉状物或者补孔的至少一种。

优选的，上述步骤四中，通用有限元分析软件为abaqus、ansys或者nastran。

优选的，上述步骤四的限定参数包括有材料参数、对抗的载荷参数条件和边界条件。

优选的，上述步骤五的约束参数包括有设计变量、目标函数、约束条件和几何限制。

优选的，上述设计变量为体积和应变能。

优选的，上述目标函数为最小化应变能。

优选的，上述约束条件为体积约束。

优选的，上述几何限制为冻结非设计区。

优选的，上述步骤五中，体积分数作为优化过程的约束条件，根据个性化肢体部位的负载情况、轻量化和支具的强度需求定义。

优选的，上述拓扑优化软件为非参数化拓扑优化软件。

优选的，上述非参数化拓扑优化软件为tosca软件、optistruct软件或者abaqus软件的atom模块。

优选的，上述逆向工程设计软件为cad设计软件。

优选的，上述步骤六将上述步骤五得到的初始有限元分析结果导入拓扑优化软件，获得设计结果的stl模型，输出至逆向工程或者计算机辅助设计软件中进行最终支具的重设计并得到优化设计后的支具模型，将模型输出为通用的3d打印文件stl格式，导入3d打印成型设备打印成形，得到个性化外固定支具。

优选的，上述步骤六中，对支具优化设计结果的重设计为支具的曲面抽壳加厚、镂孔结构的光顺化、增加便于穿戴开合的结构特征的至少一种。

本发明基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法，产生有益效果包括有：第一，采用对象肢体的表面形态轮廓数据，数据可通过多种设备获取，硬件设备要求低，数据精度可满足设计要求，有利于在基层医疗机构实施和推广。第二，最大程度低实现了支具的轻量化，同时保证了支具在对抗人体生理载荷条件下的最大刚度和强度，兼顾了支具的佩戴舒适性和矫形效果。第三，个性化支具的外观具有与人体躯干和肢体高度一致的曲率形态，达到了个性化的解剖匹配，进一步通过选用不同3d打印材料和相匹配的优化设计结构，能够极大地提高支具的舒适度和佩戴的依从性，从而使矫形效果达到最大化。第四，通过3d打印成形，有效克服了传统制造工艺耗时长、成本高和工序复杂等不足，大大提高了从设计到应用的时效性。

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法流程图。

图2为实施例2的右下肢个性化外固定支具的外轮廓模型三维构建示意图，图2中的a为dicom数据图像分割，图2中的b为肢体表面轮廓三维重建。

图3为外固定支具的曲面模型构建过程示意图，图3中的a为表面光顺处理，图3中的b为曲面修剪,图3中的c为曲面构建，图3中的d为曲面拟合。

图4为外固定支具的部分优化迭代步效果示意图，图4中的a为第0次迭代，图4中的b为第3次迭代，图4中的c为第6次迭代，图4中的d为第9次迭代，图4中的e为第12次迭代，图4中的f为第12次迭代。

图5为的个性化外固定支具的设计结果。

图6为个性化外固定支具模拟穿戴效果图。

结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一，扫描对象肢体得到数据；

步骤二，将步骤一得到的数据导入软件，进行图像分割和模型的三维构建得到肢体表面三维壳状模型；

步骤三，将步骤二得到的肢体表面三维壳状模型进行模型表面修饰处理，构造肢体外轮廓的曲面片，导入计算机辅助设计软件转化为壳状曲面模型；

步骤四，将上述步骤三壳状曲面模型导入有限元分析软件，定义限定参数，进行支具模型的网格划分，提交至有限元求解器求解，得到初始有限元分析结果；

步骤五，将上述步骤四得到的初始有限元分析结果导入拓扑优化软件，设定约束参数并基于敏感算法的优化设计迭代运算，得到设计结果；

步骤六，获得设计结果的stl模型，输出至设计软件中进行最终支具的重设计并得到优化设计后的支具模型，3d打印得到个性化外固定支具。

步骤一，扫描对象肢体表面得到点云数据或dicom图像数据；

步骤二，将步骤一得到的点云数据或dicom图像数据导入逆向工程设计软件或医学三维重建软件，进行图像分割和模型的三维构建得到肢体表面三维壳状模型；

步骤三，将步骤二得到的肢体表面三维壳状模型进行模型表面修饰处理，构造肢体外轮廓的nurbs曲面片，导入计算机辅助设计软件转化为壳状曲面模型，存为igs格式或者iges格式；

步骤四，将上述步骤三壳状曲面模型导入有限元分析软件，定义限定参数，进行支具模型的网格划分，提交至有限元求解器求解，得到初始有限元分析结果；

步骤五，将上述步骤四得到的初始有限元分析结果导入拓扑优化软件，设定约束参数并基于敏感算法的优化设计迭代运算，得到设计结果；

步骤六，获得设计结果的stl模型，输出至逆向工程/计算机辅助设计软件中进行最终支具的重设计并得到优化设计后的支具模型，将模型输出为通用的3d打印文件stl格式，导入3d打印成型设备打印成形，得到个性化外固定支具。

其中步骤五具体包括有，

步骤5.1将上述步骤四得到的初始有限元分析结果为起始值，进入步骤5.2；

步骤5.2将起始值导入拓扑优化软件，设定约束参数并基于敏感算法的优化设计迭代运算，读取有限元分析结果odb文件；

步骤5.3调整密度分布重新计算设计响应，得到当前迭代运算值；

步骤5.4判断在当前迭代运算值下，是否满足应变能量小化目标和体积约束，如果是，则进入步骤5.6；如果否，则进入步骤5.5；

步骤5.5以当前迭代运算值作为起始值，返回步骤5.2；

步骤5.6将步骤5.4得到的迭代运算值为设计结果。

其中步骤一扫描对象肢体表面，通过三维激光扫描仪或者计算机断层成像设备，得到点云数据或dicom图像数据格式。

其中步骤二中，扫描数据的处理在逆向工程软件和医学图像处理软件中完成，扫描数据的类型包括逆向扫描获得的点云数据和医学影像设备支持的dicom格式数据。

本发明的步骤三中，进行的表面修饰处理为光顺化、去特征化、重画网格、删除钉状物或者补孔的至少一种，具体实施情况以实际情况而定。

步骤四中，通用有限元分析软件为abaqus、ansys或者nastran等的任意一种。

步骤四的限定参数包括有材料参数、对抗的载荷参数条件和边界条件。

步骤五的约束参数包括有设计变量、目标函数、约束条件和几何限制。设计变量为体积和应变能；目标函数为最小化应变能；约束条件为体积约束；几何限制为冻结非设计区。以模型在预定义载荷下的应变能最小化作为优化目标，选择相应的敏感度算法完成拓扑优化迭代运算过程，获得设计结果。

步骤五中，体积分数作为优化过程的约束条件，根据个性化肢体部位的负载情况、轻量化和支具的强度需求定义。拓扑优化软件为非参数化拓扑优化软件。非参数化拓扑优化软件为tosca软件、optistruct软件或者abaqus软件的atom模块。逆向工程设计软件为cad设计软件。

步骤六将上述步骤五得到的初始有限元分析结果导入拓扑优化软件，获得设计结果的stl模型，输出至逆向工程或者计算机辅助设计软件中进行最终支具的重设计并得到优化设计后的支具模型，将模型输出为通用的3d打印文件stl格式，导入3d打印成型设备打印成形，得到个性化外固定支具。

步骤六中，对支具优化设计结果的重设计为支具的曲面抽壳加厚、镂孔结构的光顺化、增加便于穿戴开合的结构特征的至少一种。

本发明的支具材料参数赋值选取的是最终3d打印成形相对应的材料参数，载荷边界条件参数则根据以往生物力学研究文献或实验室设备测量数据对不同肢体部位的负载生理数据进行定义；网格划分采用有限元软件提供的自动网格划分功能完成。

本发明的曲面抽壳加厚作用是保证支具的强度。对镂孔结构的光顺化是为了降低局部应力集中。

本发明主要体现在外固定支具的个性化解剖设计、可控的轻量化设计和3d打印成形制造三个主要方面。相比之下，传统的外固定支具加工制造多采用传统手工取模和塑形的技术方法，在解剖匹配度、制作周期、佩戴舒适度以及支具力学性能等方面，均难以满足临床上矫形治疗的多样化和个性化需求。

此外，传统工艺制造的定制化支具加工成本较高，工艺流程繁琐，一定程度上限制了临床推广应用。而本方法基于畸形矫形治疗的个性化原则，通过建立起与肢体外轮廓高度解剖匹配的表面三维模型，在此基础上采用逆向工程技术进行支具的曲面设计，进一步对支具曲面模型进行拓扑优化设计，综合运用了工程技术领域的有限元分析技术、连续体拓扑优化技术和增材制造领域的3d打印技术，最终实现外固定支具的个性化解剖设计、轻量化设计以及可控的结构强度设计。对于最终的优化设计结果，采用3d打印方法选择不同性能的材料对支具打印成形，突破了支具在设计、材料和工艺方面的种种限制，可广泛用于各类骨关节疾病的矫形治疗，具有更高的临床适用性。

本发明基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法，产生有益效果包括有：第一，采用对象肢体的表面形态轮廓数据，数据可通过多种设备获取，硬件设备要求低，数据精度可满足设计要求，有利于在基层医疗机构实施和推广。第二，最大程度低实现了支具的轻量化，同时保证了支具在对抗人体生理载荷条件下的最大刚度和强度，兼顾了支具的佩戴舒适性和矫形效果。第三，个性化支具的外观具有与人体躯干和肢体高度一致的曲率形态，达到了个性化的解剖匹配，进一步通过选用不同3d打印材料和相匹配的优化设计结构，能够极大地提高支具的舒适度和佩戴的依从性，从而使矫形效果达到最大化。第四，通过3d打印成形，有效克服了传统制造工艺耗时长、成本高和工序复杂等不足，大大提高了从设计到应用的时效性。

基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法，以一具体的临床上常见的跟腱损伤修复术后外固定支具的个性化设计对本发明进行说明，具体实施步骤如下：

步骤一，肢体表面轮廓数据采集与三维重建：

通过计算机断层成像(ct)设备采集对象患侧下肢数据，扫描数据需完全覆盖外固定支具所需要固定的肢体范围。

获得的断层图像以dicom数据格式导入三维重建软件进行图像分割处理，如图2所示，建立跟腱损伤侧的肢体外轮廓三维模型。

步骤三，外固定支具模型表面处理与cad建模：

将步骤二建立的肢体外轮廓三维模型进行表面光顺、填充孔、曲面修剪和精确曲面构建等操作，获得支具壳状曲面模型，如图3所示，导入cad设计软件转化为cad模型，输为igs文件格式。

步骤四，外固定支具模型的初始化有限元分析：

将上述步骤三获得的支具igs模型导入通用有限元分析软件，依次进行有限元建模前处理。首先，赋予支具模型相应的后期3d打印的材料属性，并定义壳状模型厚度。其次，参考下肢踝关节的背伸运动模式，定义背伸运动载荷方向和幅值，同时固定约束支具近端6个自由度；对壳状支具模型划分网格，选择连续壳单元进行模拟。最后提交模型至有限元求解器进行初始分析，建模过程和初始分析结果。

步骤五，外固定支具拓扑优化设计：

根据对上述步骤四的初始有限元分析结果，定义支具优化的设计目标为在自定义轻量化设计的体积分数约束下，在预设的载荷参数条件下使支具的应变能最小化(即刚度最大化)，通过变密度算法建立外固定支具的拓扑优化模型。

具体参数设置包括：第一，定义设计变量，包括支具模型总应变能和支具模型的体积；第二，定义目标函数为最小化支具的应变能；第三，定义约束条件为50％体积约束分数；第四，选取支具远近端开口位置作为不参与优化的非设计区域。完成上述参数设置后，提交到拓扑优化求解器进行迭代求解，优化迭代过程和最终获得的支具拓扑优化结果如图4所示。

步骤六，个性化支具的模型输出和3d打印：

对上述骤五获得的优化结果以stl文件格式输出，导入到逆向工程软件中进行cad重新设计。在cad重设计过程中对支具进行开合平面剪裁、抽壳加厚、连接结构特征设计，最后输出支具的定型设计结果和模拟穿戴效果，如图5和6所示。

再将获得的支具定型设计模型输出3d打印的stl文件格式，通过通用前处理软件对支具生成打印支撑，最后导入3d打印设备完成支具的打印成形，从而得到外固定支具成品。

本发明基于拓扑优化的3d打印个性化外固定支具的轻量化方法，产生有益效果包括有：第一，采用对象肢体的表面形态轮廓数据，数据可通过多种设备获取，硬件设备要求低，数据精度可满足设计要求，有利于在基层医疗机构实施和推广。第二，最大程度低实现了支具的轻量化，同时保证了支具在对抗人体生理载荷条件下的最大刚度和强度，兼顾了支具的佩戴舒适性和矫形效果。第三，个性化支具的外观具有与人体躯干和肢体高度一致的曲率形态，达到了个性化的解剖匹配，进一步通过选用不同3d打印材料和相匹配的优化设计结构，能够极大地提高支具的舒适度和佩戴的依从性，从而使矫形效果达到最大化。第四，通过3d打印成形，有效克服了传统制造工艺耗时长、成本高和工序复杂等不足，大大提高了从设计到应用的时效性。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

本发明涉及康复器械技术领域,具体揭示了一种基于三维建模辅助3D打印的手部康复支具,包括支具本体,硅胶块,透气垫和弹力绑带,支具本体包括圆弧托板,矩形板,固定柱,固定框和垫板,圆弧托板的正面和背面均为圆弧形结构,圆弧托板左右两侧的顶部均一体成型有矩形板,圆弧托板顶部且靠近正面的中央位置处固定连接有垫板,垫板的顶部活动插接有硅胶块,透气垫活动插接于圆弧托板的顶部,透气垫的形状结构与圆弧托板顶部的形状结构相契合,圆弧托板的底部均匀开设有透气孔;本发明通过3D打印机一体化制作而成,能够根据患者手臂形状进行定制,使其专属于患者一人使用,增加了契合度,同时整体较为轻便,方便佩戴.

原标题：中国首例3D打印脊柱侧弯支具诞生

我自1998年从中国假肢矫形器学校毕业以来，一直从事矫形器（支具）的临床装配工作，在工作中发现，脊柱侧弯矫形支具做的再有效，如果孩子不愿意穿戴，就等于没有效果，为什么孩子生病后不愿意配合治疗呢？主要有以下两方面的原因，1，支具太大，不容易遮掩，同学或其他人容易发现，心理压力较大。2，由于支具每天必须要穿戴22小时，塑料支具不透气，在夏天穿支具非常热。

如何解决这两个问题呢？第一个支具的弊端，我们从去年开始已经得到较好解决，去年10月，我工作室和德国的Weiss博士合作，引进了小巧，隐蔽的德国支具，提高了支具的舒适性，孩子非常容易接受（如图一）。相比最左边的老式色努支具，德国支具非常容易遮掩。第二个支具的弊端，也是最难解决的，塑料具有轻便，容易加工的特点，但要透气好，这是一个矛盾。最终我们想到了现在最先进的3D打印技术，通过半年多的不断研制，终于打印出了国内第一具脊柱侧弯支具（如图一最右边）。3D打印可以进行镂空设计（图二），自然支具的透气性就达到最佳，而且，看起来更加时尚。下一步，等我们测试完成后，相信很快就有脊柱侧弯孩子穿上最先进的3D打印支具。