假肢的案例
3D打印可以重塑假肢行業嗎？
設想一個假肢方面的創新世界，讓肢體佩戴者可以選擇價格合理、可靠、理想的假肢產品和服務，3D打印正在幫助這一切變為現實。本期，3D科學谷與谷友一起通過ProsFit的案例來體會這樣一個話題：3D打印可以重塑假肢行業嗎？
根據ProsFit總部位于保加利亞，該公司與中型和大型假肢診所合作，為佩戴假肢的患者提供定制化假肢接受腔。
軟件與3D打印的結合
接受腔不舒適是假肢使用者普遍遇到的一個問題。這是因為傳統的接受腔是單一的一塊塑料，根據使用者當時的肢體情況模制而成的。這樣就產生了很大的問題，因為在一天當中，運動所帶來的壓力是不斷變化的。
ProsFit提供稱為PandoFit的軟件解決方案，使假肢醫生能夠進行3D掃描并在屏幕上創建自定義肢體接受腔。設計完成后，ProsFit通過3D打印技術來制造接受腔。
腿部假肢的主要元件分為兩部分：針對每個殘肢定制接受腔以及其他部件 - 例如腳，膝蓋和連接元件 ，這些元件為采用標準化的傳統工藝生產的產品。
傳統制造工藝，安裝假肢可能需要數周時間。在此期間，大多數患者被迫使用拐杖或被限制在輪椅上，限制了他們的活動能力，且制造過程也是昂貴且耗時的。
在與HP合作之前，ProsFit使用熔絲制造3D打印技術商業化了醫學監管的ProsFit Original接受腔。然而，該公司遇到了一些挑戰，其中最大的挑戰是產出的一致性。ProsFit估算每10個接受腔中有兩個不能通過ProsFit嚴格的質量保證流程。
現在，ProsFit Optimal 接受腔采用HP Jet Fusion 3D打印解決方案，并采用尼龍PA 12材料制造，每種產品都作為受監管的定制醫療設備出售。
展開 超越傳統CAD極限：依托CATIA，能設計出復雜的機電一體化系統的假肢
現在的假肢是復雜的機電一體化系統，能夠自動進行檢測。例如，假肢腿可以檢測出佩戴者是準備坐下還是準備上樓梯。復雜的微處理器將調整假肢，使得該活動安全自然地進行。
奧托博克最先進的假肢手“Michelangelo”的手腕上設有空檔位置，可以讓手擺動。從而明顯緩解佩戴假肢的僵硬感。假肢手套不僅擁有手的外觀，同時涵蓋假肢的技術特性，甚至有模仿自然手血管結構的有色纖維。
為了調整假肢Michelangelo，使其盡可能模仿還原人手，我們對假肢手的袖子部分進行了額外的改進和重新建模。 Kornfeind說“當我們第一次試圖為其重新建模之時，發現公司的CAD系統已到達了功能極限。”他想起了達索系統的設計應用CATIA的出眾性能，該應用屬于3DEXPERIENCE平臺的組成部分，致力于表面建模。他同樣采納了EBM的建議，這家達索系統的合作伙伴和達索系統解決方案的專家推薦了3DEXPERIENCE平臺及其任意曲面模塊CATIA Imagine & Shape。奧托博克公司安裝該應用后，EBM組織了一場為期兩天的訓練課程，由一位達索系統的專家和一位來自EBM的專家指導用戶如何為任意復雜曲面建模。
Kornfeind解釋道：“在我們產品的構型過程中，構思和創造過程起著相對次要的作用，自然決定了它的最終形式。我們面臨的挑戰一方面是需要考慮技術要求，另一方面則是需要盡可能貼近自然形態。Catia Imagine&Shape的功能非常豐富，它能夠自動考慮表面曲線的連續性，從而建立良好的基礎，創造自然的外觀。此外，該表面十分穩定，用戶可以專心建模，無需擔心一個地方的小小改動，會影響整個模型的穩定性。”
CATIA Imagine & Shape在Michelangelo手的改進過程中得到廣泛使用，有助于設計出更加逼真的外觀，同時提高內置技術的性能。
展開 手部假肢公司通過金屬3D打印擴大制造規模，3D Systems應用案例
Jeff Soelberg 是 Point Digit 解決方案的最終用戶，他佩戴過鋼材質假肢和鈦材質假肢。新材質讓假肢的重量減輕了 30%，差別立刻就顯現出來。Soelberg 說，佩戴鋼材質假肢時好像隨身攜帶了一個小重物。他表示，“改用鈦材質假肢后感覺更輕、更自然”。
Jeff Soelberg 是 Point Designs 手部假肢的用戶，他說改用鈦材質假肢后感覺更輕、更自然
除了重量減輕之外，這些假肢器械的材料和設計還獲得了最終用戶的大量正面反饋，因為這些器械具備強度高、持久耐用和易于清洗等優點。用戶可以在通常會用到手指的任何環境中使用這些器械。Soelberg 說，通過練習，他能進行事故前 95% 的活動。
在材質過渡方面，3D Systems 幫助 Point Designs 應對了鈦材質的特殊挑戰，分享將轉化為未來項目的專業知識。其中最主要是協助設計以適應鈦的收縮系數。“與 3D Systems 合作后，我們的確改善了現有和未來產品的設計流程。因此，我們能更輕松地實施下一個產品，更快地完成凍結設計文件，為大規模生產做好準備，”Sliker 說。
Point Digit 2.0 鈦解決方案采用 3D Systems 的直接金屬打印 (DMP) 技術和 LaserForm Ti Gr23 (A) 材質打印，該材質具有一流的氧氣水平 (<25 ppm) 和惰性打印氣體，可確保部件具有出色的強度、準確度、高化學純度和可重復性。23D Systems 的打印機在生產部件時，每個部件均使用同一個數字數據包，且所有 DMP 打印機的打印結果全都一致，實現了規模化生產，而且打印結果不存在整體偏差。
展開 美國學者用Jetson Nano支持便攜式AI假肢，控制每一根手指
近年來，基于深度學習的神經解碼器已成為實現神經假肢靈巧、直覺控制的主要方法。人類甚至已經設想出了這種假肢在醫學領域的廣泛應用圖景。
然而，由于深度學習對計算的要求很高，很少有研究將其應用于臨床。邊緣計算設備的發展為解決這一問題提供了可能。
在一篇新論文中，來自明尼蘇達大學等機構的研究者提出了一種
基于嵌入式深度學習控制的神經假肢實現。該研究中的神經解碼器基于 RNN 架構設計，部署在 NVIDIA Jetson Nano 上。NVIDIA Jetson Nano 擁有不錯的 AI 算力，但體格非常小巧，這使得假肢安裝者可以實時控制每一根手指，同時還能自由移動。
研究者利用外周神經信號在橈骨截肢的志愿者身上評估所提出的系統。實驗結果顯示，無論是在實驗室還是真實環境下，該系統都能提供魯棒、準確（95-99%）、低延遲（50-120 毫秒）的單個手指控制。
研究者表示，據他們所知，該系統是第一個在臨床神經假肢應用的便攜式平臺上有效實現深度學習神經解碼器的系統。這種新型假肢系統擁有嵌入式人工智能，可以作為新型可穿戴生物醫學設備的基礎，有助于加快深度神經網絡在臨床應用中的部署。
這一成果離不開之前研究取得的進展，包括 Overstreet 等人 2019 年提出的連接神經纖維和生物電子系統的神經束內微電極陣列；Nguyen 等人 2020 年設計的能同時展開神經記錄和刺激的 Neuronix 神經接口微芯片；Luu 等人 2021 年提出的降低解碼器計算復雜度的深度學習電機解碼范式優化；以及 SOTA 邊緣計算平臺的軟硬件實現等。
展開 
微軟為孩子們提供3D打印假肢
微軟343工業公司和一家仿生學非營利性團隊宣布合作，為年提供光環主題的3D打印假，團隊“仿生手臂”假肢功能齊全，最重要的是，團隊向受助人及其家人免費捐贈他們創新的假肢。
未來3D打印假肢的接受者將從2019年開始選擇新的設計。根據343，團隊將添加兩個特殊的“光環”主題選項，其設計陣容已包括一個鋼鐵俠手臂，旨在幫助任何渴望接收者成為一個非常強大的超級英雄。
團隊解決方案是位于佛羅里達州中部的非營利性公司，為兒童制作3D打印仿生武器。他們的3D打印假肢能夠抓住物體并執行各種手勢，并且與市場上的其他人相比，成本也低很多。團隊于2014年開始工作，作為佛羅里達州中部的一群大學生，他們想要幫助那些沒有手臂的孩子們。
團隊認為，游戲可以培養孩子更有效地適應他們的3D打印手臂。他們一直在努力創造有趣和身臨其境的游戲，以培養這些孩子，并調整他們的游戲控制器使用相同的肌電圖輸入，為假肢的功能提供動力。當用戶彎曲時EMG傳感器獲取信號，并且根據各種彎曲模式，執行各種控制。 “包容性游戲不僅訓練孩子使用3D打印手臂，而且還可以鍛煉孩子的創造力，”團隊表示。
來源：南極熊3D打印
展開 【iSolver案例分享25】假肢腳踝受沖擊荷載
【iSolver案例分享25】假肢腳踝受沖擊荷載
1. 模型背景
該模型為3維模型，模擬假肢腳踝受沖擊荷載的影響。腳踝材料為碳纖維材料，密度為1.5g/cm3,彈性模量為230GPa,泊松比為0.28。腳踝所受沖擊荷載為50MPa。
材料說明：
2. 建模
側視圖
俯視圖
邊界條件：底部固定，頂部施加沖擊荷載
3. 結果對比
1) 應力
a) 視圖1
iSolver結果：
Abaqus結果：
b) 視圖2
iSolver結果：
Abaqus結果：
c) 視圖3
iSolver結果：
Abaqus結果：
2) 應變
a) 視圖1
iSolver結果：
Abaqus結果：
b) 視圖2
iSolver結果：
Abaqus結果：
3) 位移
a) 視圖1
iSolver結果：
Abaqus結果：
b) 視圖2
iSolver結果 :
Abaqus結果：
4.
展開 DfAM專欄丨快、準、省，增材科技讓動物重新站立奔跑
Bionic Pet德里克正在為馬制作前肢假肢
由于這種設計需要密集型的設計工作，德里克不得不拒絕許多請求。因此，nTopology介入這個流程。我們能夠重新評估構建假肢的過程，包括 3D 掃描、3D 設計算法和 3D 打印。3D 打印是小批量生產的完美匹配技術，這種方法大大減少了德里克的負擔。
假肢產品分為背心+假肢兩部分
右圖應用了3D打印背心+傳統制造假肢
增材設計和3D打印的背心產品可以很短時間內制造出來，TPU驚人的特性能夠保持產品強度和耐用性。然而，我們開始發現假肢部分的問題，用傳統制造方式給熱彎曲塑料和橡膠塑形，不僅需要技巧、耐心和很長的制造時間，客戶也會抱怨假肢部分容易摔壞或變形了。隨著訂單的堆積和投訴的涌入，我們需要一個新的解決方案，而且速度很快的解決方案。
在另一個項目中我們用nTopology為攀巖截肢者制造了假肢，我們從各種材料和晶格測試中吸取成功經驗，并利用相同的工具包和工作流程快速為狗狗生成假肢的概念設計。除此之外，我們應用了一個從未嘗試的TPE類材料，叫做TPC。非常類似于我們用來制作背心的材料，具有更好的能量吸收性能。
nTop 平臺中假肢設計的迭代
借助FDM 3D 打印的速度和材料多樣性，以及在 nTop 平臺中輕松、重復使用工作流程的快速迭代能力，我們能夠在短短幾天內快速設計、測試和發貨新產品，如果我們走一條需要傳統成型的路線，則需要數周到幾個月的時間。我們無縫地將更換件交付，并在所有新假肢上應用了新技術，沒發生任何差錯。最重要的是，隨著我們獲得更多的反饋，產品將繼續進化。我們很快就能根據每只狗的具體需求定制假肢的設計，就像背心一樣。
展開 結構仿真 | Circleg利用仿真技術改善截肢者的生活
中低收入國家本地生產的假肢數量極為有限，迫使醫院需要進口該產品。這使患者面臨漫長的等待、低效且成本高昂的采購以及物流等多項挑戰。
并且遺憾的是，假肢使用者往往受到所在社區的歧視和隔離。此外，截肢可能導致失業，而且許多人可能并不了解他們的本地資源和康復選擇。即使知道可用的資源，但由于地理區域上的挑戰或高昂成本，許多截肢者無法通過物流運輸來接收這些資源。
為了解決上述挑戰，瑞士-肯尼亞社會性企業Circleg為截肢者提供了易于獲取、高質量的解決方案，并重點關注如何讓中低收入國家的相關群體受益。Circleg通過提供假肢組件和便利化服務來讓截肢者實現行動自由，以此進一步擴大其影響力。該組織致力于開發解決方案，以支持截肢者重獲行動能力，而且，他們所做的不僅僅是提供優質假肢，而是進一步將截肢者與骨科技術人員納入整個過程。
Circleg的旅程始于2018年Fabian Engel和Simon Oschwald的學士論文，當時他們正在蘇黎世藝術大學（Zurich University of the Arts）完成工業設計專業的研究。Circleg現在擁有五名聯合創始人以及一支18人的團隊，其中包括了工程師、設計師、假肢師和業務專家。該公司的旗艦產品Circleg One旨在滿足截肢者的獨特需求并解決他們面臨的挑戰。這款先進的假肢設備旨在通過高品質、易獲取的設計，彌合當前假肢產品在性能與可及性上的鴻溝，以改善截肢者的生活。
Circleg產品開發人員Max Calabro表示：“我們并非在重新發明輪子，因為機械假肢已經存在幾十年了。我們所做的是進行創新，包括采用以前從未使用過的工藝和材料，目標是提高低成本假肢的性能。”
展開 如果人類有6根手指頭
這樣的假肢在未來能夠讓我們更好地操作科技產品，或許也有假肢能讓我們像鳥一樣飛翔。曾經科幻電影中的神奇好像已經離我們越來越近了。
Markforged 工業級復合材料3D打印機應用
位于紐約的醫療提供機構Northwell Health為海軍陸戰隊老兵Dan Lasko提供可能是世界上第一款3D打印水陸兩用的假肢。 The Fin允許像Lasko這樣的截肢患者可以在不更換假肢的情況下實現既可以走路，又能游泳。
伴隨著3D打印假肢領域的快速發展意味著，像Dan Lasko這樣的截肢患者，失去一條腿并不意味鮮活生命的結束。高品質3D打印假肢允許越來越多用戶——甚至在沒有高端醫療計劃的條件下——就可以實現走路，跑步和常規需要兩條腿完成的項目。
然而，直到現在，3D打印假肢在一個關鍵領域仍然存在不足：兼具游泳和走路的能力。雖然水陸兩用的假肢已經存在很多年，但似乎尚未有人能夠徹底完善一個3D打印假肢來實現既能夠走路，也可以游泳。
33歲的海軍陸戰隊老兵Dan Lasko，2004年，在阿富汗期間，他的車撞在爆 炸裝置上，膝蓋以下的部分被截肢。現如今，Lasko是一個非常成功的運動員，絲毫沒有讓截肢減弱他運動的熱情，繼續跑馬拉松，參加體育運動。然而，唯一使用他常規假肢不能完成的就是游泳。
隨著3D打印水陸兩用假肢的發展，已經可以實現最終回歸水中項目的目標——這也是老兵非常開心的地方。之前，他需要將他的假肢取下遞給他的妻子，然后用一條腿來游泳。“The Fin極大地提高了我的生活質量，讓我能夠重拾對游泳的熱愛，”他非常激動的說，“我最近和我的兩個小兒子一起重返泳池，也是第一次可以同他們一起跳進泳池中。”
展開 直播預告 | Geomagic Freeform在康復輔具設計的創新應用
應用實例
假肢接受腔建模
脊柱側彎矯形器
支具設計
本期直播講堂請到了杭州路客康復輔具技術有限公司技術總監陸克站，在直播間中講師將重點講解Geomagic Freeform在康復輔具設計的創新應用，并通過深度分析多個應用實例，為大家揭秘觸覺設計系統“黑科技”。敬請關注！
直播報名
9月11日 14:00
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直播內容聚焦
? 觸覺黑科技：像“捏數字黏土”般設計假肢與康復輔具
? 數字化閉環：掃描→建模→打印，一體化流程
? 精度與舒適性：高精度曲面處理，完美貼合人體形態
? 個性化定制：滿足復雜差異化需求，縮短制作周期
? 批量化效率：參數化設計（Dynabot）輕松復用優秀方案
陸克站
杭州路客康復輔具技術有限公司技術總監
假肢與矯形器高級工程師，畢業于中國假肢矯形器學校，20+年臨床假肢矯形器數字化經驗；精通從傳統工藝到數字化革新應用的各類假肢矯形器解決方案；主導制定3項浙江省數字化輔具標準。
展開 
案例分享 | 用 MSC Nastran 和 MARC 仿真讓醫學創新更上一層樓
采用碳纖維復合材料的假肢腳：設計、仿真及試驗
假肢代表了先進的生物醫學裝置技術領域，所使用的假肢采用了先進的航空航天級復合材料。采用碳纖維復合材料開發假肢腳為許多截肢患者恢復充滿活力、喜好運動的生活方式鋪平了道路。通過結合先進的材料，了解復合材料的設計和特殊剛性以及航空航天制造技術，最終可以得到具有逼真的彎曲度、“彈性”及強度的假肢。這些栩栩如生的假肢與舊時跛腳海盜的“木腿”或“殘肢”有著天壤之別！這一技術已取得長足的進步，安裝了復合材料制成的腳和腿的賽跑者甚至有資格參加奧運會！
好動的用戶需要“富有彈性”、結實耐用的假肢。制作此類假肢的主要難題包括疲勞耐久性以及強度、剛度和重量之間的平衡。
假肢腳需要能夠適應各種地形、輕便、具有優異的減震性能和出色的能量回饋。復合材料在輕量化過程中有著舉足輕重的作用。來自 Parnell 工程咨詢公司的 T. Kim Parnell 博士采用 MSC Marc 對足跟設計進行有限元分析，嘗試不同的材料屬性并提出了最佳設計。
模型用 MSC Marc/Mentat 進行描述，其中接觸體的定義方式為：足跟、聚氨酯為柔性接觸體和過載，假定龍骨為剛性，并將材料定義為符合 Tsai-Wu 失效準則的復合材料，然后對兩種聚氨酯構型結果進行對比，以便提出最終設計。
展開 給3D打印假手裝上攝像頭，智能抓取85.2％的家用物體
肌電假肢是目前殘疾人使用的相對高級的假肢，它通過骨骼肌中產生的肌電圖（EMG）信號控制肌電假手，然而一項更加智能的假肢在3D打印技術的支持下被研發出來。
據外媒報道，德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）的研究人員開發出一種先進的五指3D打印假肢，旨在通過智能機制減輕用戶的認知負擔。他們的3D打印手假肢集成了傳感器，先進的嵌入式系統，手掌底部的RGB攝像頭和手背上的彩色顯示屏，可自動抓取物體。
“在機械設計方面，一種自適應的，驅動的機制被用來讓手指抓取任意形狀的物體，”研究人員解釋說。“傳感器系統包括兩個電機中的位置傳感器和用于基于視覺的抓取的RGB相機。板載嵌入式系統通過藍牙集成傳感器信息，視覺信息，用戶反饋和狀態信息。
研究人員表示，該手部假肢是第一個將相機集成在手掌中的裝置。為了確保人性化的外觀，包括電機，機構，嵌入式系統，傳感器，用戶反饋和用戶界面在內的完整硬件被集成到普通男性手掌中。KITUProHand可作為獨立單元完全啟動和控制，無需任何外部計算資源。
假肢外部采用PA2200材料通過選擇性激光燒結進行3D打印，PA2200是功能原型3D打印中最常用的材料之一。據研究人員稱，3D打印被選擇作為一種制造方法，以便使用他們的3D打印手為佩戴者進行個性化生產。手指使用PA2200進行3D打印，以匹配手掌的強度和視覺外觀。基于TUAT/Karlsruhe機構，通過力分配傳動同時驅動所有四個手指，拇指由第二馬達帶動。該機構的結構允許手指在物體周圍自然地成形。
研究人員進行了幾項測試，使用3D打印的手抓取不同形狀的家用物品。
展開 Nature子刊：可拉伸擴展的多功能集成電子皮膚！
目前，電子皮膚在柔性或彈性基底上制作具備探測壓力、溫度或其他刺激的傳感器及陣列，可感知周圍環境中的各種物理、化學、生物等信號，將有助于開發新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統。此外，電子皮膚的重要發展趨勢是多功能化與多重刺激同步監測。
近日，在中國科學院北京納米能源與系統研究所研究員潘曹峰、中科院外籍院士王中林的指導下，潘曹峰課題組博士化麒麟、副研究員鮑容容等提出了一種柔性可拉伸擴展的多功能集成傳感器陣列，成功將電子皮膚的探測能力擴展到7種，實現溫度、濕度、紫外光、磁、應變、壓力和接近等多種外界刺激的實時同步監測。
研究人員通過微納加工技術，制備出大倍率（8倍及以上，可根據需要設計）的聚酰亞胺（PI）拉伸結構網絡，其中包括眾多傳感器節點和蜿蜒拉伸結構。基于這種拉伸結構網絡，多種傳感器能夠以二維分布式或三維疊層式結構進行多功能化集成，并且多種傳感單元可獨立工作而不互相影響。
利用基底的可拉伸性能，可實現電子皮膚的探測面積擴張，為其進一步的功能擴展提供了便利。此外，研究人員利用這種電子皮膚制造出一種具有定制化功能集成的智能假肢，既賦予了假肢觸覺功能，也使假肢具備了溫度感知的能力。該研究將有助于開發新型人機接口、智能機器人、仿生假肢等智能化系統，多功能集成電子皮膚還可同步監測周邊環境多種變量，用于人體健康監測等領域。相關研究成果發表在《自然-通訊》上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-017-02685-9
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展開 近十年全球醫療復合材料市場將增長近7％
對于假肢和矯形器需求的增加將是一個關鍵的驅動程序，據市場研究公司的分析師。
帝斯曼復合材料醫療
DSM提供配有陶瓷，纖維，填料和染料的聚合物共混物的定制來實現獨特的性質。它在報告中介紹的上市公司之一。
盡管它們的高拉伸強度，碳纖維和玻璃纖維是脆性的，并且不能被用作假肢材料，注意到 全球醫療復合材料市場2016-2020報告。這導致了在假肢和矯形裝置的制造中使用的尼龍，聚酯和丙烯酸類和環氧樹脂。樹脂和纖維的粘合性能和機械性能影響這些產品的性能。
重量輕，耐熱聚合物復合材料以替代金屬和合金的出現將在市場增長了突出的作用，根據該報告。聚合物基復合材料已在過去的十年的醫療假肢和植入物的制造中被使用。這些復合材料被分為增強塑料和先進復合材料。
含有由碳制成的耐連續纖維的約60％高級復合材料越來越多地被在醫療設備中使用，如手術器械，骨科產品和生物相容的植入物的玻璃或芳族聚酰胺材料，根據研究和市場。
除了主要趨勢，報告地址市場增長所面臨的挑戰，并確定在這一領域的主要供應商。異形的公司包括3M公司，DSM，PolyOne公司，東麗和贏創。
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