日前，美國(guó)密歇根大學(xué)與Altair Engineering和Stratasys公司攜手合作，共同組成了CYBER團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)最近接受America Makes（即美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究員）的委托和資助，致力于開(kāi)發(fā)出一種解決方案，該方案將利用3D打印和工業(yè)4.0（ Industry 4.0）來(lái)改造踝足矯形器（AFO）的設(shè)計(jì)、舒適性、實(shí)用性和定制。

為了做到這一點(diǎn)，CYBER團(tuán)隊(duì)將開(kāi)發(fā)出一種增材制造（AM）設(shè)計(jì)的數(shù)字化流程，而這個(gè)流程將會(huì)與一個(gè)基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連接，并通過(guò)后者銜接熔融沉積成型（FDM®）增材制造技術(shù)和Altair® OptiStruct®軟件，最終實(shí)現(xiàn)踝足矯形器（AFO）的定制化制造。

當(dāng)前AFO制造的痛點(diǎn)

傳統(tǒng)上，要為患者定制AFO的話(huà)，就需要熟練的矯正器修配者和技術(shù)人員使用玻璃鋼鑄帶為患者的小腿制造一個(gè)“模腔（impression）”（A和B，見(jiàn)下圖）；（C）然后將液態(tài)的石膏澆鑄進(jìn)模腔，制作出模型；（d）用手工在患者的骨骼突起和耐壓區(qū)的相應(yīng)位置修改石膏模型；（E）使用一個(gè)熱塑性板在模型周?chē)M(jìn)行真空成型；（f）手工修剪該塑料矯形器至最終形狀；然后在上面添加必要的輔助材料，比如填充物或者帶子等；最后將其裝AFO患者身上。

制作定制踝足矯形器的傳統(tǒng)工藝

這個(gè)過(guò)程的痛點(diǎn)在于，由于需要諸多環(huán)節(jié)和熟練的技師，其交貨周期通常需要2至4周；而且該過(guò)程大量使用一次性石膏材料；而矯形器通體使用的板材厚度不變限制了其優(yōu)化結(jié)構(gòu)和重量的能力；除此之外，它還無(wú)法兼容現(xiàn)代分析技術(shù)以?xún)?yōu)化AFO的強(qiáng)度和彈性，以最大化患者的行動(dòng)能力。

CYBER解決方案：通過(guò)工業(yè)4.0實(shí)現(xiàn)AFO的制造

為此CYBER團(tuán)隊(duì)共同合作致力于直接解決這些影響患者和護(hù)理人員的痛點(diǎn)，同時(shí)優(yōu)化AFO，減少制造成本，加快生產(chǎn)速度。

未來(lái)基于云計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)將允許臨床醫(yī)生利用一個(gè)在線(xiàn)門(mén)戶(hù)創(chuàng)造AFO，并將其臨床專(zhuān)業(yè)知識(shí)與自動(dòng)化工具結(jié)合起來(lái)為患者制訂處方。他們開(kāi)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)將會(huì)把基于云計(jì)算的算法過(guò)程與物理組件制造無(wú)縫集成起來(lái)以?xún)?yōu)化零部件的整體幾何形狀及其對(duì)應(yīng)的刀具路徑。

該AFO增材制造解決方案的優(yōu)勢(shì)包括：

    減少交貨時(shí)間：AFO通常交貨時(shí)間是2-4周。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)將交貨時(shí)間縮減為1天；

    提高精度水平：石膏在干燥后往往會(huì)收縮，所以以前如果不經(jīng)過(guò)迭代或者有經(jīng)驗(yàn)的執(zhí)業(yè)醫(yī)師的話(huà)，其石膏模具往往難以精確復(fù)制患者踝關(guān)節(jié)和腳部的形狀。CYBER團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用精確的3D掃描，即可提供即時(shí)、準(zhǔn)確的AFO設(shè)計(jì)。

    避免了多次造訪(fǎng)：患者一次造訪(fǎng)即可完成AFO的制造，節(jié)省了患者和護(hù)理人員的成本。

    提升了AFO設(shè)計(jì)的自由度：AFO的形狀受到了當(dāng)前制造能力的限制，使得醫(yī)師和設(shè)計(jì)人員無(wú)法設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的功能。

該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)在計(jì)算模型和刀具路徑基礎(chǔ)上的優(yōu)化來(lái)推動(dòng)未來(lái)的AFO設(shè)計(jì)，同時(shí)鼓勵(lì)臨床醫(yī)生參與以提供個(gè)性化護(hù)理。據(jù)了解，一位下肢矯形器使用者的平均年齡是70歲，因此輕量化和易用性在這個(gè)項(xiàng)目中非常重要。

不過(guò)就目前而言，AFO的增材制造流程還相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)于操作人員的要求非常高，除此之外，當(dāng)前的增材制造流程還有一下缺點(diǎn)：

    機(jī)器的制造能力：目前增材制造技術(shù)的制造能力尚不足以支持患者一次造訪(fǎng)即獲得定制的AFO。CYBER需要找到一種新的設(shè)計(jì)方法，以增加機(jī)器產(chǎn)能和實(shí)現(xiàn)更低的材料用量，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)的完整性和功能性。

    多材料：在一個(gè)定制的AFO上，同時(shí)需要硬質(zhì)材料提供結(jié)構(gòu)性的功能和柔性材料提供舒適性；

    缺乏臨床接口和系統(tǒng)集成：目前還沒(méi)有一種軟件系統(tǒng)可以無(wú)縫地處理所有數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包括患者的3D掃描尺寸、矯形器的形狀，再到可3D打印的命令文件等。

美國(guó)退伍軍人將率先受益

根據(jù)CYBER團(tuán)隊(duì)的計(jì)劃，美國(guó)退伍軍人管理局（VA）將成為該解決方案的第一個(gè)合作伙伴。該方案一旦測(cè)試完成，就會(huì)部署到全美的VA矯形器和假肢網(wǎng)點(diǎn)，首先為退伍軍人和他們的家庭服務(wù)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2005到2009，VA花在矯形器和假肢方面的開(kāi)支幾乎增加了80%，從9.07億美元增長(zhǎng)至16億美元。單在2009年VA就給退伍軍人提供了150萬(wàn)件矯形器。隨著整體人口的老齡化，這一數(shù)字還在不斷增長(zhǎng)。根據(jù)美國(guó)矯形假肢協(xié)會(huì)（AOPA）的研究結(jié)論，如果CYBER團(tuán)隊(duì)的增材制造解決方案能夠在VA的網(wǎng)絡(luò)里全面部署，到2020年，在醫(yī)療保險(xiǎn)方面的每件的開(kāi)支將可以節(jié)省13億美元。

該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將在2017完成概念證明。