医疗和牙科

学生工程师的新型“V3D”假肢插座只需30欧元就可以3D打印出来

一个机械工程专业的学生荷兰代尔夫特科技该公司设计了一种假肢上肢插座,可以使用每日FDM系统进行3D打印,价格仅为30欧元。

昵称为“V3D”,这种经桡骨装置的特点是一个音量可调的闭合系统,允许用户在移动假肢之前轻松地安装假肢,并进行大范围的屈曲和全肘伸展。打印只需4小时,这种多功能插座的设计满足了偏远地区居民的需求,那里的3D扫描仪和定制假肢可能有限。

代尔夫特理工大学学生Isra Kamaal的3D打印假肢插座的标签图。
代尔夫特理工大学学生以色列卡迈勒的“V3D”3D打印假肢插座的标签图表。图片来自代尔夫特理工大学。

被忽视的上肢截肢者

每年有6000到10000名美国公民接受上肢截肢手术,手术中他们会失去一部分前臂,并安装假肢,以帮助恢复他们的身体功能。这些插座对于某些义肢的安全连接至关重要,当它们不合适时,可能会导致佩戴者附近的组织出现水泡。

目前,许多假肢窝是通过耗时的石膏模塑工艺制造的,可能需要长达五周的时间,如果患者的体重或尺寸发生变化,他们必须再次忍受这种等待。另一方面,使用3D打印技术,现在可以将解剖3D扫描迅速转化为个性化的假肢,但这种方法迄今为止在很大程度上仅限于创建下肢窝。

为了给上肢截肢者带来加法制造的好处,代尔夫特大师的学生Israa Kamal因此着手设计一种新型的假肢接受腔,不仅可以制作和安装随需应变,但病人进行调整,以满足个人的需求,让他们充分伸展肘部没有限制。

代尔夫特理工大学的两名学生Isra Kamaal的早期3D打印插座设计。
Kamal结合了她早期的两个插座概念(如图)在V3D的设计中。图片来自代尔夫特理工大学。

按需义肢插座

最初,Kamal提出了五个插座的概念,每个插座都有不同的机制和透气性水平,然后将两种紧固模型的最佳部分结合起来,创建一个单一的优化设计。代尔夫特工程师的最终设计包括一个主壳体、可调节的机翼和一个上部附件,该附件通过肘部的旋转关节与假肢连接。

从理论上讲,这一概念允许用户在不干扰手腕单元的情况下自由调整插座,而设备的末端可以根据个人佩戴者的手腕进行定制。一旦确定了她的最终设计,卡莫利用了Ultimaker S5用3D打印机和PLA材料制造出一个价值30欧元的原型机,如果批量生产,她说未来的制造成本会更低。

相比传统的套接字,重约240克,V3D证明是相当轻170 g,在轴向加载,弯曲和冲击测试,该设备能够承受10公斤的负载,诱导应力高达50 n,下降到2.4米的高度没有表现出任何可见的损伤。

在弯曲测试期间的V3D假肢插座。
卡迈勒的弯曲测试(如图)是为了模拟现实生活中背着沉重袋子的场景而设计的。图片来自代尔夫特理工大学。

在验证了她的新设计后,Kamal征集了五名志愿者的帮助,由于COVID-19的限制,他们虽然身体健全,但仍然能够评估设备的舒适性和功能性。最终,每个参与者的不同尺寸的四肢都可以适应插座,但他们可以完全伸展他们的肘部,他们的屈曲自由程度会根据设备的适合程度而变化。

根据她早期的研究结果,Kamal得出结论,植入功能性窝取决于患者肘关节屈曲到90°时残肢的尺寸。为了适应这一点,这位实习工程师草拟了一份未来插座配件的“尺寸指南”,然后补充说,她的进一步设计可能包括一个肘关节球关节,为用户提供更高的屈曲范围。

随着V3D的初步成功,它的设计现在被传递到内梅亨大学医学中心在那里,3D打印假肢将被开发用于治疗荷兰和塞拉利昂的截肢者。卡马尔在她的研究中总结道:“这个插座已经证明,在没有3D扫描仪的情况下,可以使用卡尺来安装。”

“这一优势使得在没有3D扫描仪的社区生产V3D是可行的,”她补充说。“此外,插座可以参数化,这样具有相似几何形状和类似尺寸的残肢的用户可以适应相同的插座,这将使制造过程更少的劳动密集型和更少的时间,正如它的目标。”

3D打印假肢的速度

虽然AM通常被用于制造假肢,但它通常被用来创造肢体本身,而不是他们的连接插座。过去,可穿戴设备专家UNYQ在某种程度上与这一趋势相反的是3D打印腿插座尽管与卡马尔的工作不同,但该设备实际上是设计用于治疗下肢截肢者,而不是上肢截肢者。

在其他地方,增材制造正日益使更大规模的假肢生产成为可能,来自世界各地的科学家以色列理工学院已经成功地创造了一个肢体3D打印生产线.通过将先进的成像技术与扫描和打印技术相结合,该团队现在可以通过点击一个按钮来制造出栩栩如生的四肢。

与此类似,假肢制造商部分手解决方案(PHS)透露,它目前正在使用Formlabs”形式13D打印机来制造它的儿童手指和肘部植入.从注射成型到SLS增材制造的转变使得该公司的生产周期从几周缩短到几天。

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特色图片显示了代尔夫特理工大学学生以色列卡迈勒的“V3D”3D打印假肢插座的后视图。图片来自代尔夫特理工大学。

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