Applicazione della stampa 3D e dell'ottimizzazione topologica nella medicina riabilitativa

Autore: Wei Guoqiang, primario dell'ospedale popolare di Changzhi, provincia dello Shanxi

Xu Yangyang, capo tecnico dell'ospedale popolare di Changzhi, provincia dello Shanxi

Wang Yi, tecnico capo, ospedale popolare di Changzhi, provincia di Shanxi

Revisore: Wang Pingzhi Primario, Ospedale Bethune dello Shanxi, Direttore del Dipartimento di Medicina Riabilitativa, Membro del Gruppo di Neuroriabilitazione, Sezione di Medicina Fisica e Riabilitazione, Associazione Medica Cinese, Presidente del Comitato Professionale di Medicina Fisica e Riabilitazione, Associazione Medica dello Shanxi

La stampa 3D, nota anche come produzione additiva, è una tecnologia di prototipazione rapida che utilizza una varietà di materiali adesivi (inchiostri) per costruire oggetti stampandoli strato per strato sulla base dei file del modello digitale creato. Grazie alla stampa 3D è possibile ottenere rapidamente "ciò che pensi è ciò che ottieni". Dopo aver utilizzato i computer per eseguire la modellazione digitale, i progettisti possono immettere i dati nelle apparecchiature di stampa 3D per stampare rapidamente prototipi o prodotti, riducendo notevolmente il ciclo di progettazione e produzione.

L'applicazione della stampa 3D nella medicina clinica si divide in biostampa 3D e non biostampa 3D. Il primo termine si riferisce alla stampa di tessuti e organi biologicamente attivi, mentre il secondo si riferisce alla stampa che si limita a conferire aspetto e funzione. La differenza principale tra i due è che la biostampa 3D prevede la partecipazione delle cellule e può realizzare attività vitali più avanzate, persino vicine a quelle dei normali tessuti e organi umani. Rappresenta l'ultima frontiera della stampa 3D nel campo della medicina clinica. Attualmente, a causa dei limiti della tecnologia e delle materie prime, la maggior parte dei reparti di medicina riabilitativa nazionali utilizza la stampa 3D non biologica, ma ogni lavoro è unico, con dati precisi, misurazioni meccaniche accurate, design personalizzato, nuovo aspetto e buona corrispondenza. Con lo sviluppo della tecnologia, l'ambito di applicazione della stampa 3D diventerà sempre più ampio.

L'ottimizzazione topologica (TO), come metodo di progettazione assistita da computer, è spesso utilizzata per progettare e realizzare varie strutture nuove e complesse con vantaggi quali rigidità regolabile, caratteristiche stratificate ed eccellenti prestazioni di leggerezza.

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Casualmente, anche lo sviluppo dei tessuti di molte strutture organiche del corpo umano è stato sottoposto al processo di produzione additiva e di ottimizzazione topologica. Ad esempio, le ossa si depositano continuamente nelle aree portanti chiave e diventano gradualmente più rare nelle aree non portanti. Attraverso ripetute ottimizzazioni topologiche, la struttura ossea viene infine ottimizzata e distribuita in importanti aree portanti, ottenendo un perfetto equilibrio tra resistenza e peso. Sebbene l'applicazione della tecnologia di stampa 3D nella medicina riabilitativa sia limitata dai materiali proprietari, l'ottimizzazione topologica può compensare in una certa misura questa carenza. La combinazione di stampa 3D e ottimizzazione topologica può risolvere efficacemente molti problemi della medicina riabilitativa.

Negli ultimi anni abbiamo esplorato attivamente l'applicazione della stampa 3D e della tecnologia di ottimizzazione topologica nella medicina riabilitativa, coinvolgendo principalmente i seguenti aspetti:

Modello medico 1.3D

Può essere utilizzato per la didattica clinica e la simulazione chirurgica e può essere ripristinato, ingrandito o ridotto a seconda delle necessità. Ha le caratteristiche di essere oggettivo, reale, intuitivo, tangibile e simulabile.

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2. Trattamento ortopedico

(1) Ortesi di fissazione cervicale: è progettata individualmente in base alla lesione e alle condizioni chirurgiche, facile e veloce da indossare e può regolare stabilità, comfort, ampiezza di movimento e altri indicatori in qualsiasi momento in base al decorso della malattia e alle esigenze del paziente. L'ottimizzazione topologica consente di ottenere risultati leggeri e facilita l'osservazione delle lesioni.

Processo produttivo:

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Indossare

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(2) Ortesi per le dita dei piedi: raccogliere le immagini del piede, eseguire la progettazione biomeccanica dopo la modellazione e personalizzare l'ortesi per correggere con precisione le deformità delle dita dei piedi.

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(3) Tastiera leggera: la tastiera è migliorata e adattata alla forma per ridurre il peso e migliorare la traspirabilità.

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(4) Ortesi per l'articolazione delle dita: utilizzata per deformità dell'articolazione interfalangea e metacarpofalangea causate da artrite reumatoide, traumi, ecc. Ha un design personalizzato e può essere regolato nel tempo.

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(5) Ortesi elastica per pollice e indice: viene utilizzata per allungare e correggere le contratture della mano causate da ictus, danni ai nervi, ecc. È progettata digitalmente ed è bella, traspirante e confortevole.

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(6) Ortesi di fissaggio caviglia-piede: può sostituire il gesso e può essere preinstallata con imbottiture come vestiti e calzini. È facile da rimuovere, traspirante, leggero dopo l'ottimizzazione topologica e consente di osservare facilmente la lesione.

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(7) Ortesi di fissaggio dell'articolazione del gomito: sostituisce il gesso tradizionale e può essere preinstallata con imbottitura per indumenti. È facile da rimuovere, traspirante, leggero dopo l'ottimizzazione topologica e consente di osservare facilmente la lesione.

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(8) Ortesi di fissazione toracolombare: leggera dopo l'ottimizzazione topologica, facilita l'osservazione della lesione.

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(9) Ortesi T-shoe: può essere utilizzata per trattare le deformità di rotazione interna ed esterna degli arti inferiori nei pazienti con ictus, fratture degli arti inferiori, ecc. Il dispositivo del tallone può essere utilizzato per regolare l'angolazione.

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(10) Solette ortopediche: design personalizzato, topologicamente ottimizzato, può regolare l'altezza e la rigidità dell'arco, della pianta e delle dita dei piedi in qualsiasi momento per ottenere un trattamento ortopedico.

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3. Strumenti migliorati

Progettare e migliorare strumenti e attrezzature adatti a pazienti e terapisti.

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La tecnologia di stampa 3D presenta i seguenti vantaggi: personalizzazione, buona vestibilità, elevata precisione, ciclo di produzione breve, struttura leggera, buona traspirabilità, buon design impermeabile, imbottitura preimpostata, iterazione e aggiornamento rapidi, buona permeabilità (facile da osservare) e può essere regolata in qualsiasi momento in base alla risposta del paziente o ai cambiamenti delle condizioni. Allo stesso tempo, ci sono anche le seguenti carenze: innanzitutto, c'è il materiale. Mancano materiali di stampa che tengano conto di comfort, fermezza e durata. Sebbene l'ottimizzazione topologica possa compensare in una certa misura la mancanza di rigidità ed elasticità, lo scarso comfort non è comunque adatto all'uso a lungo termine; A ciò si aggiungono problemi quali la difficoltà e l'elevato costo della successiva lavorazione professionale (levigatura, artigianalità). Con il progresso della scienza dei materiali e l'integrazione di nuove tecnologie, tecnologie come la stampa 3D e l'ottimizzazione topologica apporteranno rapidi cambiamenti nella medicina riabilitativa.