日前，美國密歇根大學與Altair Engineering和Stratasys公司攜手合作，共同組成了CYBER團隊。該團隊最近接受America Makes（即美國國家增材制造創(chuàng)新研究員）的委托和資助，致力于開發(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）來改造踝足矯形器（AFO）的設計、舒適性、實用性和定制。

為了做到這一點，CYBER團隊將開發(fā)出一種增材制造（AM）設計的數(shù)字化流程，而這個流程將會與一個基于云計算的網(wǎng)絡系統(tǒng)相連接，并通過后者銜接熔融沉積成型（FDM®）增材制造技術和Altair® OptiStruct®軟件，最終實現(xiàn)踝足矯形器（AFO）的定制化制造。

當前AFO制造的痛點

傳統(tǒng)上，要為患者定制AFO的話，就需要熟練的矯正器修配者和技術人員使用玻璃鋼鑄帶為患者的小腿制造一個“模腔（impression）”（A和B，見下圖）；（C）然后將液態(tài)的石膏澆鑄進模腔，制作出模型；（d）用手工在患者的骨骼突起和耐壓區(qū)的相應位置修改石膏模型；（E）使用一個熱塑性板在模型周圍進行真空成型；（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

這個過程的痛點在于，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，它還無法兼容現(xiàn)代分析技術以優(yōu)化AFO的強度和彈性，以最大化患者的行動能力。

CYBER解決方案：通過工業(yè)4.0實現(xiàn)AFO的制造

為此CYBER團隊共同合作致力于直接解決這些影響患者和護理人員的痛點，同時優(yōu)化AFO，減少制造成本，加快生產(chǎn)速度。

未來基于云計算的網(wǎng)絡物理系統(tǒng)將允許臨床醫(yī)生利用一個在線門戶創(chuàng)造AFO，并將其臨床專業(yè)知識與自動化工具結(jié)合起來為患者制訂處方。他們開發(fā)的網(wǎng)絡物理系統(tǒng)將會把基于云計算的算法過程與物理組件制造無縫集成起來以優(yōu)化零部件的整體幾何形狀及其對應的刀具路徑。

該AFO增材制造解決方案的優(yōu)勢包括：

    減少交貨時間：AFO通常交貨時間是2-4周。該團隊計劃通過網(wǎng)絡物理系統(tǒng)將交貨時間縮減為1天；

    提高精度水平：石膏在干燥后往往會收縮，所以以前如果不經(jīng)過迭代或者有經(jīng)驗的執(zhí)業(yè)醫(yī)師的話，其石膏模具往往難以精確復制患者踝關節(jié)和腳部的形狀。CYBER團隊計劃利用精確的3D掃描，即可提供即時、準確的AFO設計。

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

    提升了AFO設計的自由度：AFO的形狀受到了當前制造能力的限制，使得醫(yī)師和設計人員無法設計更加復雜的功能。

該團隊計劃通過在計算模型和刀具路徑基礎上的優(yōu)化來推動未來的AFO設計，同時鼓勵臨床醫(yī)生參與以提供個性化護理。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項目中非常重要。

不過就目前而言，AFO的增材制造流程還相當復雜，對于操作人員的要求非常高，除此之外，當前的增材制造流程還有一下缺點：

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

    多材料：在一個定制的AFO上，同時需要硬質(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：目前還沒有一種軟件系統(tǒng)可以無縫地處理所有數(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。

美國退伍軍人將率先受益

根據(jù)CYBER團隊的計劃，美國退伍軍人管理局（VA）將成為該解決方案的第一個合作伙伴。該方案一旦測試完成，就會部署到全美的VA矯形器和假肢網(wǎng)點，首先為退伍軍人和他們的家庭服務。

據(jù)統(tǒng)計，從2005到2009，VA花在矯形器和假肢方面的開支幾乎增加了80%，從9.07億美元增長至16億美元。單在2009年VA就給退伍軍人提供了150萬件矯形器。隨著整體人口的老齡化，這一數(shù)字還在不斷增長。根據(jù)美國矯形假肢協(xié)會（AOPA）的研究結(jié)論，如果CYBER團隊的增材制造解決方案能夠在VA的網(wǎng)絡里全面部署，到2020年，在醫(yī)療保險方面的每件的開支將可以節(jié)省13億美元。

該項目預計將在2017完成概念證明。