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定制轻量化矫形鞋垫-拓扑优化与3D打印的完美结合

矫形鞋垫可帮助治疗大部分足部畸形与疾病

人类最基本的特征是直立行走,以及在行走过程中产生一系列的生物学效应。人类的行走,牵涉到人体全身所有环节,而作为直接接触地面的环节——足部,在整个过程中起到了重要的作用。但是往往由于一些外界因素导致足部的各个部分受力不均,造成足部不适的同时引发各类足部疾病,严重影响我们的日常生活行动。以临床上常见的足部畸形疾病之一的扁平足为例,根据文献统计,扁平足在我国青少年中占比高达25%,在运动员中占比高达11.7%,全球大约有10亿扁平足患者。其主要表现为足弓塌陷或足弓缺失,扁平足实际发病率远比相关文献统计数据高。我国人口调查报告显示,近30年来青少年扁平足患者增加了约20%,给个人健康和家庭生活造成大负担。因此,合理有效地矫正足部畸形对提高足部健康、预防足部疾病具有重要意义。

在足部疾病的防治方面,鞋类至关重要。研究表明,基于生物力学的矫形鞋垫可有效改善步态特征及足底压力分布情况。根据国内外足踝疾病治疗指南,大部分的早期的足部畸形与疾病可以通过康复鞋垫来治疗、减缓、甚至治愈。包括常见的扁平足、拇足内外翻、后跟骨刺、长短脚等常见足部疾病,甚至膝关节、骨盆与脊柱疾患也可以通过矫正力线,获得一定疗效。

以扁平足矫形为例,扁平足是临床上常见的足部畸形疾病,其特点是患者站在克服自身体重时,足弓呈现明显低足弓状态,主要是内侧纵弓下陷,距骨内旋和跖屈,前足外翻和外展,距舟骨覆盖角度增加,使足底触地面积较正常足增大,足底部组织相对较松弛。扁平足畸形的足底结构改变了足的功能,给身体带来了危害。由于下肢补偿机制的存在,使得扁平足畸形往往伴随着髌骨软化病和胫骨损伤等的牵连诱发。

目前临床上治疗平足多采用矫形鞋垫,矫形鞋垫以恢复人体正常生物力学为目的, 并能适应足踝部的解剖结构。其在正常足的足弓部位设计的凸起, 可以支撑塌陷的足弓。在长期使用中,矫正鞋垫通过为足部提供受力补偿及调整足部受力,对足部压力进行重新分配。可以增大足部受力面积,减轻各部分压强,减缓运动冲击,改善扁平足足部疼痛、内侧肌肉疼痛、腱鞘炎、关节的异常运动等功能,从而达到预防由于受力异常产生的足部疾病。

为保证矫形鞋垫的矫正效果,往往需要根据每个患者足部结构进行个性化定制。同时,需要考虑到支撑刚度、穿戴舒适性,以及鞋垫的轻量化效果等因素影响。传统的个性化定制矫形鞋垫主要是通过石膏模型制造,制作成本高昂且制造周期长,计算机辅助设计的发展使矫形鞋垫的设计与制造更加方便。当前较为先进的制造方法是由三维扫描仪获取足部三维结构,进行曲面重构后生成具有足弓特征表面的鞋垫三维模型,利用矫形鞋垫加工装置对鞋垫坯料进行雕刻加工。但是统一材料、密度往往会带来轻量化与支撑效果之间的矛盾。

拓扑优化与3D打印的出现让轻量化矫形鞋垫变为可能

拓扑优化技术与3D打印技术的出现则带来了在保证鞋垫力学性能的基础上实现轻量化的可能性。随着3D打印技术的成熟及点阵结构自身高比刚度、高比强度、轻质等特性,越来越受到关注。利用拓扑优化技术生成的点阵结构的鞋垫,不仅极大程度上释放了设计自由度,保证鞋垫的力学性能,还可以实现轻量化以及缓冲吸能的效果,同时也满足了部分有清粉工艺要求的3D打印技术。

但是,由于点阵结构自身的特殊性,在优化设计阶段是以带截面属性的一维单元表示。传统点阵结构鞋垫受到设计及制造的约束,往往采用归一化的晶胞结构,在赋予同一的截面属性并进行几何上的合并后转化为三维模型。一方面由于设计上的约束,无法在各个区域以点阵疏密形式实现支撑刚度差异化。另一方面,由一维单元的点阵结构到可打印的3D模型之间也存在着技术难题。因此,至今市面上未能出现可广泛制造的点阵结构个性化鞋垫。

Simright MinSole-在线轻量化鞋垫设计软件

Simright充分发挥自身在有限元前处理领域及拓扑优化领域的技术积累的优势,针对点阵结构的特点进行了技术攻关,现已实现了基于有限元拓扑优化技术的自动化鞋垫点阵结构优化设计。在此基础上,我们隆重推出了全球首款基于拓扑优化技术的在线轻量化鞋垫设计软件—— MinSole。这是一款通过Web浏览器在线使用的轻量化鞋垫设计软件,只需提供初始鞋垫几何模型及体重信息,即可自动完成鞋垫的轻量化点阵结构设计,并输出可3D打印的STL几何模型。

产品特色

  • 基于Web浏览器,可随时随地使用,无需安装软件
  • 少量输入信息即可自动完成轻量化结构设计,无使用门槛
  • 基于拓扑优化原理的鞋垫点阵结构设计,有效改善足底压力分布
  • 自动生成可直接3D打印的STL几何模型

MinSole可对用户上传的初始鞋垫几何模型进行自动几何清理,根据用户输入的体重及人体足部压力分布规律进行点阵结构优化设计。而后,自动将点阵结构转化为可直接打印的STL几何模型,同时考虑到实际打印工艺及避免打印后的点阵结构存在应力集中现象,在生成几何模型时自动生成了倒角。点阵结构的最小构件尺寸及间隙可根据用户选择的3D打印工艺进行调整,同时为了提升穿戴舒适性,为用户提供了增加表面蒙皮选项。

矫形鞋垫对于足部矫形的矫形效果已经过大量临床试验证实有效,为确保MinSole设计的轻量化鞋垫符合使用要求,Simright与国内领先的医疗机构进行了合作。经临床案例测试验证,所设计产品有助于改善患者行走步态及足底压力分布。优化后鞋垫质量与初始鞋垫相比降低28.5%,鞋垫整体应力分布均匀,最大位移值<1mm,保证了鞋垫的支撑性能满足日常使用要求,在此基础上实现了鞋垫轻量化设计。

目前,MinSole适用于扁平足、糖尿病足、长短腿等医用领域。根据国际糖尿病联盟(IDF)数据显示,2017年全球约4.25亿承认患糖尿病。根据《中国居民营养与慢性病状况报告(2015年)》,2012年中国18岁及以上居民糖尿病患病率更是达到了惊人的9.7%。在专业运动,健身等领域,定制化鞋垫也可以有效降低运动员受伤的风险。随着生活水平的不断提高,人们对足部保健的意识也愈来愈强烈。因此用于矫形、日常保健和运动防护的鞋垫和辅具需求量也不断增大。同时仿真技术、3D打印技术、人体数据建模技术等不断的完善发展,也将造福更多饱受足部疾病困扰的人们。