日前，美國密歇根大學與(yu) 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（即美國國家增材製造創新研究員）的委托和資助，致力於(yu) 開發出一種解決(jue) 方案，該方案將利用3D打印和工業(ye) 4.0（ Industry 4.0）來改造踝足矯形器（AFO）的設計、舒適性、實用性和定製。

為(wei) 了做到這一點，CYBER團隊將開發出一種增材製造（AM）設計的數字化流程，而這個(ge) 流程將會(hui) 與(yu) 一個(ge) 基於(yu) 雲(yun) 計算的網絡係統相連接，並通過後者銜接熔融沉積成型（FDM®）增材製造技術和Altair® OptiStruct®軟件，最終實現踝足矯形器（AFO）的定製化製造。

當前AFO製造的痛點

傳(chuan) 統上，要為(wei) 患者定製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(wei) 患者的小腿製造一個(ge) “模腔（impression）”（A和B，見下圖）；（C）然後將液態的石膏澆鑄進模腔，製作出模型；（d）用手工在患者的骨骼突起和耐壓區的相應位置修改石膏模型；（E）使用一個(ge) 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；然後在上麵添加必要的輔助材料，比如填充物或者帶子等；最後將其裝AFO患者身上。

製作定製踝足矯形器的傳(chuan) 統工藝

這個(ge) 過程的痛點在於(yu) ，由於(yu) 需要諸多環節和熟練的技師，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(ti) 使用的板材厚度不變限製了其優(you) 化結構和重量的能力；除此之外，它還無法兼容現代分析技術以優(you) 化AFO的強度和彈性，以最大化患者的行動能力。

CYBER解決(jue) 方案：通過工業(ye) 4.0實現AFO的製造

為(wei) 此CYBER團隊共同合作致力於(yu) 直接解決(jue) 這些影響患者和護理人員的痛點，同時優(you) 化AFO，減少製造成本，加快生產(chan) 速度。

未來基於(yu) 雲(yun) 計算的網絡物理係統將允許臨(lin) 床醫生利用一個(ge) 在線門戶創造AFO，並將其臨(lin) 床專(zhuan) 業(ye) 知識與(yu) 自動化工具結合起來為(wei) 患者製訂處方。他們(men) 開發的網絡物理係統將會(hui) 把基於(yu) 雲(yun) 計算的算法過程與(yu) 物理組件製造無縫集成起來以優(you) 化零部件的整體(ti) 幾何形狀及其對應的刀具路徑。

該AFO增材製造解決(jue) 方案的優(you) 勢包括：

    減少交貨時間：AFO通常交貨時間是2-4周。該團隊計劃通過網絡物理係統將交貨時間縮減為(wei) 1天；

    提高精度水平：石膏在幹燥後往往會(hui) 收縮，所以以前如果不經過迭代或者有經驗的執業(ye) 醫師的話，其石膏模具往往難以精確複製患者踝關(guan) 節和腳部的形狀。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的製造，節省了患者和護理人員的成本。

    提升了AFO設計的自由度：AFO的形狀受到了當前製造能力的限製，使得醫師和設計人員無法設計更加複雜的功能。

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

不過就目前而言，AFO的增材製造流程還相當複雜，對於(yu) 操作人員的要求非常高，除此之外，當前的增材製造流程還有一下缺點：

    機器的製造能力：目前增材製造技術的製造能力尚不足以支持患者一次造訪即獲得定製的AFO。CYBER需要找到一種新的設計方法，以增加機器產(chan) 能和實現更低的材料用量，同時保持結構的完整性和功能性。

    多材料：在一個(ge) 定製的AFO上，同時需要硬質材料提供結構性的功能和柔性材料提供舒適性；

    缺乏臨(lin) 床接口和係統集成：目前還沒有一種軟件係統可以無縫地處理所有數據，這些數據包括患者的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(jun) 人將率先受益

根據CYBER團隊的計劃，美國退伍軍(jun) 人管理局（VA）將成為(wei) 該解決(jue) 方案的第一個(ge) 合作夥(huo) 伴。該方案一旦測試完成，就會(hui) 部署到全美的VA矯形器和假肢網點，首先為(wei) 退伍軍(jun) 人和他們(men) 的家庭服務。

據統計，從(cong) 2005到2009，VA花在矯形器和假肢方麵的開支幾乎增加了80%，從(cong) 9.07億(yi) 美元增長至16億(yi) 美元。單在2009年VA就給退伍軍(jun) 人提供了150萬(wan) 件矯形器。隨著整體(ti) 人口的老齡化，這一數字還在不斷增長。根據美國矯形假肢協會(hui) （AOPA）的研究結論，如果CYBER團隊的增材製造解決(jue) 方案能夠在VA的網絡裏全麵部署，到2020年，在醫療保險方麵的每件的開支將可以節省13億(yi) 美元。

該項目預計將在2017完成概念證明。