リハビリテーション医療における3Dプリントとトポロジー最適化の応用

著者: 魏国強、山西省長治人民病院主任医師

Xu Yangyang 氏、山西省長治人民病院主任技師

山西省長治人民病院技師長、Wang Yi 氏

査読者: 王平志 山西ベスーン病院主任医師、リハビリテーション医学部長、中国医師会理学療法・リハビリテーション支部神経リハビリテーショングループメンバー、山西医師会理学療法・リハビリテーション専門委員会委員長

3D プリンティングは、積層造形とも呼ばれ、作成されたデジタル モデル ファイルに基づいて、さまざまな接着材料 (インク) を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築するラピッド プロトタイピング テクノロジです。 3D プリントは、「思った通りのもの」をすぐに実現できます。デザイナーはコンピューターを使用してデジタルモデリングを実行した後、3D プリンターにデータを入力してプロトタイプや製品をすばやく印刷できるため、設計と製造のサイクルが大幅に短縮されます。

臨床医学における 3D プリンティングの応用は、3D バイオプリンティングと 3D 非バイオプリンティングに分けられます。前者は生物学的に活性な組織や臓器の印刷を指し、後者は外観と機能のみを実現する印刷を指します。両者の最大の違いは、3D バイオプリンティングでは細胞の参加が伴い、通常の人間の組織や臓器に近い、より高度な生命活動を実現できることです。それは臨床医学分野における3Dプリンティングの究極の追求です。現在、技術と原材料の制限により、国内のリハビリテーション医学部門のほとんどは3D非生物印刷を使用していますが、各作品は独自のものであり、正確なデータ、正確な機械的測定、パーソナライズされたデザイン、新しい外観、優れたマッチングを備えています。技術の発展に伴い、3Dプリントの応用範囲はますます広がっていきます。

トポロジー最適化 (TO) は、コンピュータ支援設計手法として、調整可能な剛性、階層化された機能、優れた軽量性能などの利点を備えたさまざまな新しい複雑な構造を設計および製造するためによく使用されます。

図1 著作権画像、転載禁止

偶然にも、人体の多くの臓器構造の組織発達も、付加製造とトポロジー最適化のプロセスを経てきました。たとえば、骨は主要な荷重支持領域に継続的に蓄積され、非荷重支持領域では徐々にまばらになります。トポロジーの最適化を繰り返すことで、最終的に骨の構造が最適化され、重要な荷重支持領域に分散され、強度と重量の完璧なバランスが実現します。リハビリテーション医療における 3D プリント技術の応用は独自の材料によって制限されていますが、トポロジー最適化によってこの欠点をある程度補うことができます。 3D プリントとトポロジー最適化を組み合わせることで、リハビリテーション医療における多くの問題を効果的に解決できます。

近年、当社はリハビリテーション医療における 3D プリンティングとトポロジー最適化技術の応用を積極的に検討しており、主に以下の側面に取り組んでいます。

1.3D医療モデル

臨床教育や手術シミュレーションに使用でき、必要に応じて復元、拡大、縮小することができます。客観的、現実的、直感的、触覚的、シミュレーション可能という特徴があります。

図2 著作権画像、転載禁止

2. 整形外科治療

（1）頸椎固定装具：外傷や手術状況に応じて個別に設計されており、装着が簡単で迅速であり、病気の経過や患者のニーズに応じて、安定性、快適性、可動域などの指標をいつでも調整できます。トポロジ最適化により軽量化が実現され、損傷の観察が容易になります。

製造工程:

図3 著作権画像、転載禁止

着る

図4 著作権画像、転載禁止

図5 著作権画像、転載禁止

（２）足指装具：足の画像を収集し、モデリング後に生体力学的設計を行い、足指の変形を正確に矯正するための装具をカスタマイズします。

図6 著作権のある画像は複製が許可されていません

（３）軽量指板：指板の形状を改良・調整し、軽量化と通気性を向上しました。

図7 著作権画像、転載禁止

（4）指関節装具：関節リウマチ、外傷などによる指節間関節および中手指節関節の変形に使用します。個人に合わせた設計で、時間に合わせて調整できます。

図8 著作権画像、転載禁止

（５）親指と人差し指のストレッチ装具：脳卒中や神経損傷などによる手の拘縮をストレッチして矯正するために使用されます。デジタル設計で美しく、通気性があり、快適です。

図9 著作権画像、転載禁止

（６）足関節固定装具：ギプスの代わりになり、衣服や靴下などのパッドをあらかじめ装着しておくことができる。取り外しが簡単で、通気性があり、トポロジー最適化後の軽量で、損傷を観察しやすいです。

図10 著作権画像、転載禁止

（７）肘関節固定装具：従来のギプスに代わるもので、衣類のパッドをあらかじめ装着しておくことができます。取り外しが簡単で、通気性があり、トポロジー最適化後の軽量で、損傷を観察しやすいです。

図11 著作権画像、転載禁止

（８）胸腰椎固定装具：トポロジー最適化により軽量化され、損傷の観察が容易になった。

図12 著作権画像、転載禁止

（９）T型靴装具：脳卒中、下肢骨折等の患者の下肢の内旋・外旋変形の治療に使用できます。かかと装置を使用して角度を調整できます。

図13 著作権画像、転載禁止

（10）整形外科用インソール：パーソナライズされたデザイン、位相的に最適化されており、いつでもアーチ、足裏、つま先の高さと硬さを調整して整形外科治療を実現します。

図14 著作権画像、転載禁止

3. 改善されたツール

患者とセラピストに適したツールと機器を設計および改善します。

図15 著作権画像、転載禁止

3D プリント技術には、パーソナライズ、優れたフィット感、高精度、短い製造サイクル、軽量構造、優れた通気性、優れた防水設計、プリセットパディング、迅速な反復と更新、優れた透過性 (観察しやすい)、患者の反応や状態の変化に応じていつでも調整できるなどの利点があります。同時に、次のような欠点もあります。まず、素材があります。着心地、硬さ、耐久性を考慮した印刷素材が不足しています。トポロジー最適化により、剛性と弾力性の不足をある程度補うことができますが、快適性が低いため、長期間の着用には適していません。また、その後の専門的な加工（滑らかさ、職人技）が難しく、コストが高いなどの問題もあります。材料科学の進歩と新技術の統合により、3Dプリンティングやトポロジー最適化などの技術がリハビリテーション医療に急速な変化をもたらすでしょう。