定制轻量化矫形鞋垫-拓扑优化与3D打印的完美结合

矫形鞋垫可资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，以及在行走历程中爆发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，在整个历程中起到了重要的作用。可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种种足部疾病，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，凭据文献统计，扁平足在我国青少年中占比高达25%，在运发动中占比高达11.7%，全球约莫有10亿扁平足患者。其主要体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。我国人口视察报告显示，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担负。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。研究标明，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漫衍情况。凭据海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、是非脚等常见足部疾病，甚至膝枢纽、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，足弓泛起明显低足弓状态，主要是内侧纵弓下陷，距骨内旋和跖屈，前足外翻和外展，距舟骨笼罩角度增加，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效，给身体带来了危害。由于下肢赔偿机制的保存，使得扁平足畸形往往陪同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接纳矫形鞋垫，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。在恒久使用中，矫正鞋垫通过为足部提供受力赔偿及调解足部受力，对足部压力进行重新分派�？梢栽龃笞悴渴芰γ婊�，减轻各部分压强，减缓运动攻击，改善扁平足足部疼痛、内侧肌肉疼痛、腱鞘炎、枢纽的异常运动等功效，从而抵达预防由于受力异常爆发的足部疾病。

为包管矫形鞋垫的矫正效果，往往需要凭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、衣着舒适性，以及鞋垫的轻量化效果等因素影响。古板的个性化定制矫形鞋垫主要是通过石膏模型制造，制作本钱高昂且制造周期长，盘算机辅助设计的生长使矫形鞋垫的设计与制造越发便当。目今较为先进的制造要领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外貌的鞋垫三维模型，利用矫形鞋垫加工装置对鞋垫坯料进行镌刻加工。可是统一质料、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打印的泛起让轻量化矫形鞋垫变为可能

拓扑优化技术与3D打印技术的泛起则带来了在包管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，不但极洪流平上释放了设计自由度，包管鞋垫的力学性能，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。

可是，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位体现。古板点阵结构鞋垫受到设计及制造的约束，往往接纳归一化的晶胞结构，在付与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别化。另一方面，由一维单位的点阵结构到可打印的3D模型之间也保存着技术难题。因此，至今市面上未能泛起可广泛制造的点阵结构个性化鞋垫。

8868体育官网科技对用户脚部几何模型进行几何清理，凭据用户输入的体重及人体足部压力漫衍纪律进行点阵结构优化设计。此后，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制止打印后的点阵结构保存应力集中现象，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凭据用户选择的3D打印工艺进行调解，同时为了提升衣着舒适性，为用户提供了增加外貌蒙皮选项。

矫形鞋垫关于足部矫形的矫形效果已经过大宗临床试验证实有效，为确保设计的轻量化鞋垫切合使用要求，8868体育官网科技与海内领先的医疗机构进行了相助。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漫衍。优化后鞋垫质量与初始鞋垫相比降低28.5%，鞋垫整体应力漫衍均匀，最大位移值<1mm，包管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，矫形鞋垫适用于扁平足、糖尿病足、是非腿等医用领域。凭据国际糖尿病联盟（IDF）数据显示，2017年全球约4.25亿认可患糖尿病。凭据《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抵达了惊人的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发动受伤的危害。随着生活水平的不绝提高，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绝增大。同时仿真技术、3D打印技术、人体数据建模技术等不绝的完善生长，也将造福更多饱受足部疾病困扰的人们。

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