通过Geomagic软件精确曲面生成曲面片以拟合得到NURBS曲面，使用曲面偏移命令得到松质骨模型见图3；偏差分析结果显示骨骼模型最大偏差为0.336 mm，证明模型建立准确。将尺骨、桡骨、软组织等导入Solidworks中装配得到前臂模型以及骨折线的建立，见图4。







2.2   前臂支具三维模型建立   针对传统支具模型设计周期长、步骤繁琐的情况，提出3D打印支具快速建模的方法。将采集的数据导入Grasshopper软件中，编写前臂支具的参数化反求设计建模程序，自动生成前臂支具模型。实现前臂支具三维模型的快速、精准构建，建好的前臂支具模型见图5。



2.3   有限元数值模拟结果分析   日常生活中，患者前臂骨折处的意外碰撞经常发生，此文通过有限元分析评估3D打印支具对骨折断裂处的保护效果。在前臂末端施加约束条件后，对没有支具保护的前臂骨折处施加100 N的力。外力通过肌肉组织传递到骨骼上，骨骼的应力、位移情况见图6，骨折断裂处的位移量为0.27 mm，其受到应力为1.53 MPa。在佩戴3D打印支具后，骨折处的位移下降到0.005 mm，应力下降至0.19 MPa，见图7，且在骨折断裂处没有出现应力集中的现象，说明3D打印支具可以有效保护前臂骨折免受二次伤害，支具的应力与位移情况见图8，具体分布情况与文献[26]基本相似。











2.4   支具拓扑优化   支具的有限元分析结果显示，在外力载荷的作用下，最大变形区域位于前臂近端区域，在支具的末端区域也出现了应力分布，并且根据临床经验判断，支具的主要受力区是前臂腕部及前臂末端部分，因此在定义3D打印前臂外固定支具时要限定支具的前端、后端及支具的轮廓边界的部分，确定支具的优化设计区域以及非设计区域[27]，见图9。通过分析表2，体积减少30%的支具刚度最优，但综合考虑支具透气性和支撑刚度问题，选取减少40%的体积为最优结果。再依据优化后结果对前臂支具结构进行设计打孔，使其既满足结构强度要求又能起到对前臂骨折的保护与稳定作用。用Grasshopper插件对支具进行打孔减材处理，减少支具质量的同时增加其透气性，优化后结果见图10。

根据上述的支具优化结果，在支具的镂空区域进行不同文样图案镂空设计，并进行设计后的强度分析对比，不同镂空设计的支具模型施加100 N的径向力，相应位移变化见图11，由图可得出当支具使用泰森多边形进行打孔设计时，支具强度最好，且当支具厚度为4 cm时，支具强度优于其他厚度，与文献[28]的抗弯强度测试结果基本相似。但综合考虑支具的质量和省材等问题，选用厚度为3 cm作为支具厚度。最终设计好的支具模型见图12。







2.5   3D打印前臂支具   构建完成的支具模型通过熔融沉积型3D打印机打印，并对打印出的成品进行后处理。首先对支具边缘进行打磨，防止支具对患者皮肤造成损伤；再对支具进行衬垫和固定装置的安装，增加患者的佩戴舒适度和支具的可调节性，处理完成的支具见图13。



2.6   支具满意度调查   环比评分法适用于各个评价对象之间有明显的可比关系，能直接对比，并能准确地评价功能重要程度比值的情况[29]。环比评分法确定指标的权重表见表3，根据表中的权值计算两种不同前臂骨折外固定的总体满意度。3D打印参数化前臂支具总体满意度为8.12，位于较好和满意之间；传统小夹板固定满意度6.62，位于尚可和较好之间，结果表明3D打印前臂支具的满意度更高。

前臂骨折所影响的肘、腕关节结构复杂，且在劳作过程中发挥着非常重要的作用，一直受到临床极度重视[1-3]。目前，前臂骨折的治疗方法包括手术治疗及闭合复位外固定治疗，而闭合复位外固定治疗仍然是临床非常重要的治疗选择方案。前臂骨折发生后，若治疗不及时或护理不当，会影响患者前臂功能的恢复，甚至会导致前臂功能的丧失[4-8]。

目前，前臂骨折经手法复位后主要采用石膏外固定、夹板外固定和高分子材料外固定的方法，这些方法均存在固定时贴合度不高、并发症风险高、可调节性差、对医生经验依赖性大等缺点[9]。康复过程中患者满意度总是由于支具笨重、透气性差等问题而降低，经验不足的医生可能会给患者带来不必要的疼痛及不良的固定效果。

近年来，由于在个性化特征和快速制造方面的提升，3D打印技术在骨科领域中迅速发展，对于骨折非手术治疗，已出现使用3D打印技术为患者制作有通风结构的个性化支具概念[10]。JANZING等[11]设计了一款可调节式3D打印前臂支具，通过调节支具两侧松紧装置可有效避免患者在消肿后支具的松动问题。WEI等[12]通过三维扫描技术和逆向建模技术建立支具初始模型，并根据临床经验与生物力学理论采用拓扑优化方法对支具进行打孔减材设计。曾焘等[13]将3D打印支具与小夹板结合治疗Colles骨折，丰富了外固定治疗方法。以上研究只对支具结构进行设计，并未对支具的生物力学性能展开分析。

研究表明，医学有限元分析有助于医生更好地了解患者损伤组织及外固定支具的生物力学特征[14]，而目前大多数基于3D打印技术前臂骨折的研究仅将人体前臂进行三维重建，通过逆向技术设计出支具，其设计缺乏对支具、手臂整体应力和位移的生物力学分析及3D打印外固定支具保护效果的验证。文中根据招募男性志愿者的CT图像，用Mimics软件重建得到前臂骨骼、肌肉软组织模型，将Rodin 4D扫描前臂模型数据导入Grasshopper软件中，基于Grasshopper插件的应用设计前臂骨折支具。此文利用有限元分析方法研究前臂在意外碰撞下支具对前臂骨折处的保护作用，为了给患者提供透气性良好的支具，根据支具的有限元结果对其进行拓扑优化以减少支具的质量和体积，该工艺可为前臂骨折患者提供保护作用良好、个性化稳定性强的3D打印支具。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

1.1   设计   计算机模拟实验。
1.2   时间及地点   实验于2021年8月在内蒙古工业大学3D打印研究实验室及内蒙古荣誉军人肢残康复中心完成。
1.3   对象  经书面知情同意，招募1名健康的男性志愿者，29岁，身高173 cm，体质量72 kg，既往无前臂创伤、肿瘤及肌肉病史。实验方案得到内蒙古工业大学机械工程学院伦理委员会批准。

采用飞利浦Philips Brilliance 64层螺旋CT机对志愿者前臂进行扫描，层间隔为0.67 mm，最终获得扫描断层数量为437层，后将Dicom格式的CT数据导入Mimics软件。
1.4   方法   
1.4.1   前臂三维模型重建   将志愿者前臂CT数据输入到Mimics软件中，对影像进行阈值分割、Calculate3D建模和平滑处理等完成前臂骨骼三维模型的重建，利用布尔运算对软组织进行建模；将Mimics重建得到的模型导入到Geomagic软件中，经过多边形、精确曲面阶段拟合生成NURBS曲面，再将生成的NURBS曲面模型导入Solidworks中，利用原点重合对各组织模型进行装配；文章研究的是常见的单纯桡骨稳定性骨折，目的是分析3D打印前臂外固定支具对骨折处的保护固定效果，为了充分模拟前臂骨折状况，通过Solidworks软件中表面切割功能距桡骨约5 cm切为横向骨折。 
1.4.2   前臂支具建模  利用M4D白光扫描仪对志愿者前臂进行扫描，构造出前臂外廓三维模型，在传统制造过程中是对前臂进行三维扫描后将点云数据导入Geomagic中做优化处理，再将处理好的模型导入Magic中对支具进行设计[15-16]。而此文通过Rodin4D软件处理后的模型可直接生成曲面片以stl文件导出。后将模型导入到Grasshopper软件中，基于Grasshopper插件的应用进行支具的参数化反求建模，整个支具模型要与皮肤表面保持一定的距离，支具的两端设置尼龙扣带，可微调支具松紧以适应患者最初炎症肿胀阶段[17]，文章设计的外固定支具由于其轻便、可调节性好等优点，利于患者后期运动康复训练及骨折后期的愈合[18]，建模过程见图1。

1.4.3   有限元分析   将重建得到的骨骼、软组织和支具模型进行装配后导入到Ansys workbench软件对支具保护、稳定患者前臂骨折情况进行仿真分析。此文将皮质骨、松质骨及软组织定义为各向同性均匀的线弹性材料，3D打印支具的材料为聚乳酸。查阅相关文献，对各组织材料进行属性赋值，有限元模型支具、骨骼及软组织材料，见表1[19-20]。用四面体主导划分法划分网格，骨骼单元尺寸为3 mm，软组织单元尺寸为4 mm，支具单元尺寸为4 mm，对于应力可能集中的地方，如骨折处需要进行网格细化。皮质骨的单元数与节点数分别为21 297和39 905，松质骨分别为18 260和30 568，软组织分别为153 227和222 884，支具分别为40 861和78 575。

文章通过有限元分析研究在突发撞击外力作用情况下，支具能否减小外力对骨折断裂处的应力与位移变化，验证3D打印外固定支具对前臂骨折的保护功能。将支具与前臂软组织和骨骼与软组织之间设定为绑定接触，一般选用刚度大的为目标面，在此文接触对中分别选用皮质骨内侧与支具内侧为目标面，松质骨外侧与软组织为接触面，骨折段面间采用摩擦接触，摩擦系数为0.15。接触算法用增强拉格朗日算法，会使计算结果更易收敛。边界条件为：固定前臂末端区域，约束类型为完全固定。分别在有支具或没有支具的情况下，对桡骨骨折区域外部施加100 N的径向力，观察不同情况下骨折处的应力分布以及断裂面的位移。
1.4.4   支具优化   拓扑优化是以材料分布为优化对象，为了满足某种性能指标，在给定的载荷和边界条件下，寻求均匀分布材料设计空间中最佳分布的方案[21]。此文采用Ansys 中拓扑优化(topologial optimization)模块对支具结构进行优化，在保证支具刚度最优的同时减小体积[22]，将支具优化减少的体积分别设置为30%，40%，50%，60%，使用的拓扑优化方法是变密度法，优化目标为：压力载荷下加权刚度最大化。每次计算迭代20次，收敛精度为0.001，引入支撑刚度定量评价优化后支具的力学性能，按照公式(1)，对优化后支具的支撑刚度进行计算分析，当优化结果收敛时，保存优化出的最优材料分布。

支具支撑刚度K定义如下：

K=Fr/δr                                                                                         (1)

公式(1)中：K为支撑刚度，Fr为径向支撑力，δr为径向位移。

依据拓扑优化的结果，使用Grasshopper插件对支具进行打孔设计。此文提出使用圆形、方形和泰森多边形作为文案图样对支具进行镂空设计，通过对比不同文样图案支具强度，确定最终打孔图样的支具模型。
1.4.5   3D打印支具   3D打印制作出的个体化前臂支具，提高了患者的满意度和佩戴舒适度，让患者的治疗效果更加理想[23]。将前臂支具数字化模型文件导入CURA软件进行切片处理，使用热塑型材料聚乳酸通过逐层打印的方式打印前臂支具，打印层厚为0.2 mm。
1.4.6   满意度评价   被试者分别佩戴3D打印支具和传统夹板固定2 h，填写满意度主观评价表，分别对支具的贴合性、舒适性、易用性等性能指标进行打分。然后根据环比评分法确定出指标的权重，计算支具的总体满意度。权重是指某因素在整体评价中的相对重要程度，权重越高，则表示该因素越重要[24]。
1.5   主要观察指标   前臂骨折断裂处位移与应力的分布及变化。

前臂骨折是临床骨科比较常见的骨折类型，占全身长骨骨折的7.5%。石膏与夹板外固定技术已广泛应用于前臂骨折的非手术治疗中，且可成功实现骨折处的愈合，但是由于其不透气性、压力不平衡等缺陷，会导致出现皮肤疾病、筋膜综合征等并发症，影响患者生活质量，导致其依从性下降[30]。从患者的角度出发，3D打印支具在佩戴舒适性、质量、易用性等方面具有明显优势，并且3D打印的支具可以显著改善皮肤卫生、减少皮肤溃疡，由于3D打印支具的设计数据可以被长期存储，所以支具可以很容易并方便地被重新打印[31]。

临床上治疗前臂骨折的方法较多，但生物力学研究结果是确定治疗方案的基础，生物力学是以人体解剖学、人体生理学和力学理论与方法对生物体中的力学问题进行定量研究的学科[32]。HUA等[33]通过对不同小夹板固定桡骨远端骨折的生物力学分析，对比腕部不同部位的应力分布，得出解剖夹板是治疗骨折的最有效方法。魏成建等[34]运用有限元分析法对动力气囊压垫治疗前臂骨折残余侧方移位距离进行了量化研究，为智能气囊夹板的实际应用提供了量化数据。而先前的研究大多数都是围绕小夹板固定所展开的，对3D打印支具的生物力学性能研究却很少。

研究表明，有限元分析方法在人体生物力学研究任务中发挥着重要的作用，且长期以来成功应用于评估外部载荷对生物组织的影响。然而，在有限元分析计算中，有必要对有限元模型进行一定的简化[35]。由于软组织在大变形情况下的非线性、黏弹性特点会导致计算结果不易收敛、计算时间长等问题，文章将骨与软组织简化为线弹性各项同性材料。此文主要是对比前臂在佩戴支具前后外载荷对骨折处的影响，所以这些简化并不会降低结果的有效性。

随着计算机辅助技术、3D打印技术、三维扫描技术与医学领域的融合发展，3D打印制作的外固定支具是未来治疗人体骨折的一种趋势。目前市面上3D打印制作的产品仍然很少，一方面是由于其制作成本相对较高，另一方面是由于3D打印制作支具的保护效果与整体生物力学性能尚不清楚。文章建立了前臂及支具的完整有限元模型，通过有限元模拟预测整体运动范围内骨折处应力与位移的变化。研究表明，骨折再移位的原因主要是肌肉牵拉和外力引起的剪切应力。因而，此文在有限元分析中，分别在有无支具保护的情况下对骨折处施加100 N的径向外力，计算骨折处的位移与应力分布，结果表明，骨折断裂处在支具的保护下位移与应力分布要比没有支具保护情况下小得多，位移从0.27 mm下降至0.005 mm，应力从1.53 MPa下降至0.19 MPa，且没有应力集中，结果表明该新型3D打印支具在意外碰撞时可有效保护骨折断裂部位。文章利用拓扑优化分析对支具进行打孔减材处理，使其在减少体积质量的同时具有足够的刚度，通过对比不同图案文样对支具镂空设计后的强度，选择泰森多边形作为支具的打孔图案。

文章结合逆向建模方法、数字化设计与3D打印技术设计了一种新型3D打印支具，并通过有限元分析对支具保护效果进行了有效的预测分析，该方法建立的前臂支具设计、验证与制造系统可为后续3D打印支具提供新的参考。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

文题释义：

Geomagic软件：作为专业的自动化逆向工程软件，可以直接载入现成点云数据或三角网格数据，处理复杂形状的数据模型。经过对模型多边形阶段处理和精确曲面阶段可以拟合生成NURBS曲面，并且可以快速简单地导出CAD文件，利于后续的模型设计与有限元分析。

拓扑优化：是实现结构轻量化的重要手段之一，根据模型的边界条件、使用工况，确定优化的基本性能指标。依据对支具的拓扑优化分析，对支具结构进行再设计，使其既能满足结构强度要求又可达到减材通风效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

此文利用有限元分析方法研究前臂在意外碰撞下支具对前臂骨折处的保护作用，为给患者提供透气性良好的支具，根据支具的有限元结果对其进行拓扑优化以减少支具的质量和体积，该工艺可为前臂骨折患者提供保护作用良好、个性化稳定性强的3D打印支具。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程