3D打印在下肢矫形支具中的应用

一、概论

畸形矫正支具是在人体生物力学的基础上，作用于人体四肢或躯干，以保护、稳定、预防、矫正畸形的体外矫形支具。通过三点力作用原理矫正肢体、躯干已出现的畸形，可通过矫形支具的限制预防潜在的畸形发生和发展。以治疗部位分类，可分为上肢矫形支具、下肢矫形支具及脊柱矫形支具。有的只具有单一的治疗作用，有的同时具备多种治疗功效。矫形支具还分为静止性矫形支具和动态性矫形支具:前者不能活动，通常用来固定或维持生理力线;后者则带有关节或弹力部件，可做单向或多向的运动。

矫正支具可以引导生长发育，矫正和控制畸形的发生、发展。目标是矫正肢体、躯干非生理的对线关系或改善为生理的对线关系。它利用的是杠杆原理，通过支具持久的支撑作用，在患者生长发育过程中，达到逐渐矫形，预防畸形发生或加重，从而实现矫正或改善肢体、躯干对线的目标。因此，力的大小、位置、方向都会影响矫正的效果。

二、矫形支具的生物力学

矫形支具的基本作用不外乎是固定、稳定、减免轴向承重、抑制肌肉痉挛、补偿肢体功能，特别是预防和矫正畸形。这些都与人体的生物力学有关，都是依靠支具对人体某些部位形成外力作用实现的。因此，矫形支具的生物力学知识，是理解肢体躯干畸形、写好支具处方和做好支具设计的基础。有关支具生物力学方面的知识很多，包括人体功能解剖学、步态学、动力学、力和力矩、平衡、静态力线、足底支撑面积、足杠杆等方面。

1.力矩 

力矩=力x力臂，能引起物体围绕旋转轴转动的物理量称为“力矩”。力矩的大小取决于力与力臂的乘积。力矩的单位用Nm表示。顺时针方向的力矩为正力矩，逆时针方向的力矩为负力矩。支具对身体某个部位会形成矫形力矩。这些力矩对人体的主要作用是抑制或减轻某部位肢体围绕关节轴的旋转运动。对四肢或躯干的稳定而言，所有的力都是通过力矩在起作用。力矩大小取决于作用力的大小及关节轴到作用力的距离。杠杆臂越长，力对关节稳定或矫正的作用效率越高。

2.外力 

指外界对人体作用的力，包括重力、地面反作用力。外力对下肢主要关节的平衡和稳定有重要的影响。作用于人体的重力线相对于人体关节位置会随着站立姿势的不同发生变化。外力作用线相对于关节的位置取决于人体的站立姿势。

3.内力 

指人体组织结构受到的力，包括骨骼、韧带、关节、肌肉组织相互之间的作用力。其中韧带、关节受到的力是被动的，肌肉受到的力是主动的。骨骼能被动受压或受拉，韧带只能被动受拉，肌肉既可以被动受拉、承受拉力，又可以主动收缩产生张力，收缩产生主动力时，不仅能对抗外力，同时也增加了骨骼与关节的负荷，人体消耗能量将会增加。

内力是克服外力作用产生的，二者相互依赖、相互影响，共同维护关节平衡。外力变化影响内力的变化，内力不足影响外力分布。外力大小的变化(负重)及作用线的变化(姿势)都能引起内力的变化。反过来，内力的不充分或缺乏(麻痹、骨折、挫伤等)，也将影响人体下肢的负重与姿势的改变，从而影响外力的分布。

4.静态力线  

静态站立平衡时，地面反作用力的作用线便是人体静态力线。以舒适的姿势站立时，地面反作用力作用线通过人体髋关节后方、膝关节前方、踝关节前方、足的中间偏后，这样地面反作用力就可以使人体髋关节、膝关节、踝关节保持稳定。

5.人体关节的转动运动与稳定   

人的肢体受到力的作用形成力矩，可在某一平面内引起某段肢体围绕关节轴心的旋转运动，即关节旋转运动。所受到的作用力可能来自肌肉收缩的内力，也可能来自人体以外的外力。当人体关节轴的一侧旋转力矩与另一侧的旋转力矩相等时，则关节处于力的平衡状态。

6.下肢关节的平衡   

即作用在关节上的内力与外力的平衡。重点是主要关节(髋、膝、踝)在矢状面内的稳定与平衡。在外力作用下，关节的平衡主要依靠肌肉来维持。在矫形技术领域，下肢平衡主要与关节的屈曲有关。由于关节结构的构造特点，髋、膝关节本身具有伸稳定性。即髋关节和膝关节都可以通过过伸来稳定。当我们说下肢不稳定时，主要指在矢状面内髋、膝容易屈曲，踝关节容易背屈，特别是膝关节的屈曲。为了保持关节的稳定多采用在某一平面上三点力控制系统。设计中为了增加稳定力矩，在可能的情况下尽量将支具边缘向上、下延长，增加固定范围，增加稳定力臂的长度。当然还可以增加作用力的面积，增加作用力，减少局部压强。

7.足底支撑面积  

静止直立状态下，人体的支撑面积是由双足确定的。正常站立时，单侧足后跟约承受20%的重量，前脚掌部位承受约30%的重量。两脚后跟与前脚掌之间构成的区域，就是人体重心稳定平衡的区域，该面积也称为足底支撑面积。无论人的姿势如何变化，只要重心落在这个范围之内，就能保持平衡。

8.骨的轴向力 

正常躯干、下肢承重来源于体重和地面的反作用力，是顺着躯干、下肢的长轴传递的。

9.皮肤表面压力的均匀分布 

在条件允许的情况下，尽可能扩大支具对肢体局部皮肤的加压面积，并使压力均匀分布，避免压力过分集中，造成皮肤损伤，引起压疮。为此矫形支具的压力部位。特别是在骨的凸起部位应当紧密地进行模塑。

三、矫形支具的临床应用

矫形支具多用于青春发育期儿童的四肢和躯干，在儿童发育阶段，先天或后天的原因，导致肌力不平衡、骨发育异常或外力引起的四肢和躯干的畸形。由于儿童的肌肉和骨骼处于发育阶段，具有可塑性，因此支具可以发挥很好的矫正作用，使畸形生长的肌肉和骨骼回到正常轨迹。

1.骨与关节损伤 

主要影响患者的运动功能，康复的处理是为了恢复运动功能，防止关节的结构性破坏和软组织的挛缩畸形。运用矫形支具避免肢体残疾，通过动态性矫形支具辅助患肢训练，可以帮助恢复肌力，扩大关节活动范围，改善功能活动。

2.中枢性疾病 

颅脑损伤、脑血管意外、小儿脑瘫多因外伤、疾病或脑神经发育不良引起的脑组织损害或缺失导致，患者最典型的特征是肌肉瘫痪和肌肉痉挛，异常的肌肉表现均可引起运动功能障碍，造成肢体的畸形。针对患者不同阶段运动功能的主要特点，装配适合的矫形支具对功能的恢复很有必要。急性期采用腕手功能位矫形支具固定手腕部，能保护患者的抓握功能，控制手的姿势，防止屈肌挛缩;在痉挛期可利用抗痉挛矫形器进行持续牵伸，降低手部及小腿屈肌过高的张力;防止手部及踝关节的屈曲、挛缩畸形，屈肌痉挛会引起肢体疼痛，装配矫形支具后可减轻疼痛。在疾病的恢复期，可装配动态矫形支具，辅助上肢的功能训练及站立、行走训练。

3.周围神经及肌肉疾病 

周围神经损伤的主要表现是感觉和运动功能的部分或完全丧失，造成肌力减退甚至完全麻痹。由于周围神经损伤早期局部水肿，导致纤维素渗人到组织间隙，造成肌肉挛缩、肢体变形，而且神经的恢复过程需要一段较长的时间，畸形体位还可能造成关节的僵化，因此，保持肢体的良好体位是重要的措施。在治疗中可根据各类损伤的情况为患者装配适当的矫形支具，如全臂丛损伤可采用上肢外展矫形支具。桡神经损伤可配带有铰链的动态性腕手矫形支具，改善伸腕、伸指运动。对于尺神经、正中神经的远端损伤，通过矫形支具能维持手的抓握能力;下肢常见的胫、腓神经损伤也可分阶段佩戴不同功能的踝足矫形支具。

4.炎性疾病 

类风湿性关节炎患者关节普遍有红、肿、热、痛，手指的小关节及腕关节可能出现畸形，通过矫形支具的制动，减少或限制关节活动，从而抑制炎性反应，缓解关节疼痛。

5.烧伤 

在烧伤的早期，应将肢体制动在功能位，可以防止或减轻关节挛缩畸形。例如，手部烧伤后常常累及手背，采用静止性腕手矫形支具使手部保持在休息位，即腕关节背伸10°，掌指关节屈曲45°，指间关节伸展位，拇指与示指对掌位，能克服掌指关节过伸及指间关节屈曲畸形。

四、3D打印支具在下肢畸形中的应用

下肢矫形支具主要作用是支撑体重，辅助或替代肢体功能，限制下肢关节不必要的活动，保持下肢稳定，改善站立和步行时姿态，预防和矫正畸形。保护无力或疼痛的肌肉、骨骼，固定骨折部位，促进功能恢复;制动患者有疾病的下肢关节，预防发生畸形，矫正已出现的畸形;代偿麻痹肌肉的功能，减轻或避免患病肢体的承重负荷，改善患者的行走步态。

1.下肢矫形支具的分类 

下肢矫形支具是临床应用最多的一类矫形支具。广泛用于中枢神经系统和外周神经病损、骨关节病损等疾病，以矫正和预防畸形恶化。按部位分为足部矫形支具、踝足矫形支具、膝矫形支具、膝踝足矫形支具、髋矫形支具、髋膝踝足矫形支具。

2.下肢矫形支具的生物力学 

下肢的主要功能是承重和行走。因此在设计及应用下肢矫形支具时，必须清楚了解下肢矫形支具的生物力学和矫形支具的力学原理。下肢矫形支具的设计中我们最常考虑的是“三点压力”原理的应用，矫正肢体非生理的对线关系或改善为生理的对线关系，制动患者有疾病的下肢关节，预防发生畸形，矫正已出现的畸形；减轻或避免肢体畸形部位的承重负荷，改善患者的行走步态;其次考虑通过矫形支具的不同设计，改变及利用地面反作用力来控制肢体或关节运动;除此之外，由于人体的生理结构特点，我们在下肢矫形支具的设计中还作以下考虑。

(1)下肢重力线:为了保持患者的正常体位，保证下肢的稳定支撑和正常步态，下肢矫形器的设计应保证正确的对线关系，使之与人体下肢的重力线相符合。人体正常的重力线，矢状面:髂前上棘一髌骨中心一蹲趾与第二趾之间;冠状面:髋关节横轴后方一膝关节横轴前方一踝关节横轴前方。

(2)矫形力作用点的选择:作用点是力学三要素之一，只有正确选择矫正力的作用点，变形的肢体部位才会尽可能恢复到正常位置上。如当膝关节外翻畸形时，矫形支具的力应施加于外踝下部、膝部内侧、大腿上部的外侧;膝关节反屈畸形时，矫正力应施加于踝关节前上方、膝关节后方和大腿前

(3)矫形支具的铰链中心:应与下肢生理关节中心保持一致，下肢矫形器的关节铰链中心设计应偏上方。保证患者在坐卧位时关节的正常屈伸，同时保证站立和行走时关节的稳定性和正常步态。髋关节中心位于大转子最突出处上方2cm，略靠前，与股骨头中心水平;膝关节中心位于股骨内上髁最突出点水平高度，股骨髁前后径的前6后4交界处;踝关节中心位于人体胫骨内髁下缘水平处。

3.下肢矫形支具的临床应用 

下肢矫形支具用于各种疾病引起的扁平足、高弓足、锤状趾、重叠趾、爪形趾、槌状足、踇指外翻、足内翻、足外翻、马蹄内翻足、马蹄外翻足、下垂足、风湿变形足、膝内翻、膝外翻、膝过伸、膝屈曲等下肢畸形。

(1)足部3D矫形支具:用于各种疾病引起的扁平足、弓形足、槌状足、踇指外翻等畸形。

(2)踝足矫形支具:用于小腿中下、远段及踝足部的支撑、保护、免负荷、畸形的矫正，如足下垂、脑卒中、偏瘫、脑瘫、截瘫、脊髓灰质炎、马蹄内翻足、马蹄外翻足、踝关节挛缩等。

(3)膝部矫形支具:主要用于膝外翻、膝内翻、膝屈曲、膝过伸等膝部畸形矫正。

(4) 膝踝足矫形支具：是在踝、足的基础上跨越膝部，根据需要，膝部可安装不同形式的铰链或不加铰链。主要用于脑瘫、偏瘫、截瘫、脊髓灰质炎等各种原因引起的下肢矫形。

(5)髋部矫正支具:用于控制髋部固定和矫正畸形的支具。

(6)下肢扭转矫形支具：用于控制髋部异常导致的尖足内旋所引起的步态偏差。

小结

矫形支具是用来矫正肢体和躯干畸形，维持关节力线的支具。这类支具长时间穿戴，限制了关节的活动，可能导致肌肉无力或出现废用性萎缩。因此在穿戴矫形支具期间，需进行必要的运动训练，以维持肌肉的力量。

参考文献