EOS開發(fā)3D打印定制化的智能膝關(guān)節(jié)矯正器，改善患者康復(fù)過程

作者：Rainer Salzberger, EOS數(shù)字化制造顧問

EOS和Blackbox Solutions共同研發(fā)了定制化的智能膝關(guān)節(jié)矯正器，成功將3D打印技術(shù)與嵌入式傳感器以及連接器技術(shù)相結(jié)合。通過這一創(chuàng)新的概念驗證，醫(yī)療行業(yè)在改善患者康復(fù)過程和幫助醫(yī)生實時分析數(shù)據(jù)方面邁出了新的步伐。

作為當(dāng)前的熱門話題，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、消費電子類產(chǎn)品、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和機(jī)器零部件的互聯(lián)互通已被多次談?wù)?。作為金屬和高分子材料工業(yè)3D打印的全球技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，EOS堅信增材制造（AM）的智能運用將幫助物聯(lián)網(wǎng)充分發(fā)揮其潛力，并且可以更便捷、更經(jīng)濟(jì)地集成智能和連接組件。事實上，傳感器技術(shù)、連接器技術(shù)和增材制造的結(jié)合，還可以將數(shù)字化帶到目前鮮有談及的應(yīng)用領(lǐng)域和商業(yè)案例中。

集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理功能和射頻連接器的膝關(guān)節(jié)矯正器

（資料來源：EOS）

針對常見挑戰(zhàn)的獨特解決方案
這個概念可以通過最常見的膝關(guān)節(jié)損傷之一——韌帶撕裂來驗證。韌帶撕裂等傷害通常需要較長的恢復(fù)期，并伴隨有長期康復(fù)甚至長期殘疾的風(fēng)險。這往往是由于膝蓋遭受不當(dāng)運動和過重的物理負(fù)荷所導(dǎo)致。因此，在不嚴(yán)格限制患者動作的情況下將這些不當(dāng)行為反饋給患者可能會是一種解決之道。

為此，EOS 增材思維部門的專家團(tuán)隊與Blackbox的傳感器技術(shù)專家共同開發(fā)了膝關(guān)節(jié)矯正器。這款具有膝關(guān)節(jié)監(jiān)測功能的矯正器原型揭示了增材制造、傳感器和連接器的巨大組合潛力。通過對不當(dāng)運動的即時反饋，顯著縮短患者的康復(fù)時間。這種方法可以為不同的行業(yè)帶來啟發(fā)，并在眾多其他場合進(jìn)行應(yīng)用。

開發(fā)搭載膝關(guān)節(jié)監(jiān)視功能的增材制造智能矯正器
當(dāng)機(jī)械設(shè)計元素與嵌入式電子設(shè)備（如微控制器，傳感器和射頻（RF）連接器）整合到一起時，我們就可以將之稱為智能零部件。智能零部件可實現(xiàn)定制化產(chǎn)品設(shè)計，通過高度準(zhǔn)確的安全數(shù)據(jù)洞察功能，實時滿足多個用戶群需求。

收集智能零部件傳感器數(shù)據(jù)的嵌入式電子設(shè)備

（資料來源：EOS）

增材制造智能零部件具有眾多附加優(yōu)勢：
•        精確設(shè)計自由最大化
•        完全定制化
•        功能集成的傳感器，經(jīng)濟(jì)高效地快速生產(chǎn)定制化零部件
•        特定終端用戶物理設(shè)備的功能優(yōu)化
•        快速市場交付加快小批量生產(chǎn)速度
•        生產(chǎn)靈活

在這個概念驗證原型示例中，EOS 增材思維團(tuán)隊聯(lián)合Blackbox Solutions設(shè)計的3D打印膝關(guān)節(jié)矯正器是高度定制化的，集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理功能和射頻連接器。該概念驗證展示了同一個產(chǎn)品用戶生態(tài)系統(tǒng)中的不同利益相關(guān)者如何從智能零部件傳感器數(shù)據(jù)中獲得寶貴的實時信息，以及這些數(shù)據(jù)如何被轉(zhuǎn)化為利益相關(guān)者的特定利益。

最初的需求是通過與產(chǎn)品所有直接或間接涉及的用戶訪談中得出，即直接詢問真正的患者、醫(yī)生和終端設(shè)備制造商，哪些數(shù)據(jù)或信息將有助于改善患者的體驗，以及幫助醫(yī)生提供實時護(hù)理的能力。

可根據(jù)用戶具體需求傳遞傳感器數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序

（資料來源：EOS）

結(jié)果：全面定制化、全面反饋、全面監(jiān)護(hù)、全面康復(fù)
最終開發(fā)的原型采用了嵌入式技術(shù)解決方案，該解決方案允許通過打印定制的外殼替換和直接設(shè)計整體打印結(jié)構(gòu)來改造傳統(tǒng)矯正器。在所有用戶案例中，緊湊的形式使得產(chǎn)品需要的物理空間很少，因此能夠?qū)崿F(xiàn)符合人體工程學(xué)和輕量化的終端解決方案。而所選擇的測量角度和力度的傳感器技術(shù)將高精度與非接觸式方法相結(jié)合，也大大簡化了集成過程。WIFI和藍(lán)牙低功耗通信能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)控，并且可以通過將矯正器直接連接到WLAN或使用諸如智能手機(jī)的移動設(shè)備作為用戶接口和控制器來進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)分析可以在遠(yuǎn)程安全服務(wù)器、本地移動設(shè)備應(yīng)用或直接在利用集成嵌入式計算處理器的矯正器設(shè)備上進(jìn)行。重要的是，敏感數(shù)據(jù)可以在本地安全地進(jìn)行處理，以實現(xiàn)用戶對保障隱私和數(shù)據(jù)安全的需求。所收集到的信息可以基于不同用戶群的需求，通過定制的接口來訪問、分析和保護(hù)。

基于Blackbox Solutions提供的應(yīng)用示例、嵌入式電子設(shè)備和用戶界面原型，EOS進(jìn)一步研究了改裝傳感器外殼的定制設(shè)計要求，并繼續(xù)為已使用了純3D打印智能零部件生產(chǎn)工藝的現(xiàn)有矯正器產(chǎn)品開發(fā)其它功能。

電池供電的傳感器技術(shù)和連接軟件應(yīng)用程序?qū)⒅С只颊吆歪t(yī)生實時監(jiān)控愈合過程，并指導(dǎo)個體患者的康復(fù)需求。從智能零部件持續(xù)收集到的數(shù)據(jù)將有助于設(shè)備制造商獲得實時用戶信息和更好的產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)未來的設(shè)計和功能。同時，健康保險公司和有關(guān)衛(wèi)生部門也可使用這些數(shù)據(jù)，為現(xiàn)癥患者創(chuàng)建更優(yōu)質(zhì)的健康問題數(shù)據(jù)報告。

結(jié)論
此智能零部件的原型案例研究展示了增材制造的多項優(yōu)勢，即精確設(shè)計的自由度、經(jīng)濟(jì)且快速地生產(chǎn)小規(guī)模定制化零部件，傳感器功能集成化，還可同時為特定用戶優(yōu)化物理設(shè)備的功能。此示例的結(jié)果也可以運用到其他應(yīng)用場合和行業(yè)。智能零部件的使用將有助于優(yōu)化和改進(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品或新產(chǎn)品，從而創(chuàng)造新的商機(jī)，提升客戶體驗。