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

作者：Rainer Salzberger, EOS數字化制造顧問

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

作為當前的熱門話題，物聯網（IoT）、消費電子類產品、基礎設施建設和機器零部件的互聯互通已被多次談論。作為金屬和高分子材料工業(yè)3D打印的全球技術領導者，EOS堅信增材制造（AM）的智能運用將幫助物聯網充分發(fā)揮其潛力，并且可以更便捷、更經濟地集成智能和連接組件。事實上，傳感器技術、連接器技術和增材制造的結合，還可以將數字化帶到目前鮮有談及的應用領域和商業(yè)案例中。

集成了傳感器、數據處理功能和射頻連接器的膝關節(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期，并伴隨有長期康復甚至長期殘疾的風險。這往往是由于膝蓋遭受不當運動和過重的物理負荷所導致。因此，在不嚴格限制患者動作的情況下將這些不當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隊與Blackbox的傳感器技術專家共同開發(fā)了膝關節(jié)矯正器。這款具有膝關節(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。通過對不當運動的即時反饋，顯著縮短患者的康復時間。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行應用。

開發(fā)搭載膝關節(jié)監(jiān)視功能的增材制造智能矯正器
當機械設計元素與嵌入式電子設備（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。智能零部件可實現定制化產品設計，通過高度準確的安全數據洞察功能，實時滿足多個用戶群需求。

收集智能零部件傳感器數據的嵌入式電子設備

（資料來源：EOS）

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

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

最初的需求是通過與產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)生和終端設備制造商，哪些數據或信息將有助于改善患者的體驗，以及幫助醫(yī)生提供實時護理的能力。

可根據用戶具體需求傳遞傳感器數據的應用程序

（資料來源：EOS）

結果：全面定制化、全面反饋、全面監(jiān)護、全面康復
最終開發(fā)的原型采用了嵌入式技術解決方案，該解決方案允許通過打印定制的外殼替換和直接設計整體打印結構來改造傳統矯正器。在所有用戶案例中，緊湊的形式使得產品需要的物理空間很少，因此能夠實現符合人體工程學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將高精度與非接觸式方法相結合，也大大簡化了集成過程。WIFI和藍牙低功耗通信能夠實現實時監(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的移動設備作為用戶接口和控制器來進行控制。

數據分析可以在遠程安全服務器、本地移動設備應用或直接在利用集成嵌入式計算處理器的矯正器設備上進行。重要的是，敏感數據可以在本地安全地進行處理，以實現用戶對保障隱私和數據安全的需求。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。

基于Blackbox Solutions提供的應用示例、嵌入式電子設備和用戶界面原型，EOS進一步研究了改裝傳感器外殼的定制設計要求，并繼續(xù)為已使用了純3D打印智能零部件生產工藝的現有矯正器產品開發(fā)其它功能。

電池供電的傳感器技術和連接軟件應用程序將支持患者和醫(yī)生實時監(jiān)控愈合過程，并指導個體患者的康復需求。從智能零部件持續(xù)收集到的數據將有助于設備制造商獲得實時用戶信息和更好的產品性能數據，從而改進未來的設計和功能。同時，健康保險公司和有關衛(wèi)生部門也可使用這些數據，為現癥患者創(chuàng)建更優(yōu)質的健康問題數據報告。

結論
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，即精確設計的自由度、經濟且快速地生產小規(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)化物理設備的功能。此示例的結果也可以運用到其他應用場合和行業(yè)。智能零部件的使用將有助于優(yōu)化和改進現有產品或新產品，從而創(chuàng)造新的商機，提升客戶體驗。