通过多材料3D打印技术设计和制造用于矫形器接口的嵌入式接触压力传感器

《IEEE Sensors Journal》：Design and Fabrication of Embedded Contact Pressure Sensor for Orthotic Interfaces via Multimaterial 3-D Printing

　　

摘要：

在矫形器接口内置接触压力传感器对于监测过度压力、评估佩戴舒适度以及实现个性化调整非常重要。然而，现有的传感矫形器主要依赖于后期附加或外部安装的传感器，这些传感器在复杂的曲面上往往贴合度有限，结构整合效果较差。因此，本研究提出了一种基于多材料3D打印的传感矫形器的设计与制造方法，其中传感器单元在制造过程中直接集成到矫形器中。设计了一种用于矫形器的3D打印压阻式传感器，并通过多物理场有限元仿真和实验测试评估了其压阻组分的填充图案（三角形、蜂窝状和螺旋状）和密度（25%–45%）对传感性能的影响。结果表明，在0–0.25 MPa的压力范围内，蜂窝状填充图案且填充密度为40%时表现出最佳的整体性能，具有高灵敏度（0.43），良好的线性（误差=5.60%），高准确性（误差<5%），低迟滞误差（<4%），优异的样本内重复性（误差<3%）以及高的样本间重复性（ICC=0.92）。为了验证所提出的方法，开发了一种带有七个内置传感器的手部矫形器，用于测量关键解剖位置的接触压力并区分不同手势条件下的压力分布模式。该方法提供了较高的设计灵活性，简化了传感矫形器的制造过程，确保了与复杂身体界面的精确适配，并显示出扩展到其他矫形器和辅助设备的潜力。

引言

矫形器在骨科和神经康复中得到广泛应用，其中矫正或支持力量通过身体-矫形器接口传递。该接口处的接触压力直接决定了这些力量是否被恰当地传递。临床上，过度或不均匀分布的压力会阻碍骨骼突出部位的血液流动，导致与设备相关的压力性溃疡，这种溃疡会引起疼痛、愈合缓慢，甚至可能需要中断治疗[1]。即使低于皮肤破损的阈值，压力分布不均也常常会引起不适和疼痛，从而降低佩戴舒适度，最终缩短每日佩戴时间并影响预期的治疗效果[2],[3]。由于个体之间的肢体几何形状不同，而且会随着肿胀或姿势的变化而变化，仅从设备设计很难预测局部过压的风险，这使得反复调整成为临床实践中常规但耗时的部分[1]。