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創成式設計+3D打印, 助力癱瘓康復訓練耳機定制

2020-02-24 17:18:00 來源:3D科學谷 點擊:216

【大比特導讀】3D科學谷, 為三維行業尤其是3D打印增材制造產業提供信息和專業服務的平臺.

創成式設計是一種實現高效、低成本個性化設計的方式,它不再依賴手工建模創建單一模型,而是基于規則編寫算法生成模型,一套規則可以生成無數種模型。設計師的任務已經變為創建規則,編寫設計程序了,生成模型的任務交給計算機自動完成。最終的個性化模型是由一組合適個性化的參數或條件來確定的。

創成式設計能夠創造出手動建模所不易獲得的設計方案,它們擁有復雜幾何結構,而增材制造-3D打印技術在工業制造中的應用優勢之一是制造復雜的結構,可以說創成式設計與增材制造技術是天生的“好伙伴”,創成式設計將進一步釋放增材制造的應用潛能。

3D打印耳機

谷.專欄文章《個性化設計、參數控制變化、輕量化,三大案例看創成式設計的應用價值》曾分享了通過創成式設計與3D打印技術,實現汽車輪轂大批量個性化設計的案例。本期,記者將繼續創成式設計與個性化定制的話題,分享一個家用便攜式EEG 耳機的個性化設計與制造的案例。設計與開發EEG耳機的目的是用于癱瘓患者的運動康復訓練,屬于康復醫療器械范疇。

高效、經濟的實現個性化與復雜性設計

脊髓損傷或中風患者經常會出現癱瘓,即部分或完全失去四肢的使用能力。這是由于大腦無法再向手臂或腿部發出指令。腦機接口(BCIs)是一種能夠連接外部設備與人類大腦的技術,使得人類能夠運用自已的思維來直接控制外部設備,而不需要肌肉、軀干的參與。腦-機交互及功能電刺激系統(BCI-FES),已被用于癱瘓患者的康復訓練。

BCI-FES系統所需的醫療設備復雜,并且患者需要與專業人員一起訓練。如果獲取可靠的患者腦電圖(EEG)信號的方式更加簡單,那么,BCI-FES 技術的成本將會降低,將有更多的癱瘓患者,受益于這種康復方式。根據軟件公司Autodesk, 蘇格蘭格拉斯哥大學生物醫學工程專業的一名博士研究生正在設計開發一種家用便攜式EEG耳機,來應對這些挑戰。

手功能不完全喪失的患者,是這個研究項目的主要對象。EEG耳機在康復治療系統中起到的作用是記錄大腦活動, 這套系統可以測量大腦活動,并在電腦屏幕上以圖形化的方式顯示出來,指導患者自我調節大腦活動。到人想要活動肢體時,大腦會產生與實際移動時相似的大腦活動變化,這時計算機會檢測到意圖并激活刺激器,刺激器向手部肌肉發出信號,然后患者就可以開始運動。

耳機開發者所在的實驗室,曾使用一款商用便攜式耳機進行了測試。電極與頭部之間具有良好的接觸性,是獲取良好EEG 信號的關鍵,但這款耳機沒有涵蓋研究人員感興趣的重點大腦關鍵區域,不能以一致的方式適合不同用戶的頭部,無法使電極與頭部之間進行良好的接觸。

研究人員決定設計專用的耳機,將電極更準確地映射到頭部。但一開始設計的可調節束帶的通用型頭戴式耳機,仍無法使用所有患者使用,因此最終決定進行EEG 耳機的個性化設計,但是無論是個性化設計,還是個性化制造,都需要高效和具有經濟性。

最初設計耳機時,采用了傳統計算機輔助設計軟件,但最終轉而采用能夠高效、低成本實現個性化設計的創成式設計軟件,來開發個性化EEG 耳機。他們使用的軟件為Autodesk Fusion 360,在設計時輸入一組需求,然后由軟件根據這些需求,自動創建多組設計,供設計人員進行選擇。研究人員將佩戴者頭部的3D掃描文件導入到創成式設計軟件中,然后使用它們來創建個性化耳機,軟件生成了約15種不同的設計。

除了實現個性化設計之外,研究人員希望最大程度地減少將耳機安裝到患者身上時使用的活動部件的數量,但這一設計理念增加了設計的復雜性。研究人員選擇3D打印技術作為耳機的制造方式,以經濟的方式實現個性化耳機的制造,并實現復雜的設計。

以上EEG耳機的研究項目仍在開展中,目前的定制耳機尚未成為正式的康復醫療設備。除了在運動康復領域的應用,這款耳機的還可以在消費領域得到應用,例如可以用來進行神經調節干預,測試健康的人如何僅憑腦波玩多用戶游戲,來提高游戲的最佳性能。

 

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