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. 2022 Dec 20;38(12):1110–1116. [Article in Chinese] doi: 10.3760/cma.j.cn501120-20220103-00004

自制三维打印助餐辅具与传统万能袖带助餐辅具在烧伤后上肢功能障碍患者中的效果对比

Comparison of the effects of self-made three-dimensional printed assistant tableware and traditional universal cuff assistant tableware in patients with upper limb dysfunction after burn injury

Hao Luo 1, Pei Chen 1, Weiguo Xie 1,*
PMCID: PMC11821330  PMID: 36594140

Abstract

Objective

To compare the effects of self-made three-dimensional (3D) printed assistant tableware (hereinafter referred to as 3D assistive device) and traditional universal cuff assistant tableware (hereinafter referred to as universal cuff) on the voluntary eating function of patients with upper limb dysfunction after burns.

Methods

The prospective self-control study was conducted. From March 2020 to June 2021, 18 patients with upper limb dysfunction after moderate to severe burns who met the inclusion criteria were admitted to Tongren Hospital of Wuhan University & Wuhan Third Hospital, including 15 males and 3 females, aged 21-58 (42±11) years. After using the 3D software and 3D printer to customize 3D assistive devices for patients, the patients were instructed to eat with the 3D assistive devices and the universal cuff on alternate days for 14 consecutive days, each for 7 days. During this time, the patients could also be fed by someone else without using the assistive device. The number of times the patients ate regular meals with each assistive device and the proportion of them to the total number of regular meals ate during the 7 days to which they belonged were counted. After the total use of two assistive devices for 14 days (hereinafter referred to as after use of 14 days), the amount and time of transferring liquid using the two assistive devices of patients were measured; the patients' feeding items in the modified Barthel index (MBI) were scored respectively when eating without the assistive device, with the 3D assistive device, or with the universal cuff; the satisfaction degree of feeding when eating without the assistive device, with the 3D assistive device, or with the universal cuff was evaluated using the 5-grade Likert scale. Data were statistically analyzed with paired sample t test, Wilcoxon signed rank sum test, and chi-square test.

Results

The number of the patients ate regular meals with the 3D assistive device during the 7 days was (18.1±2.0) times, which was significantly more than (4.0±2.0) times with the universal cuff (t=53.72, P < 0.01). The proportion of the number of the patients ate regular meals with the 3D assistive device to the total number of regular meals ate during the 7 days to which it belonged was 72.4% (325/449), which was significantly higher than 16.7% (72/431) with the universal cuff (χ2=257.36, P < 0.01). After use of 14 days, the patients' time and amount of transferring liquid using the 3D assistive device were respectively significantly shorter and more than using the universal cuff (with t values of 2.49 and 7.52, respectively, P < 0.05 or P < 0.01). The patients' MBI feeding scores when eating with the 3D assistive device and with the universal cuff were close (P > 0.05), which were both significantly higher than the score when eating without the assistive device (with Z values of 3.90 and 3.86, respectively, P < 0.01).The patients' satisfaction scores of feeding when eating with the 3D assistive device and with the universal cuff were close (P > 0.05), which were both significantly higher than the score when eating without the assistive device (with Z values of 3.61 and 3.00, respectively, P < 0.01).

Conclusions

Both the 3D assistive device and the universal cuff can compensate the limb function of patients with upper limb dysfunction after burns and improve their self-feeding ability, but the 3D assistive device has more advantages in improving patients' willingness to eat and the efficiency of food transfer.

Keywords: Burns; Rehabilitation; Printing, three-dimensional; Activities of daily living; Self-help devices

80%的严重烧伤患者存在手部烧伤[1], 由此引起的截指或关节功能障碍可导致患者伤后2~3年内生活自理能力明显下降[2]。虽然单手面积不足全身表面积的3%, 但手的解剖结构精细复杂、软组织较少, 手部烧伤后, 需要到专门的烧伤中心或手外科进行治疗[3]。手部深度烧伤后, 易造成软组织粘连、瘢痕增生和挛缩, 致手部畸形及功能障碍[4], 严重影响患者日常生活和工作[5]。虽然手术治疗对于手部深度烧伤创面的修复及功能恢复有决定性作用, 但改善程度有限, 部分患者经过一段时间治疗, 手部也无法恢复握捏抓取等功能[6], 影响患者独立完成包括进食在内的一些基本日常生活自理活动[7], 对患者身心产生不利影响。

三维打印技术作为一项新兴的制造技术, 在临床研究中有诸多应用[8], 如手术模型规划[9]、三维打印植入物[10]、三维打印矫形器[11]、三维打印假肢[12-13]等。武汉大学同仁医院暨武汉市第三医院（以下简称本单位）使用三维软件为失去独立进食能力的患者设计了一种三维打印助餐辅具（以下简称三维辅具）, 由三维打印机制作[14-15], 使用时佩戴于患者手部, 配合市售铁勺使用, 可恢复患者自主进食的能力。为探究三维辅具的优点, 本研究对比了烧伤后上肢功能障碍患者使用传统万能袖带助餐辅具（以下简称万能袖带）与三维辅具的区别。

1. 对象与方法

本前瞻性自身对照研究经本单位伦理委员会批准, 批号：KY2018-030。所有患者均签署研究知情同意书。

1.1. 入选标准

纳入标准：（1）年龄20~60岁；（2）烧伤后双手功能障碍, 无法自主使用餐具进食；（3）处于坐立位时至少一侧手部能触及口部；（4）使用辅具侧肩肘关节屈曲徒手肌力检查结果为肘关节屈曲肌力Ⅳ级及以上[16]。排除标准：（1）烧伤深度浅Ⅱ度及以下, 烧伤总面积 < 10%TBSA[17]；（2）需卧床制动、禁食、体外营养治疗或胃管进食；（3）手部肿胀严重或残余创面过多不宜佩戴辅具。

1.2. 临床资料

2020年3月—2021年6月, 本单位收治符合入选标准的中重度烧伤后上肢功能障碍患者18例, 其中男15例、女3例, 年龄21~58（42±11）岁；适合使用辅具侧上肢（肩、肘、腕、手部）烧伤面积6.0%（4.3%, 9.0%）TBSA, 全部为右利手；致伤原因：8例患者为火焰烧伤、4例患者为电烧伤、6例患者为热液烫伤；手部无法拿捏勺子的主要原因：9例患者手部严重瘢痕挛缩伴手指屈曲及对指功能障碍, 5例患者伤后拇指掌指关节以下截指, 4例患者电烧伤后正中神经损伤致手指屈曲功能障碍；肩关节屈曲（126±46）°, 肘关节屈曲（94±21）°, 肘关节旋后20（0, 56）°；伤后（46±13）d开始使用辅具。在院期间均对患者行防治关节功能障碍的常规康复治疗, 包括关节活动度训练、牵伸训练、矫形器佩戴、日常生活能力训练、激光治疗、低中频电疗、磁疗、超声波治疗[18]及蜡疗等[19-22]。

1.3. 三维辅具的设计与制作

使用SolidWorks 2017软件（法国Dassault Systemes公司）, 用“草图”工具绘制出三维辅具平面图, 主要包括握把、延长杆和餐具固定腔（图 1A）, 使用软件中“特征”标签下的“拉伸凸台/基体”工具将平面图转换为三维结构, 使用“槽口”工具制作餐具固定腔, 腔径5 mm。设置握把宽度、厚度与患者手掌宽度厚度相等, 延长杆长度为10 mm。将打印丝料由丝料口送入打印喷头并固定好, 将设计完成的打印文件输入到三维打印机（江苏威宝仕科技有限公司, 型号F260）中即可自动制作定制三维辅具（图 1B）。

图 2.

图 2

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烧伤后上肢功能障碍患者使用自制三维打印助餐辅具转移液体测试。2A.患者舀出桌面碗中的液体；2B.患者将舀起的液体转移到置物架上的碗中

图 1.

自制三维打印助餐辅具设计图与成品图。1A.设计图；1B.成品图

注：图 1A中1指示握把, 2指示延长杆, 3指示餐具固定腔

图 1

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1.4. 使用方法与评价指标

1.4.1. 进食正餐情况

将2把同型号市售铁勺分别插入三维辅具餐具固定腔和万能袖带餐具固定带上, 其中三维辅具握把上固定魔术贴以方便佩戴, 指导患者自行选择在第1、3、5、7、9、11、13天使用一种辅具, 第2、4、6、8、10、12、14天使用另外一种辅具。由患者选择14 d内每餐佩戴辅具自主进食或不佩戴辅具由他人喂食, 统计患者使用每种辅具进食正餐次数（排除零食、水果或1 min内的进食次数）以及所属7 d内进食正餐总次数, 并计算使用各种辅具进食正餐次数占所属7 d内进食正餐总次数的比例。

1.4.2. 转移液体情况

使用2种辅具共14 d后（以下简称使用14 d后）, 嘱患者坐在一高度可调（调节范围为45~63 cm）的座椅上。患者面前的桌上放置2只容量均为500 mL的不锈钢小碗, 一只通过一高度为30 cm的置物架放置在患者下颌正前方, 另一只装入200 mL饮用水放置于桌面上, 位置由患者自行调节。记录患者在分别佩戴2种辅具的情况下将桌面碗中的水尽可能多地转移到置物架上的碗中的用时（以下简称转移液体用时）以及转移后置物架上的碗中水的体积（以下简称转移液体量）, 要求桌面碗中最后剩余的水量少于5 mL, 测试开始后不能重新调整碗的位置。见图 2。

1.4.3. 改良Barthel指数（MBI）中进食项评分

使用14 d后, 采用直接观察或访谈的方式, 由同一位康复治疗师评定患者在无辅具、使用三维辅具、使用万能袖带时MBI中进食项的评分。根据进食时需要他人帮助的程度进行评分。（1）0分：完全依赖他人帮助进食；（2）2分：某种程度上能运用助餐辅具, 但在进食的整个过程中需要他人提供协助；（3）5分：能使用助餐辅具, 但在进食的某些过程中仍需要他人协助；（4）8分：除了在准备和收拾时需要协助（包括佩戴助餐辅具）外, 可以自主进食, 或进食过程中需有人从旁监督或提示, 以策安全；（5）10分：完全独立, 自主完成佩戴助餐辅具及进行相关预备活动[23]。

1.4.4. 进食满意度评分

使用14 d后, 采用利克特5级量表评价患者在无辅具、使用三维辅具、使用万能袖带时的进食主观满意度, 非常满意为5分、比较满意为4分、一般为3分、有点不满意为2分、很不满意为1分。

1.5. 统计学处理

采用SPSS 22.0统计软件进行数据处理。计量资料数据中符合正态分布者以x±s表示, 行配对样本t检验；不符合正态分布者以M（Q1, Q3）表示, 行Wilcoxon符号秩和检验。计数资料数据采用频数和百分比表示, 行χ2检验。P < 0.05为差异有统计学意义。

2. 结果

2.1. 进食正餐情况

4例患者因右侧上肢功能障碍情况较左侧严重, 选择使用左侧肢体佩戴辅具。患者使用三维辅具的7 d中进食正餐次数为（18.1±2.0）次, 明显多于使用万能袖带的（4.0±2.0）次（t=53.72, P < 0.001）。患者使用三维辅具进食正餐次数占所属7 d内进食正餐总次数的比例为72.4%（325/449）, 明显高于使用万能袖带的16.7%（72/431）, χ2=257.36, P < 0.001。

2.2. 转移液体情况

使用14 d后, 患者使用三维辅具转移液体用时为（118±32）s, 明显短于使用万能袖带的（128±36）s（t=2.49, P=0.023）；使用三维辅具转移液体量为（166±13）mL, 明显多于使用万能袖带的（149±17）mL（t=7.52, P < 0.001）。

2.3. MBI中进食项评分

使用14 d后, 患者使用三维辅具时MBI中进食项评分为8.0（7.3, 8.0）分, 与使用万能袖带的8.0（5.0, 8.0）分相近（Z=1.00, P=0.317）, 且均明显高于无辅具时的2.0（1.5, 2.0）分（Z值分别为3.90、3.86, P < 0.001）。

2.4. 进食满意度评分

使用14 d后, 患者在使用三维辅具、万能袖带和无辅具时的进食满意度评分为1、2、3、4、5分的例数分别为0、0、2、8、8例, 0、0、8、3、7例和1、7、10、0、0例。患者使用三维辅具的进食满意度评分为3（2, 5）分, 与使用万能袖带的3（2, 5）分相近（Z=1.63, P=0.102）, 且均明显高于无辅具时的2（1, 3）分（Z值分别为3.61、3.00, P < 0.001、P=0.003）。

2.5. 典型病例

患者女, 46岁, 2020年4月全身多处火焰烧伤, 烧伤总面积为68%TBSA, 右上肢烧伤面积为9%TBSA, 右肩、肘屈曲肌力Ⅳ级, 创面愈合后伴瘢痕增生, 第2~5指远端缺如导致无法使用餐具, 右侧肩关节屈曲170°、肘关节屈曲120°、肘关节旋后-15°, 无法自主使用勺叉等餐具, 依赖他人进食。患者选择在第1、3、5、7、9、11、13天时共使用万能袖带进食正餐4次、由他人喂食进食正餐22次, 使用万能袖带进食正餐次数占所属7 d内进食正餐总次数的4/26；在第2、4、6、8、10、12、14天使用三维辅具进食正餐17次、由他人喂食进食正餐7次, 使用三维辅具进食正餐次数占所属7 d内进食正餐总次数的17/24。使用14 d后, 患者使用三维辅具在142 s内转移183 mL水, 佩戴万能袖带在143 s内转移152 mL水；在无辅具、使用三维辅具和使用万能袖带时, MBI中进食项评分分别为2、8、8分；在旁人帮助佩戴辅具的情况下, 患者使用2种辅具都能完成自主进食；患者在使用三维辅具、万能袖带和无辅具时的进食满意度评分分别为2、3、5分。见图 3。

图 3.

图 3

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烧伤后上肢功能障碍患者佩戴自制三维打印助餐辅具。3A.手正位；3B.手侧位

3. 讨论

严重烧伤患者在术后易出现手指伸肌腱断裂、指间掌侧挛缩畸形、虎口处瘢痕粘连, 甚至多个手指缺如（截指）, 或仅残留手掌和部分掌指关节, 难以实现有效的抓握、夹持, 助餐辅具能使此类患者重新恢复自主进食功能。除万能袖带之外, 王赛华等[24]采用低温热塑板制作了助餐辅具, 改善了患者的进食功能。本研究设计的三维辅具与之在结构及使用方法上有相似之处, 不同之处在于设计方法及制作过程, 制作低温热塑辅具时需要将板材裁剪成合适的形状后进行加热, 板材软化后再根据患者伤情特点在体表进行塑形, 舒适度较好, 但存在板材易氧化变性、遇热软化等不足, 三维辅具的适应证与低温热塑辅具类似, 但在计算机上进行设计的过程较烦琐, 不过建模数据可以保留, 同一尺寸辅具可以反复打印, 可以将新打印的辅具邮寄给患者进行更换, 且成本较低, 打印材料熔点较低温热塑材料稍高, 在固定餐具方面具有一定优势, 不足是佩戴舒适度较万能袖带及低温热塑辅具差。

此外, 作业治疗中也有很多形态、材质各异的成品助餐辅具, 其握把主要为软性尼龙材料、可调式硅胶带或定制接受腔等, 烧伤患者早期手部常见严重水肿或较厚的外层敷料包扎, 后期常见手部严重畸形或伴肘关节旋前旋后功能受限, 这些辅具因形态设计、制作方式、握把的材料、固定带尺寸和固定方式所限, 有时不能很好地协助烧伤患者完成进食活动。三维辅具的设计自由度更高, 可以设计出远超常用辅具的握把尺寸和一些贴合畸形手掌的异形结构, 更好地满足畸形手的佩戴需求, 可在软件中自由设定辅具上的餐具固定腔的长度和角度, 对上肢功能障碍的患者较友好。有的严重烧伤的患者, 即使经过很长一段时间的治疗, 肩肘关节还是存在不可逆的功能障碍, 往往需要特制的加长餐具, 有的传统辅具即使能调节餐具角度, 其长度却无法满足所有患者, 因此定制辅具更具优势。

在将2种辅具交付18例患者使用的14 d中, 患者使用三维辅具进食正餐次数较使用万能袖带多, 原因是三维辅具佩戴稳固, 将食物送入口中的难度较低、被食物残渣污染后较易清洗；而使用万能袖带时需倾斜身体以代偿受限的肘关节旋后功能, 使部分食物从勺中洒落。另外, 使用万能袖带进食次数更多的患者认为三维辅具对手部瘢痕或创面处产生了摩擦, 引起不适, 而尼龙材料的万能袖带虽然稳定性及易用性稍差, 但佩戴更为舒适。由此可见, 三维辅具可改进的地方包括佩戴的舒适度, 可采用的方法有设计更加精细, 使之更贴合手掌皮肤；或者采用三维扫描仪获取患者手掌外形数据, 然后生成与患手形状相匹配的握把；在握把处粘贴缓冲衬垫等。

转移液体测试中, 患者在使用万能袖带时, 由于勺子固定在手掌中, 方向与手掌平行, 肘关节需要旋前旋后更大的角度来保证转移更多水, 某些肘关节功能受限的患者可能需要倾斜身体来代偿肘关节的内旋活动, 在使用中对患者上肢的整体功能要求较高；三维辅具的餐具固定腔位于虎口外侧, 角度与手掌垂直, 延长杆也能代偿部分上肢屈曲功能。

使用14 d后, 所有患者在使用2种辅具后的MBI中进食项得分与进食满意度评分都得到明显提高, 证明佩戴辅具可以明显提高患者的进食功能和进食意愿, 但2种辅具之间的MBI中进食项得分与进食满意度评分比较, 差异均无统计学意义（P > 0.05）, 原因可能是本研究样本量较小, 故仍需大样本量的高质量临床研究来验证。部分患者还出现了对助餐辅具的过度依赖而忽略了对手部残存功能的开发和锻炼, 这对于患者今后长期的恢复会产生不利影响, 所以, 对使用辅具和继续保持康复锻炼需要做出辩证的认识。

SolidWorks是一种参数化特征造型软件, 可进行零件实体建模, 在Windows操作系统中还有多种建模软件, 如Unigraphics NX[25]、Pro/Engineer[26]等, 其细分功能都有各自的特点, 有的易于对模型结构进行模块化设计, 有的擅长设计高品质的曲面造型, 设计人员可根据行业规范或使用习惯自行选择。除了使用软件直接建模外, 还有基于三维扫描的设计方法, 如三维压力面罩[27]、复杂的假肢接受腔[28]等, 其形状复杂、自由曲面多, 通过三维扫描装置测量身体表面三维图形以获得三维数字模型[29], 在此基础上进行加工设计, 可以制作出更精细的产品。为了设计出更精细的助餐辅具, 还可对辅具模型进行选材和力学分析, 提高其易用性及耐用性[30]。

需要注意的是, 在打印辅具时, 还要对打印机各项参数进行调试, 比如“层厚”关系到辅具打印精度和打印耗时。“层厚”较小时, 对应三维模型的切片层数增加, 打印时间增加, 越容易表现出部件的微小细部特征, 在设计形状复杂或体积较小的辅具时常用[31]；“层厚”较大时, 可用于大尺寸的辅具制作, 并缩短整体制造时间[32], 但“层厚”过大时打印的部件表面容易形成水波纹, 加大了后期加工处理难度。而支撑密度过小容易造成对应悬空结构因重力发生塌陷变形[33], 在保证尽量轻巧的壁厚要求时, 相应地要求支撑密度不能太高, 密度太高则支撑过多, 影响后期的去除和加工[34]。

三维打印技术虽然在假肢矫形器领域的应用相比在骨科与口腔方面起步晚, 但其所呈现的不管是廉价化、定制化[35], 还是缩短制造的时间成本都预示着三维打印技术在辅具领域极大的应用前景[36]。

Funding Statement

重大疾病防治科技行动计划创伤修复专项（2018-ZX-01S-001）；湖北省卫生健康委员会科研项目（WJ2019M003）；武汉市卫生和健康委员会科研项目（WG19B02）；武汉市卫生和计划生育委员会科研项目（WG18Q10）

Special Trauma Repair Program of Scientific and Technological Action Plan for Treatment and Prevention of Serious Diseases (2018-ZX-01S-001); Scientific Research Project of Health Commission of Hubei Province of China (WJ2019M003); Scientific Research Project of Health Commission of Wuhan (WG19B02); Scientific Research Project of Wuhan Municipal Health and Family Planning Commission (WG18Q10)

本文亮点

(1) 自制三维打印助餐辅具（以下简称三维辅具）采用SolidWorks建模软件进行设计并采用三维打印机制作, 无须在患者体表塑形, 制作过程自动化, 为烧伤患者定制助餐辅具提供了一种新的方法。

(2) 通过佩戴三维辅具, 患者自主进食能力得到明显提高。

(3) 与传统市售万能袖带助餐辅具相比, 患者更愿意使用三维辅具进食, 可能的原因是三维辅具能代偿更多肢体功能, 佩戴更为稳固。

利益冲突  所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明  罗皓：试验方案制订、实施, 数据采集、整理、分析, 论文撰写；陈佩：数据采集, 论文修改；谢卫国：研究指导, 论文修改, 经费支持

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