Индустрия ортопедии и протезирования (O&P) – одна из последних, где доминирует ручное мастерство изготовления. Но с 3D-печатью и специализированными инструментами моделирования открываются новые возможности для улучшения жизни пациентов.

Магазин медицинских принадлежностей Häussler наладил сотрудничество с исследовательской группой биомеханики Ульмского Университета прикладных наук (Германия) для определения новых цифровых процессов. Для работы использовались программное обеспечение Geomagic Freeform и сенсорные тактильные устройства передачи осязательных ощущений компании 3D Systems. Инструменты автоматизации Dynabot помогают ускорить прототипирование, позволяя точно воспроизводить хорошо подогнанные ортопедические изделия и протезы.

Понимание традиционного производственного процесса O&P

Ортопеды и протезисты разрабатывают и изготавливают приспособления, созданные с учетом персональных особенностей пациентов. Ортопедические модели предназначены для стабилизации, поддержки или облегчения части тела, исправления дефектных положений, а протезы заменяют отсутствующие конечности.

Как ортопедия, так и протезирование работают с функциональными элементами, которые изготавливаются промышленным способом и соединяются с телом пациента. Две большие задачи в данной сфере – это обеспечение правильного функционирования изделия, его соответствия размеру и весу клиента плюс разработка поверхности места сопряжения, которая может передавать и поглощать силу, не вызывая натирания или подобных раздражений.

Производство вспомогательных конструкций и ортопедических изделий отличается большой долей ручного труда. Однако с развитием цифровых технологий возможности радикально меняются. Из-за высокой степени механической обработки и опыта, который ортопеды и протезисты привносят в свою работу, практически невозможно точно воспроизвести однажды полученный хороший результат. Следующий образец всегда отличается от предыдущего. Оцифровка частей тела позволяет устранить нежелательные отклонения.

Открытие новых возможностей с помощью внедрения цифровых технологий в ортопедии

Запущенные в данном секторе стартапы уже используют 3D-инструменты для быстрого создания доступных, настраиваемых устройств. Внедрение цифровых технологий открывает большой потенциал для моделирования, которого никогда раньше не было. Технология помогает удовлетворить функциональные и эстетические запросы заказчиков.

Традиционный рабочий процесс по изготовлению протеза начинается с формования слепка части тела гипсом. Такой классический подход сохраняет преимущество перед прямым 3D-сканированием, поскольку трехмерное сканирование предоставляет только геометрию расслабленной конечности. Используя гипс, можно сжимать более мягкие участки так же, как это делает протез, и корректировать дефектные положения непосредственно в гипсовой 3D-модели.

Второй шаг заключается в получении точной геометрии либо обычным способом с помощью гипса, либо путем фрезерования пенополиуретана с использованием 3D-данных. Применяя опыт и анатомические знания, протезист добавляет материал в тех областях, где не требуется никакого давления, и удаляет его там, где нужно плотное соединение. Эта адаптированная конфигурация затем используется в качестве основы для проектирования вспомогательного устройства.

Теперь в игру вступают ручные навыки и мастерство доктора. Здесь также возможны отклонения, которые делают образец лучше или хуже. По этой причине учеными продолжается работа над оцифровкой данной стадии процесса для достижения воспроизводимых результатов. 3D-печатные элементы предлагают совершенно новые средства для изготовления приспособлений.

Автоматизация проектирования цифровых гипсовых моделей

Предпочтительным инструментарием для создания оптимального дизайна является ПО Geomagic Freeform с тактильным устройством Touch. Макро-функция Dynabot позволяет автоматизировать повторяющиеся задачи и предоставляет пользователю оптимальное решение для каждого этапа процедуры.

Хорошим примером использования программы является создание протеза для пациентов, потерявших пальцы и/или большую часть стопы. Обычно клиент получает специальную обувь, передняя половина которой заполнена пеной и позволяет сгибаться за счет эластичной подошвы через эластичную подошву, чьи характеристики точно адаптированы к весу и стилю ходьбы пациента. Поиск правильного сочетания жесткости и гибкости остается на усмотрение протезиста.

Ученые использовали результаты анализа движений и моделирования конечных элементов для разработки алгоритма, который может рассчитать идеальную подошву для конкретного заказчика. Для его реализации был применен Dynabot в Geomagic Freeform. Используя программу, получилось подобрать правильный инструмент для каждой подзадачи. В системе предусмотрена возможность остановки для выполнения ручной процедуры. Действия, не требующие участния оператора, реализуются автоматически, что ускоряет процесс.

Также в Geomagic Freeform широко используется параметрическое моделирование, при этом входные данные непосредственно изменяют геометрию конструкции. Интересной деталью последнего прототипа является вкладыш, представляющий собой часть, в которую пациент вставляет свою ногу. Это отливка из силикона с использованием 3D-печатной формы. Остальные элементы протеза в значительной степени предопределены, и только размер и жесткость адаптированы к пользователю.

Интеграция технологий в образование

Крупные O&P-компании уже предлагают цифровую платформу для изготовления определенных ортопедических средств. Однако это промышленные предприятия с техническим и инженерным персоналом, которые обладают глубокими знаниями в сфере торговли и инжиниринга. Традиционные ортопедические компании обычно не имеют последнего. Использование цифровых инструментов, таких как Geomagic Freeform, требует от пользователя определенных навыков, которые должны быть интегрированы в подготовку техников-ортопедов. Обучение будет включать применение электронных устройств и принципов проектирования, адаптированных к ортопедическим технологиям, а также изучение материалов и методик их производства (например, пластмасс для 3D-печати).
Интеграция компьютерных технологий в производство протезов и ортопедических приспособлений – это командная работа. Häussler сотрудничает с другими магазинами медицинских товаров, Ульмским Университетом прикладных наук, 3D Systems, чтобы определить еще больше важных рабочих процессов и внедрить их в программное обеспечение.

Сокращение разрыва между ручным трудом и цифровизацией

Geomagic Freeform – это мощный механизм, который предлагает степень свободы, необходимую ортопедам для моделирования. Сенсорное тактильное устройство обеспечивает обратную связь и устраняет разрыв между традиционным производством и цифровой моделью. Dynabots позволяют оптимизировать функциональные возможности софта GF, чтобы предоставить пользователям правильный инструмент в нужное время.