借助Artec Eva制作依靠思维控制的3D打印仿生手臂

07/08/2019

Paul Teupel出生时就失去了大部分左臂。3岁至今,他使用过许多义肢。不久后,他又有了新的义肢,但用他的话说,“是一款非常糟糕的装置,就像用肩带固定起来的两个钩子,穿戴起来非常笨重,看起来也很可怕,”他说道。“从此以后,我多年没再用过义肢。”尽管他出生且成长于新世纪,但50多年来,义肢的模样和设计几乎未变。虽然义肢和假手看起来似乎更为逼真和舒适,但距离真正的实用性和便捷性还很遥远。

Sanitätshaus Klinz历史藏品中收藏的20世纪早期的义肢

12岁时,Paul收到第一款肌电义肢(和Ottobock手掌)。这是他生命中的里程碑,因为这是他第一次能用左手抓握东西。从这天起,他每天都戴着自己的假肢。即便如此,这款新义肢也只能弯曲30度,尽管已经比以往有所改善,但还是不够理想。

Carsten Suhle,矫形技师

在德国统一后不久的1990年代早期,Paul成为德国贝恩堡Sanitätshaus Klinz的一名患者,自1997年起,一直与公司的矫形技师Carsten Suhle合作。他一直为Paul提供修复学最新最优质的前沿科技。当Carsten第一次见到Paul并仔细观察了他的手臂后,他忽然有了很多奇思妙想。之后,在2017年春,作为其硕士论文的一部分,他计划制作一款创新型新义肢,他建议Paul不要太依赖当时的那款义肢,“我们将为你制作一款更好的义肢,比以往你试过或见过的都好,你怎么看?”Paul满怀热情地答应了,在接下来的5个月中,他和Carsten密切合作,最终Paul的仿生手臂制作完成。

所有人/创始人Gerd Klinz

自从Sanitätshaus Klinz于1990年启动至今,所有人兼创始人Gerd Klinz始终在促进创新、提升患者舒适度方面扮演引路人的角色,以便为患者带来极致的便携和独立。公司日常工作中,他们使用过车床、胶水、石膏模型、纤维玻璃、数控加工,以及现代化材料与技术工具,例如3D扫描与3D打印、Kevlar纤维、各种不同材质的塑料等等。他们在德国萨克森-安哈尔特附近开设了多家分店,患者遍及德国各个地区,甚至还有海外患者。

扫描前检查石膏模具

现在,让我们来回顾一下早年Carsten为Paul制作新义肢的过程。他有效结合了自己在矫形学的多年积累、独特的设计构思以及3D扫描与打印的最新技术,很快就为Paul制作出了第一款原型义肢。Paul一次次地配合矫正匹配,每一次都对Carsten的技术和出色的想象充满信心,这也不断鼓励他们走向成功。数周后,原型义肢逐渐呈现出Carsten对最终产品的设想。

但过程中,Carsten发现,阻碍他实现理想效果的并不是他的想法,而是他们使用的工具。特别是用于为Paul左上臂(剩余手臂)制作3D模型用的3D扫描仪,还要设计一款完美贴合Paul解剖结构的精准义肢。这款新手臂除非各处节点和Paul手臂间肢体活动的空间范围精准无误,才有可能舒适实用。

“每天我们肢体活动即便没有数千次,也得有数百次,Paul的身体需要一款能与之和谐运动的义肢,作为身体的一个延伸,这样一来,他才能有机会好好生活,不再意识到自己手臂的残缺。这正是我的目标。也是我为每位患者追求的目标。对Paul而言,我认为我已经实现了,但我们不能满足于此,”Carsten继续说道,“未来,我还会尽我所能,使用最新技术为他提供最优质的义肢,哪怕这需要我们自己不断实现突破!”

Carsten谈到此表示,“在使用3D扫描前,我从未想过3D扫描仪之间存在如此大的差异……我以为扫描仪就是一台扫描仪而已,或许准确度、捕获速度有些差别,但事实上,对比了扫描仪我才发现,两台扫描仪可能是一辆普通轿车和兰博基尼之间的差距,当然也有不同的扫描范围,从高到低……首先,你要决定的是,对项目而言,什么最重要,在我们这个案例中,准确度、数据干净度和捕获速度是第一要务,当然,我们也需要轻松简单的后期处理过程,便于快速整合扫描,制作下一步使用的3D模型。”

Sanitätshaus Klinz矫形设计师Maria Köhlitz解释道:“我们过去使用并测试过多款3D扫描仪,包括Creaform推出的GO!Scan和Kinect 3D扫描仪,但每款我们试用过的扫描仪都不能达到我们的准确度要求,或者捕获帧率不够高,”她继续道,“所以如果患者有时在扫描时移动,这些扫描仪就会发生追踪遗失,导致我们需要再把相关部位重新扫描一遍,否则,最终的扫描效果会非常差,而后期编辑和对齐工作也会相当困难。”

Carsten继续解释道,“在我们开始考虑3D扫描仪时,我以为只要提升扫描处理技能,就能弥补扫描仪带来的缺陷。但这么做并没有效果。如果数据本身就是有缺陷的,那我们就得投入数小时,还达不到完美效果,”他继续说道,“这就好比你摔碎了一个花瓶,之后还得花很多时间把碎片粘回去。没错,或许最终看起来又焕然一新,但仔细查看,不难发现上面有很多细纹。所以,最好的方法还是不要摔碎这个花瓶。”

“得到没有瑕疵的干净数据和逼真扫描。这就是Artec Eva给我们带来的品质。”
–矫形技师Carsten Suhle

Carsten明白他们需要领域内知名专家的指导,所以他们找到了Artec金牌授权经销商KLIB,他们的资深技师和咨询师向其推荐了Artec专业手持式3D扫描仪Eva与Space Spider,并向他们提供了两款扫描仪培训。

Artec Eva是一款专业彩色3D扫描仪,采用安全的结构白光技术。Eva质量轻便,使用舒适,完美适用于中型物体的数字捕获,包括手臂、腿部、人体躯干。Eva点精度高达0.1毫米,是众多领域最受欢迎的一款3D扫描仪,包括医疗卫生工业设计科技

Paul Teupel和使用Artec Eva的矫形设计师Maria Köhlitz

手持式彩色3D结构光扫描仪Artec Space Spider拥有出色的点精度,高达0.05毫米,善于快速捕获小型物体,且上手快,使用方便,在扫描手指、手部、耳部、脸部等方面一直保持出色的记录。数字捕获时,扫描过程在业内知名的软件Artec Studio中实时进行。Eva和Space Spider都能流畅兼容Geomagic Freeform 建模软件。

正如视频所演示的那样,和石膏铸模这种传统方式相比,Artec Eva能节省大量时间。在所示案例中,传统铸模从头至尾需要2.5小时,而Eva仅需12分钟。而且,还能确保达到Artec专业手持式3D扫描仪极致的精度和准确度,更不用说还能获得一份数字档案,便于今后反复使用。科技带来的种种优势确实引人注目。

Paul新义肢手肘部位特写

从原型到最终义肢成型,总共用了10个月。手部(bebionic智能仿生手)从Ottobock购买,而整个义肢都是由Carsten在Geomagic Freeform中设计完成,并用PA2000塑料完成3D打印。义肢和Paul剩余手臂间还使用蓝色硅树脂填料填充。在义肢内部,还有电线连通Paul皮下传感器,使用肌电来移动新的手臂和手部。想象一些具体的动作,正常情况下移动手臂时所需要的肌肉会被激活,传感器通过皮肤传感器接受电流信号,义肢就可以根据Paul的想法来移动和使用。

说Paul对结果满意还是太过轻描淡写了:“Carsten研发设计这款新手臂,实在是太赞了,活动角度可以达到90度。我永远不会忘记,我人生第一次,能够用左手举起一杯水放到嘴边,还喝了一口!”

Paul Teupel和他的新手臂

而Paul仅是他们扫描并制作前沿矫形修复解决方案的100多位患者中的一位。Maria Köhlitz说道,“起初,我们为了帮助扫描患者手臂和腿部,购买了Artec Eva。Eva在手腿的扫描上还是非常完美的。但后来,我们希望将自己的设计和制作延伸到手指和小型关节,于是又购买了Space Spider。我们目前的扫描和细节度相当惊艳,可以在扫描中清楚看到指纹。”

Paul享受仿生手臂带来的自由

Paul拒绝因残疾限制自己的人生,他充分享受现在的生活,全身心投入自己的爱好:骑行和修理助动车和摩托车。他的全新仿生手臂和手部每一步都和他紧密配合,能用灵巧的十指紧握扳手和螺丝刀,还有大大小小的零部件,操作垫圈和火花塞,这一切都是他从童年时期就梦想的一切。

3D扫描和打印技术制作义肢,远远优于传统方式,因此德国政府医疗体系已决定在全国范围内推广使用。这是因为,3D扫描不仅有短期成本效益,也能长期耐用,同时还能提升患者在检查和匹配阶段的舒适度和行动能力,而且产品适合长期使用,患者不用经常返回复查。德国医疗保障体系已充分认识到,3D扫描是修复矫形领域的未来。

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