Artec Eva ermöglicht die Herstellung günstiger 3D-gedruckter Prothesen in Guatemala

Zusammenfassung: Eine gemeinnützige Organisation, die sich auf Kinderprothesen spezialisiert, benötigte eine kostengünstige und dennoch effektive Methode, Prothesen für ihre Patienten herzustellen, darunter eine junge Frau, die ihren Unterarm verloren hatte.

Das Ziel: Mit einem tragbaren 3D-Scanner die Extremitäten der Patienten digital erfassen, die Scans verarbeiten, dann maßgeschneiderte 3D-Modelle von Prothesen in Geomagic Freeform und Fusion 360 erstellen, diese an 3D-Drucker weiterleiten und schließlich an die Patienten anpassen.

Verwendete Werkzeuge: Artec Eva, Geomagic Freeform, Fusion 360

Nach einem brutalen Raubüberfall verlor Veronica aus Guatemala ihren rechten Unterarm. Sechs Wochen verbrachte sie im Krankenhaus. Danach wurde sie von ihrem Freund in die Prothetikklinik LifeNabled im Hospital Shalom nach San Benito gebracht. In der Klinik erfuhr sie, wie ihr geholfen werden könne, wie lange es dauern und wie sich ihr Leben zum Positiven ändern würde.

Das Hospital Shalom in Guatemala

Anschließend ging es gleich los: Zunächst wurde ein GFK-Abdruck ihres Stumpfs erstellt. Das Innere des Abdrucks wurde dann mit dem 3D-Farbhandscanner Artec Eva gescannt (dieser Vorgang und der Designprozess werden unten genauer beschrieben). Schließlich wurde Veronicas neuer 3D-Arm ausgedruckt und für den Einsatz präpariert. Nur wenige Stunden später war er bereits angepasst – und änderte Veronicas Leben von Grund auf.

Nachdem sie sich erholt und ihren neuen Arm von LifeNabled bekommen hatte, lernte sie über sechs Monate hinweg in speziellen Kursen, verschiedene Gerichte zu kochen. Heute arbeitet Veronica und studiert Theologie an der Universität ihrer Heimatstadt.

Veronica auf dem Weg zur Arbeit

Das Hospital Shalom, das die LifeNabled-Klinik in Guatemala beherbergt, wurde von zwei Missionaren aus den USA gegründet: Tim und Doris Spurrier. Das Ehepaar setzte sich eines Tages mit ihren beiden Kindern in Ohio in den Wagen und fuhr fünf Tage lang Richtung Süden. Als sie in Guatemala ankam, fühlte sich die Familie „endlich zu Hause“.

Nach einiger Zeit beschlossen die Spurriers, in ihr kleines Krankenhaus eine Prothetikklinik zu integrieren, und luden dazu 2006 den zertifizierten Prothetiker und Orthetiker Brent Wright ein. Wright war von ihrer Idee begeistert und richtete umgehend die erste und einzige Orthopädieklinik in Guatemala ein.

Brent Wright mit einer von ihm gestalteten Prothese

Für Wright und seine freiwilligen Mitarbeiter, ganz zu schweigen von seinen vielen Klinikpatienten war der 3D-Scan und der 3D-Druck eine Revolution: Lagen allein die Materialkosten für eine Armprothese davor noch zwischen 800 und 1.200 Dollar, machen sie beim 3D-Druck nur noch einen Bruchteil dieser Summe aus. „Heute kostet das Material für eine unserer Armprothesen etwa vier Dollar“, so Wright.

Sein Traum ist es, dass sich jeder, der eine günstige Prothese braucht, ein Exemplar leisten kann – besonders in armen Regionen, wo es im ganzen Land nur einen oder zwei Orthopädietechniker gibt.

Wright ist davon überzeugt, dass die Zeit für eine Revolution auf dem Gebiet der Prothetik gekommen ist: „In den letzten 18 Monaten hat sich das Material im 3D-Druck so rasant verändert, dass es sich nun bestens für leistungsfähige und haltbare Prothesen eignet.“

Auf der Suche nach einer unkomplizierteren Lösung stieß er auf das 3D-Scannen und den professionellen 3D-Handscanner Artec Eva. Dieser Scanner, der in verschiedensten Branchen – vom Gesundheitswesen bis zum Reverse Engineering – für die digitale Erfassung von Objekten in hoher Auflösung eingesetzt wird, bedeutete für Wright und seine Klinik den Durchbruch.

Doch mit dem richtigen Scanner allein war es noch nicht getan. Wright hat sich bei seiner Arbeit mit Prothesen höchster Präzision verschrieben.

„3D-Scannen ist toll, um Formen zu erfassen. Geht es jedoch darum, unter Belastung stehende Formen oder das darunterliegende Gewebe zu erfassen, sieht die Sache anders aus. Deshalb möchte ich auf einen guten Abdruck nicht verzichten“, sagt Wright. „Inzwischen haben wir verschiedene Verfahren entwickelt, um das Äußere oder Innere eines Abdrucks zu scannen. So erhalten wir die darunterliegende Anatomie und die tatsächliche Größe des Köperglieds unter Belastung.“

„Jeder direkte Scan eines Patienten führt zu einem Ratespiel, wie die darunterliegende Anatomie aussieht und wie sich der Körperteil bei Belastung verformt. Doch wenn es um Prothesen geht, ist Raten keine gute Option“, so Wright zum Thema berührungsloses 3D-Scannen.

„Artec Eva ist unglaublich – aber noch beindruckender ist die Software Artec Studio“, so Wright. „Nachdem der Abdruck fertig ist, schneide ich ihn in zwei Hälften, die ich in wenigen Minuten mit Eva erfasse. Dann füge ich die beiden Scans in Artec Studio zu einem präzisen 3D-Modell zusammen. So nutze ich die Vorteile beider Ansätze: Erst erhalte ich durch den unter Belastung genommenen Abdruck des Stumpfes eine genaue Darstellung der Gegebenheiten und dann erstelle ich davon einen präzisen 3D-Scan. Das Ergebnis ist ein 3D-Modell, das anatomisch korrekt ist und den Umfang des Stumpfes genau wiedergibt. Ein berührungsloser Scan kann dies schlicht nicht leisten.“

Ein Patient probiert eine neue Prothese im Hospital Shalom aus

„Artec Eva scannt das Innere der Abdrücke besser als jedes Modell, das wir getestet haben. Die Ergebnisse sind fehlerlos – das schafft kein anderer 3D-Scanner“, so Wright.

Anders als beim zeit- und arbeitsintensiven traditionellen Verfahren sind bei der von Wright entwickelten Lösung vor dem Scannen nur wenige Schritte nötig: Von dem betroffenen Körperglied wird ein GFK-Abdruck genommen, der mit Markierungen versehen wird, um etwa Knochenvorsprünge, Kniescheibe, Druckstellen und ähnliches zu kennzeichnen. Nachdem der Abdruck drei bis vier Minuten getrocknet ist, wird er aufgeschnitten und für das Scannen vorbereitet.

Beim Scannen wird das Objekt in Echtzeit direkt in Artec Studio auf dem Monitor angezeigt. Damit sieht man sofort, wie innerhalb weniger Sekunden der gesamte Abdruck erfasst wird. Nun werden die beiden Scans zu einem Modell zusammengefügt und in andere Anwendungen übertragen, zum Beispiel in eine CAD/CAM-Software.,

„Ich exportiere das Modell als OBJ-Datei in Geomagic Freeform, das für die anfallenden Gestaltungs- und Anpassungsaufgaben ideal geeignet ist. Durch die Kombination mit einem haptischen Gerät kann ich Kurven und Unebenheiten mit der Hand spüren. Das ist einfach irre“, so Wright.

Zudem nutzt er Fusion 360, um Gelenke und andere individuelle Merkmale zu entwerfen. Auch wenn die traditionelle Prothesenherstellung immer gefragt bleiben wird, hat das 3D-Scanning für LifeNabled eine ganz neue Welt eröffnet, die nicht nur Wrights Arbeitsweise, sondern auch seine Geschwindigkeit und Flexibilität revolutioniert hat.

„Das Fantastische an dieser Methode ist, dass ich sie buchstäblich überall anwenden kann. Sobald der Scan-Vorgang abgeschlossen ist – und das geht schnell –, kann ich mich mit meinem Laptop sogar vor den Fernseher setzen und die Gestaltungsarbeit dort erledigen“, so Wright.

Designprozess einer neuen Prothese

„In unserem Klinikalltag bedeutet dies, dass ein Patient schon nach einer Stunde seine Prothese erhält.“

Dennoch bleiben immer noch Wünsche offen. Das Krankenhaus braucht weiter Techniker, die in der Lage sind, Prothesen anzufertigen – eine Tätigkeit, die auf den ersten Blick nicht schwer zu sein scheint, in Wirklichkeit jedoch extrem anspruchsvoll ist. Mindestens ein Jahr praktische Schulung und zahlreiche Außeneinsätze sind Voraussetzung. „Die Praxis ist enorm wichtig“, so Wright. „Mit theoretischem Wissen allein kommt man nicht weiter.“

Anpassen einer Unterarm-Prothese

Brent Wright und seine Frau Meredith reisen zwei Mal jährlich nach Guatemala. Im Gepäck haben sie so viel Ausrüstung wie möglich: Artec Eva, zwei 3D-Drucker (Filament Innovations), einen hochleistungsfähigen Alienware-Laptop, Prothesenrohre aus Aluminium, Filamente für die 3D-Drucker (Carbonfaser-PETG, PETG, Polycarbonat etc.), Knieprothesen, Niagara-Fußprothesen, Glasfaser für die Herstellung von Abdrücken und vieles mehr.

Im Laufe der Jahre hat das Hospital Shalom über 400 Patienten in Guatemala mit Prothesen versorgt. Viele der behandelten Kinder stehen heute an der Schwelle zum Erwachsenenalter. Die ehemals chancenlosen Jungen und Mädchen, die sich oft wertlos vorkamen, sich schämten oder sogar als verflucht galten, sind heute Lehrer, Ärzte, Geschäftsleute oder Arbeiter.

LifeNabled hat noch viel vor. Die gemeinnützige Organisation will CE-zertifizierte Kurse für den 3D-Druck von Prothesen anbieten. Zudem plant sie ein Schulungsprogramm, durch das Organisationen erfahren, wie sie bedürftige Menschen weltweit mit Prothesen versorgen können. LifeNabeld hat sich dem Ziel verschrieben, neben umfassenden Schulungen auch die erforderliche Ausrüstung zur Verfügung zu stellen, damit Menschen mit Amputationen auf der ganzen Welt unabhängig von ihrem Einkommen oder Wohnort in den Genuss von Prothesen kommen.