Lösungen für 3D-Scanning

Wie Artec 3D die Ukraine unterstützt

Wie Artec 3D und HP die Entwicklung einer revolutionären 3D-gedruckten Prothese befördern

Die Herausforderung: Ein innovativer Prothesenspezialist benötigte eine Möglichkeit zur effektiven, millimetergenauen 3D-Vermessung von Gussformen auf Basis von Stümpfen amputierter Unterschenkel und anderer Gliedmaßen, um eine perfekte Passform für seine revolutionäre neue 3D-gedruckte Quatro-Prothese zu gewährleisten.

Lösung: Artec Eva, Artec Studio, Geomagic Freeform, HP Jet Fusion 4200

Die Ergebnisse: Mit dem tragbaren 3D-Scanner Artec Eva können der Stumpf, die Formen und die Schäfte eines Patienten in nur wenigen Minuten in Submillimeter-genauem Farb-3D gescannt werden. Anschließend werden die Scans in der Software Artec Studio verarbeitet. Nach nur 30 -60 Minuten werden sie in Geomagic Freeform exportiert, wo die maßgeschneiderte Quatro-Prothese zum Leben erweckt wird. Die Scans von Artec Eva dienten dabei als präzise Referenzmodelle.

3D-Scannen der Quatro-Prothese von Rustin Hughes mit Artec Eva

Nachdem er sein rechtes Bein durch ein bösartiges Blutgerinnsel verloren hatte, wollte der Mixed Martial Arts-Kämpfer Rustin Hughes, ein Veteran der US-Armee, nicht nur tatenlos herumsitzen. Vielmehr stürzte er sich jeden Tag in die anstrengenden Reha-Maßnahmen im Veteranen-Krankenhaus. Bald saß er nicht mehr im Rollstuhl, sondern stand auf zwei Füßen, von denen einer eine Prothese war.

Doch laut Hughes war diese erste Prothese „schrecklich, so als würde man ständig einen Eimer mit 20 Litern Wasser mit sich herumtragen.“ Das künstliche Bein, ein typischer Saugschaft in Standardgröße, wie er weltweit üblich ist, passte nie richtig und wurde im Laufe des Tages immer lockerer, da der Stumpf an Volumen verlor.

Dies bedeutete, dass das Bein mehrmals am Tag abgenommen und wieder angelegt werden musste, wobei häufig ein oder zwei Socken in den Schaft gesteckt wurden, um einen vorübergehenden festen Sitz zu erreichen. Insgesamt dauert dieser Vorgang jeweils fast zehn Minuten, was es Hughes nahezu unmöglich macht, an sportlichen Wettkämpfen, bei denen die Pausen zwischen den Spielen nur etwa eine Minute lang sind, teilzunehmen.

Ein langer Weg, der noch nicht zu Ende ist

Für einen Amputierten, der körperlich so stark beansprucht wird, war eine lockere Prothese nicht nur unangenehm, sondern stellte auch ein Sicherheitsrisiko dar. Mehr als einmal passierte es Hughes, dass sein neues Bein während eines Spaziergangs auf offener Straße abfiel.

Inmitten von Frustration und Schmerz sah Hughes einer ungewissen Zukunft entgegen, und seine Pläne und Träume standen auf dem Spiel. Doch er weigerte sich, aufzugeben.

Hughes suchte weiter nach einem Spezialisten, der keine pauschalen Antworten und vorgefertigten Lösungen anbieten würde. Schließlich traf er Joe Johnson, den Geschäftsführer von Quorum Prosthetics in Windsor, Colorado in den USA.

Joe Johnson (L) und Rustin Hughes mit einem neuer Quatro-Prothese nebst Ummantelung

„Joe Johnson hat selbst eine Amputation durchlaufen“, erklärt Rustin Hughes. „Er wusste deswegen nicht nur genau, was ich durchmachte, sondern auch wie er mir helfen konnte, dorthin zu gelangen, wo ich sein wollte.“

Johnson und sein Team bei Quorum fertigten noch am selben Tag ein Testmodell für Hughes an. „Sie fokussierten sich vollends darauf, mir zu helfen“, erinnert sich Hughes.

Als er Tage später seine erste Kohlefaserprothese Quorum Quatro anlegte, „war der Unterschied enorm.“ Hughes erläutert: „Mein neues Bein fühlte sich an wie eine natürliche Verlängerung meines Körpers, und die Passform war perfekt. Von da an machte mein Bewegungsspielraum einen riesigen Sprung.“

Wiedergewonnene Kontrolle mit Quatro

Da nur einige wenige Schaft-Ausführungen die notwendige Knochenstabilisierung gewährleisten, um auf einem hohen sportlichen Niveau konkurrieren zu können, kombiniert die Quatro-Prothese dies mit einer Längskompression. Dadurch kann der Anwender alle Vorteile eines starken und sicheren Schaftes nutzen und gleichzeitig Anpassungen an Veränderungen des Gliedmaßen-Volumens vornehmen.

Quatro ist eine stärkere, leichtere, schlankere und vollständig verstellbare Fassung, die innerhalb von nur zwanzig Sekunden angelegt und dann den ganzen Tag über leicht angepasst werden kann. Damit ist sie die ideale Lösung für Leistungssportler und aktive Menschen jeden Alters.

Rustin Hughes passt die Passform seiner Quatro an

Jede Quatro ist vollständig an die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten anpassbar, einschließlich der Auswahl des Zubehörs, Designs und der Farben. Dabei ist der Preis mit anderen, auf dem Markt erhältlichen Prothesen vergleichbar. Dadurch ist die Prothese sehr beliebt bei einer wachsenden Zahl von Patientinnen und Patienten, und das aus gutem Grund: Denn die Kunden gewinnen ihre Mobilität zurück.

Hughes erklärt: „Lange Zeit hatte ich vieles nicht unter Kontrolle. Jetzt kann ich meinen Schaft jederzeit festziehen und die Passform beibehalten. Das ist sehr zufriedenstellend, weil es mir die Kontrolle zurückgibt – und zwar genau da, wo ich sie brauche.“

Boxhandschuh-Training mit Rustin Hughes und Joe Johnson von Quorum

Die Passform ist das A und O

Um eine ideale Passform zu erreichen, muss das Gerät für jeden Patienten individuell angefertigt werden.

Laut Sean McClure, F&E-Ingenieur und Direktor von Quorum Prosthetics, „ist die Beibehaltung der bequemen Passform während des gesamten Tages entscheidend – und das unabhängig vom Grad der Aktivität, ob langsam oder dynamisch. Dies erreichen wir durch das 3D-Scannen mit Artec Eva.“

Bevor das Team den Scanner von Artec 3D entdeckte, bestand das traditionelle Verfahren von Quorum darin, den Stumpf des Patienten mit Gips abzuformen.

McClure: „Das war ein chaotischer und zeitaufwändiger Prozess, der bei unseren Patienten nie einen positiven Eindruck hinterließ. Die gesamte Prozedur dauerte über acht Stunden und erforderte erhebliche Mengen an Material und zahlreiche Werkzeuge.“

Screenshot von Artec Studio zeigt eine mit Artec Eva gescannte Stumpfform

Da sie mit den Ergebnissen nicht zufrieden waren, unternahmen die Spezialisten einen ersten Ausflug in die Welt des 3D-Scannens. Doch nachdem sie mehrere preisgünstige 3D-Scanner getestet hatten, waren sie eher entmutigt. Sowohl die Genauigkeit als auch die Auflösung der erfassten Daten lagen weit unter den Standards von Quorum. Zudem konnten die Geräte auch das Innere von Gipsformen oder vorhandene Muffen nicht richtig scannen.

„So sehr wir uns auch bemühten, wir waren nicht in der Lage, die Daten so zu modifizieren und bereinigen, dass wir eine hochqualitative digitale Datei für den Import in das CAD-System erstellen konnten. Diese ist aber zwingend notwendig, damit wir ein gut passendes und funktionierendes Endprodukt entwerfen und modellieren können“, so McClure.

Suche nach dem besten 3D-Scanner für die Aufgabe

Als sich Joe Johnson mit Dr. Cory Christiansen vom CU Anschutz Medical Center besprach und von den Schwierigkeiten seines Teams erzählte, empfahl ihm dieser, sich mit dem Artec Gold-zertifizierten Partner Reality 3D in Verbindung zu setzen. Die dortigen Spezialisten verfügten über jahrelange Erfahrung mit Orthesen, Prothesen und anderen Anwendungen im Gesundheitswesen.

Bald darauf trafen sich Johnson und McClure mit Matt Filkins von Reality 3D, der ihnen den 3D-Scanner Artec Eva präsentierte.

3D-Scanner Artec Eva

Seit Jahren ist Artec Eva die erste Wahl für Prothetiker und weitere Spezialisten im Gesundheitswesen – und das aus gutem Grund: Artec Eva kann unebene Oberflächen aller Art, insbesondere solche des menschlichen Körpers, mit einer Genauigkeit im Submillimeterbereich erfassen. Dabei ist die Nutzerfreundlichkeit sowohl für Anfänger als auch Experten gegeben.

Nach anfänglichen Bedenken hinsichtlich des Preisrahmens verstand McClure bereits nach wenigen Minuten der Vorführung, dass durch die Optimierung des Arbeitsablaufs mit Artec Eva auch die Materialkosten deutlich sinken und sich das Gerät innerhalb von zwei Monaten amortisieren würde.

Also entschieden sie sich für den Kauf und sind seitdem zufrieden, diesen Schritt gegangen zu sein.

Screenshot aus Artec Studio von eines mit Artec Eva gescannten Abgusses einer Prothesenschaftes

Die Ergebnisse sind herausragend: „Die benötigte Zeit für die Herstellung jeder Quatro hat sich durch den Wechsel zum 3D-Scannen und -Drucken um bis zu 75 Prozent verkürzt. Wenn man bedenkt, wie viel Zeit und Material eingespart wird, ganz zu schweigen davon, dass wir unseren Markt wie nie zuvor erweitern, haben wir die Rentabilitätsschwelle für diese neuen Technologien bereits weit überschritten“, so McClure.

Zeitersparnis bei jedem Projekt mit Artec Eva

McClure fährt fort: „Mit Artec Eva können wir einen kompletten Scan innerhalb weniger Minuten fertigstellen. Kein Vergleich zu den vielen Stunden, die es früher brauchte, um eine Gipsform ordnungsgemäß zu erstellen. Durch die Fortschritte unserer Methoden und unser tiefgreifendes Verständnis erwarten wir, dass sich dieser Zeitaufwand noch weiter verringern wird. Die Scans sind derart exakt, dass wir die 3D-Modelle von Artec Eva für die Finite-Elemente-Analyse (FEA) nutzen können“, so McClure.

Screenshot aus Artec Studio eines Artec Eva-Scans der Quatro-Prothese

Die benötigte Zeit ist von Patient zu Patient unterschiedlich und hängt auch von den zu scannenden Objekten ab, wie zum Beispiel von der bereits vorhandenen Form, dem Schaft oder dem Stumpf selbst.

Im Durchschnitt dauert es zwischen dreißig Minuten und einer Stunde, um einen Scan anzufertigen, diesen in der Software Artec Studio zu bearbeiten und anschließend als vollständige STL-Datei in Geomagic Freeform zu exportieren.

Digitales Modellieren der Quatro in Geomagic Freeform

In Freeform werden alle STL-Modelle für das Projekt zusammengeführt. Dazu zählen die Scans einer Gussform des Stumpfes des Patienten, des vorhandenen sowie des diagnostischen Schaftes und aller anderen für die Quatro benötigten Komponenten.

In dieser Phase erweist sich die Submillimeter-Genauigkeit der Artec Eva-Scans als elementar, da diese Modelle als Referenz für die Erstellung der verschiedenen Strukturelemente des Geräts dienen, bevor sie an ihren jeweiligen Positionen angeordnet werden.

Auf dieser Basis lassen sich die vier einstellbaren Kompressionszonen der Quatro-Prothese über vier Paneele einfach an den vom Konstrukteur festgelegten Positionen am Schaft ausrichten.

Screenshot von Geomagic Freeform des Quatro-Entwurfs

Die Größen und Formen der Paneele sind individuell anpassbar, je nach Stumpf-Maß des Patienten sowie der benötigten Kompression und Verstellbarkeit.

Die Paneele werden sorgfältig mit den traditionellen CAD-Werkzeugen, die in Freeform verfügbar sind, modelliert. Nach dem 3D-Druck aller Komponenten auf einem HP Jet Fusion 4200 kann der komplette Schaft innerhalb einer Viertelstunde montiert werden.

„Derzeit dauert es etwa zwei Wochen vom Scan bis zur fertigen Quatro-Prothese für den Patienten. Mit der Verfeinerung des Prozesses erwarten wir, diesen Zeitraum auf wenige Tage zu verkürzen“, so McClure.

Der Konkurrenz weit voraus

Obwohl die Prothese ein relativer Neuling auf dem Markt ist, haben erste Rückmeldungen und Studien gezeigt, dass sie wesentlich robuster und langlebiger ist als herkömmliche Prothesen dieser Art.

Die neueste Quatro von Rustin Hughes in Aktion

Durch die Möglichkeit, die Passform im Laufe des Tages über eine Reihe von leicht zugänglichen Reglern am Gerät einzustellen, haben die Patienten die volle Kontrolle über ihr Wohlbefinden und ihre Stabilität.

In Verbindung mit der überragenden Festigkeit und dem geringen Gewicht der 3D-gedruckten Teile ermöglicht dies einen Schaft, der von den Patienten über Jahre hinweg getragen werden kann.

Erweiterung des Marktes über internationale Grenzen und Kontinente

Die vielen Kunden von Quorum profitieren nicht nur von den Vorteilen im täglichen Gebrauch, sondern auch von den Möglichkeiten, die sich durch neue Märkte ergeben haben. „Artec Eva hat es uns ermöglicht, den Markt weit über den Norden Colorados hinaus zu erschließen. Heute brauchen wir lediglich einen Quorum-Prothetiker und einen Techniker vor Ort bei den Patienten“, so McClure. „Mit Hilfe der 3D-Scantechnologie kann uns eine Einrichtung von überall auf der Welt ein Modell für Konstruktion und Druck schicken. Das bedeutet, dass wir ausschließlich als Hersteller tätig werden und die Technologie im ganzen Land und sogar weltweit verbreiten können.“

Was Hughes betrifft, so ist er mit seiner perfekt sitzenden Quatro-Prothese aktiver denn je: Er tritt im Ring an und leitet seine gemeinnützige Organisation B-BOLD, in dessen Rahmen er Menschen aller Altersgruppen mit Behinderungen adaptive, kontaktlose Kampfsportarten lehrt.

Rustin Hughes (L) zusammen mit einem seiner Adaptive-Boxing-Kurse

Ständig wachsender Bedarf an 3D-Scans im Bereich Orthesen und Prothesen

Matt Filkins von Reality 3D kommentiert die Möglichkeiten der Technologie im Bereich der Orthetik und Prothetik: „Wenn man sich das Veteranen-Krankenhaussystem und seinen Patientenstamm als Beispiel für die steigende Nachfrage ansieht, sieht man viele Tausende alternder Veteranen, darunter auch Amputierte, die für den Rest ihres Lebens versorgt werden müssen.“

„Die Technologie des 3D-Scannens und -Druckens bietet Anbietern von Orthesen und Prothesen neue Möglichkeiten, die herkömmliche Fertigungsmethoden bislang nicht leisten konnten“, fährt er fort. „Dies ermöglicht eine überragende Genauigkeit, die zu gesteigertem Patientenkomfort bei minimalen Material- und Arbeitskosten sowie zu weniger Praxisbesuchen, außergewöhnlichen Designmöglichkeiten und vielem mehr führt.“

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