Creare con Artec Eva un braccio bionico stampato in 3D controllato con il pensiero

07/08/2019

Paul Teupel è nato senza una grossa porzione del suo braccio sinistro. Ha cambiato molte braccia protesiche nel corso degli anni, a partire dall'età di 3 anni. Non molto tempo dopo ha ricevuto il suo secondo braccio, che, secondo le sue parole, "era un aggeggio orribile, un doppio uncino tenuto in posizione da una tracolla, molto ingombrante da indossare e orribile da vedere," ha detto. "Questa esperienza mi ha spinto a non indossare nessuna protesi per diversi anni." Anche se Paul è cresciuto intorno all'inizio del 2000, l'aspetto e il design delle protesi non erano cambiati molto negli ultimi 50 anni. Le braccia e le mani protesiche erano diventate leggermente più realistiche e un po' più comode, eppure erano ancora lontane dall'essere veramente comode e utilizzabili nella vita di tutti i giorni.

Le prime protesi del 20 ° secolo, della collezione storica di Sanitätshaus Klinz

Poi, all'età di 12 anni, Paul ha ricevuto la sua prima protesi mioelettrica (con una mano Ottobock). Fu una pietra miliare per la sua vita: era la prima volta che riusciva a stringere oggetti usando il suo braccio sinistro. Da quel giorno, ha indossato la sua protesi quotidianamente. Nonostante l'indubbio miglioramento, questo nuovo braccio gli permetteva di piegare il gomito di soli 30 gradi, il che lasciava ancora molto a desiderare.

Carsten Suhle, tecnico ortopedico

Paul è diventato un paziente della Sanitätshaus Klinz di Bernburg, in Germania, nei primi anni '90, non molto tempo dopo la riunificazione, e ha lavorato con il tecnico ortopedico Carsten Suhle fin dal 1997. Carsten ha sempre fornito a Paul il meglio dell'ultima tecnologia in fatto di protesi. Fin dal primo incontro con Paul e il suo braccio, la mente di Carsten si è animata e ha iniziato a viaggiare. E così, un giorno della primavera del 2017, con un piano per creare un nuovo braccio innovativo come parte della sua tesi di Master, ha consigliato a Paul di non abituarsi troppo al suo braccio protesico: "Te ne faremo uno che sarà migliore di qualsiasi cosa tu abbia mai provato o visto, che ne dici?" Paul ha accettato con entusiasmo, e nel corso dei 5 mesi successivi, lavorando a stretto contatto con Carsten, il braccio bionico di Paul ha preso vita.

Gerd Klinz, proprietario e fondatore

Da quando Sanitätshaus Klinz ha aperto i battenti nel 1990, Gerd Klinz, proprietario e fondatore, si è sempre posto come obiettivo l'innovazione il comfort del paziente, in modo da poter portare i massimi livelli di mobilità e indipendenza ai propri pazienti. Nel lavoro quotidiano dell'azienda, hanno utilizzato torni, colla, stampi in gesso, fibra di vetro, fresatura CNC, nonché materiali e strumenti più moderni e tecnologie come la scansione 3D, la stampa 3D, il Kevlar, vari tipi di plastica, ecc. Possiedono diverse filiali nei dintorni della Sassonia-Anhalt, in Germania, e i loro pazienti arrivano da tutta la Germania e dall'estero.

Ispezione di un calco in gesso prima della scansione

Ma ritorniamo ai primissimi giorni di Carsten al lavoro sul nuovo braccio di Paul. Creando una sinergia tra i suoi anni di esperienza in ortopedia, il suo personalissimo pensiero progettuale e le ultime novità di scansione e stampa 3D, non è passato molto tempo prima che costruisse il suo primo prototipo per Paul. Paul si è presentato una seduta dopo l'altra, sempre fiducioso nella competenza e l'immaginazione di Carsten che li stava portando sempre più vicini al successo. Con il passare delle settimane, i prototipi erano sempre più vicini alla visione di Carsten.

Ma ad un certo punto lungo il cammino Carsten si è reso conto che non era la sua visione a impedirgli di raggiungere i migliori risultati, quanto piuttosto alcuni degli strumenti da lui utilizzati. In particolare, non lo soddisfavano gli scanner 3D da loro utilizzati per creare modelli 3D del braccio sinistro superiore di Paul (del moncherino), in modo da progettare un nuovo braccio preciso che si adattasse perfettamente all'anatomia di Paul. A meno di non ottenere una totale precisione dei punti di connessione e dello spazio per consentire un sufficiente movimento tra la protesi e il corpo di Paul, il nuovo braccio non sarebbe stato semplicemente scomodo, ma anche disfunzionale.

"Con centinaia se non migliaia di movimenti eseguiti ogni giorno, il corpo di Paul ha bisogno di una protesi che si armonizzi naturalmente, un prolungamento del corpo, in modo che in un breve periodo possa semplicemente vivere la sua vita e non pensare al suo braccio. Quello era il mio obiettivo. Ed è il mio obiettivo per ogni mio paziente. Con Paul, penso di aver ottenuto un successo, ma questo non significa che ci fermeremo lì", ha riferito Carsten," Con il passare degli anni, farò tutto il possibile per dargli sempre la miglior protesi possibile, anche se dovessimo occuparcene da soli!"

Carsten ha detto a tale proposito: "Prima di iniziare la scansione 3D, non avrei mai pensato che esistessero differenze così grandi negli scanner 3D ... Pensavo che uno valesse l'altro, con solo leggere variazioni nell'accuratezza e nella velocità di acquisizione. In realtà uno scanner può essere un’utilitaria economica così come una Lamborghini, con tutta una serie di scanner di qualità intermedia... prima occorre decidere cosa è più importante per chi lo utilizza, nel nostro caso il maggior livello di precisione possibile, dati più puliti, insieme alla velocità di acquisizione, e quindi ovviamente ci deve essere una facile post-elaborazione in modo che le scansioni vengano unite rapidamente in un modello 3D pronto per il prossimo passo."

Maria Köhlitz, la designer ortopedica di Sanitätshaus Klinz, ha spiegato: "Abbiamo utilizzato e testato diversi scanner 3D in passato, incluso GO!Scan di Creaform e lo scanner 3D Kinect, ma ogni scanner che abbiamo provato non era in grado di fornire la precisione di cui avevamo bisogno, oppure la frequenza di fotogrammi per le acquisizioni non era abbastanza elevata", ha proseguito," Così quando i pazienti si muovevano durante la scansione, come talvolta accade, gli scanner perdevano il tracciamento e dovevamo eseguire nuovamente la scansione dell'area, oppure le scansioni risultanti erano di qualità così bassa che la modifica e l'allineamento durante la post-elaborazione era troppo difficile."

Carsten ha spiegato: "Quando ho iniziato a considerare gli scanner 3D, immaginavo che potevamo compensare eventuali carenze dello scanner diventando noi stessi più abili con l'elaborazione della scansione. Ma non era così. Quando parti da dati danneggiati, puoi passarci sopra delle ore ma non otterrai mai un modello perfetto", ha proseguito, "è come rompere un vaso e poi provare a rimetterlo insieme dopo molto tempo. Alla fine potrebbe sembrare come nuovo, ma un'ispezione ravvicinata rivelerà le crepe. È molto meglio non far cadere il vaso in primo luogo."

"Un inizio con dati perfettamente puliti e scansioni realistiche. Ecco ciò che Artec Eva è in grado di offrirci." 
-Carsten Suhle, tecnico ortopedico 

Carsten si è reso conto di avere bisogno della guida di esperti di cui ci si potesse fidare, quindi si sono rivolti al rivenditore certificato Artec Gold KLIB: i loro tecnici e consulenti gli hanno presentato gli scanner 3D palmari professionali Eva e Space Spider e gli hanno insegnato come usarli.

Artec Eva è uno scanner 3D a colori professionale dotato di luce bianca strutturata, sicura da usare. Leggero e comodo, Eva è l'ideale per catturare digitalmente oggetti di medie dimensioni, come braccia, gambe e il corpo umano. Con la sua precisione di punto fino a 0,1 mm, Eva è uno dei più popolari scanner 3D in moltissimi settori, come assistenza sanitaria, progettazione industriale e ricerca scientifica.

Paul Teupel e la designer ortopedica Maria Köhlitz al lavoro con Artec Eva

Artec Space Spider è invece uno scanner leggero 3D a colori con una straordinaria precisione di punto, fino a 0,05 mm, facile da imparare ad usare e capace di scansionare rapidamente gli oggetti più piccoli, ed offre una collaudata efficacia nella scansione di dita, mani, orecchie, facce e altro. Durante il processo di acquisizione, la scansione avviene direttamente all'interno del popolare software Artec Studio in tempo reale. Sia Eva che Space Spider sono integrati con il software di modellazione Geomagic Freeform.

Come dimostrato nel video, rispetto al metodo tradizionale dei calchi in gesso, Artec Eva può conferire un enorme risparmio di tempo. Nell'esempio mostrato, le 2,5 ore richieste dal calco vengono ridotte a solo 12 minuti con Eva. E tutto questo si aggiunge alla massima precisione e accuratezza garantiti dagli scanner 3D palmari professionali di Artec, per non parlare dell'estrema convenienza di avere a portata di mano un archivio digitale da utilizzare in futuro. Tali vantaggi tecnologici sono impossibili da ignorare.

Primo piano dell'articolazione del gomito del nuovo braccio di Paul

Complessivamente, ci sono voluti circa 10 mesi dal primo prototipo fino ad un braccio finale pronto per essere applicato. La mano (bebionic) è stata acquistato da Otto Bock, mentre la protesi stessa è stata interamente creata da Carsten, progettata in Geomagic Freeform e stampata in 3D con plastica PA2200. C'è anche un'imbottitura di silicone blu usata come interfaccia tra la protesi e il braccio di Paul. All'interno del corpo della protesi si trovano cavi e fili che portano ai sensori applicati sulla pelle di Paul che usano l'elettricità muscolare (mioelettricità) per muovere il nuovo braccio e la mano. Quindi, semplicemente pensando a un certo movimento, i muscoli che normalmente muovono il braccio in quel modo vengono attivati, i sensori raccolgono l'elettricità attraverso i sensori sulla pelle e la protesi si muove e funziona nel modo desiderato.

Dire che Paul è contento dei risultati sarebbe un eufemismo: "Carsten ha fatto un enorme lavoro di sviluppo e progettazione del mio nuovo braccio. Ha reinventato un sistema a doppio snodo con due assi di rotazione, che permette un movimento di oltre 90 gradi. Non dimenticherò mai il momento in cui, per la prima volta nella mia vita, ho sollevato un bicchiere d'acqua con la mano sinistra e ne ho bevuto un sorso!"

Paul Teupel con il suo nuovo braccio

Paul è uno degli oltre 100 pazienti che, grazie alla scansione 3D, hanno ricevuto una soluzione ortopedica o protesica all'avanguardia. Come riferito da Maria Köhlitz, "all'inizio abbiamo acquistato Artec Eva perché volevamo scansionare gli arti dei nostri pazienti. Eva è la scelta perfetta per questo tipo di mansione. Ma poi abbiamo voluto espandere la nostra gamma di design e creazione fino alle dita e alle piccole articolazioni, così abbiamo acquistato anche uno Space Spider. Ora le scansioni e il livello di dettaglio sono impressionanti, possiamo persino vedere perfettamente le impronte digitali sulle nostre scansioni."

Paul si muove in libertà con il suo nuovo braccio bionico

Rifiutandosi di sentirsi un disabile, oggi Paul ha la libertà di dedicarsi ai suoi hobby preferiti: cavalcare e restaurare motorini. Il suo nuovo braccio e mano bionici lo accompagnano a ogni passo, permettendogli di afferrare chiavi e cacciaviti, parti grandi e piccole, con dieci dita abbastanza abili da maneggiare rondelle e candele e fare tutto ciò che aveva sognato da quando era bambino.

Il sistema di assicurazione sanitaria del governo tedesco ha deciso di sostenere a livello nazionale la scansione e la stampa 3D di protesi, promuovendolo come una scelta superiore ai metodi tradizionali di progettazione e creazione di ortesi e protesi. Questa decisione è stata presa non solo perché la scansione 3D è più conveniente a breve termine, ma anche per la sua longevità, nonché per gli elevati livelli di comfort e mobilità del paziente, sia durante l'esame che il fitting, riducendo sul lungo periodo il numero di viste necessarie. Il sistema di assicurazione sanitaria tedesco ritiene che la scansione 3D è il futuro delle protesi e delle ortesi.

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