Eva aiuta a produrre una protesi stampata in 3D del muscolo gastrocnemio

18/11/2014

Un team di ingegneri ha usato Artec Eva per creare il modello 3D della gamba di una ragazza per progettare il prototipo di una protesi su misura del muscolo gastrocnemio

Progettare una protesi su misura del muscolo gastrocnemio è più difficile di quanto possa sembrare. Scopri di più sul processo e le tecnologie usate per sviluppare questo prototipo. Questa storia è iniziata quando una ragazza russa, Olga, ha deciso di scrivere a Can Touch, un servizio online russo per la stampa 3D industriale, con una speciale richiesta. Olga è appassionata di uno degli sport più estremi, lo skydiving. Uno dei suoi salti è risultato in un infortunio al muscolo gastrocnemio nella sua gamba destra, ha perso quasi del tutto il tessuto muscolare, lasciando una sua gamba visibilmente diversa dall’altra, rendendo Olga a disagio per il suo aspetto. Così ha voluto una protesi specificamente modellata sulla sua gamba.

Inizia il lavoro sulla protesi​

Can Touch ha ricontattato Olga e organizzato un incontro con lei per discutere cosa era necessario fare per realizzare una protesi. Insieme, hanno pianificato le seguenti tappe:

  • scansione di entrambe le gambe in 3D;
  • creazione di un modello 3D;
  • stampa della protesi in una stampante 3D;
  • prova della protesi.

Scansione della gamba​

La prima cosa da fare è stata scansionare entrambe le gambe, ed è qui che Artec Eva è venuto in aiuto. La scansione è stata eseguita dall’ingegnere Alexander Gorodetsky, che ha anche progettato l’involucro dello scanner. Il team aveva bisogno di una scansione molto accurata, quindi il lavoro è stato molto meticoloso.

L’Eva si è dimostrato estremamente facile da usare, in quanto non richiede nessuna calibrazione o marcatori. Raccoglie 16 frame per secondo, che sono fusi automaticamente in tempo reale. Come risultato, puoi vedere esattamente quello che hai scansionato e quali aree richiedono una maggiore attenzione.​

Catturando e processando simultaneamente fino a 2 milioni di punti per secondo, Eva garantisce un’alta risoluzione (fino a 0.5 mm) e una grande precisione (fino a 0.1 mm), il che lo rende una soluzione ideale per scansionare parti del corpo umano.​

Creazione del modello 3D per la protesi​

Questa parte è stata la più intensa e dispendiosa in termini di tempo. Il lavoro è stato commissionato ad un esperto modellatore 3D, Valery Karaoglanyan. Il suo compito è stato creare il modello 3D di una protesi cosmetica usando due nubi di punti (le scansioni della gamba sana e quella infortunata), tenendo conto delle richieste di Olga. Non c’era nessun caso precedente, l’intero lavoro è stato fatto partendo da zero.

Il primo passo è stato creare dei modelli 3d solidi di entrambe le gambe in Solidworks. Quando sono state pronte, il modello della gamba è stato specchiato: poi il modello solido della gamba infortunata è stato “sottratto” ed è stata inserita un’apertura in modo da lasciare la pelle “respirare”.

L’idea iniziale era di rendere sia la parte interna che quella esterna delle superfici mesh. Olga ha però richiesto che lo strato esterno fosse liscio.

Per creare una superficie mesh i designer hanno dovuto manipolare il modello 3D con svariati programmi. È stato dapprima importato in ZBrush per creare una mappa UV e un modulo di griglia. Poi la griglia è stata superimposta sulla mappa in Photoshop e poi il modello è stato importato di nuovo in Zbrush. In questa fase, i designer hanno affrontato il problema di stabilire lo spessore della futura protesi; ZBrush non ha questa funzione, per questo hanno dovuto usare 3DS Max.

Il team ha anche sviluppato degli impianti modellati in 3D in Solidworks. Una volta pronti, sono stati uniti al modello 3D principale della protesi:

[Abbiamo bisogno di un imbuto nelle parti più spesse. Basteranno due o tre pezzi. Servono per centrare le parti per evitare che scivolino una contro l’altra.]​

[Questo mostra come le parti sottili dovrebbero essere separate.]​

Il designer ha dovuto usare tutta la sua abilità e la sua inventiva per sviluppare un algoritmo per creare il modello 3D da zero. Alla fine, il team ha ottenuto un modello 3D pronto da stampare della protesi gastrocnemia.

Stampa 3D​

La stampa 3D è la fase finale del processo di creazione della protesi. Il team ha usato plastica bianca PA 2200 (polyamide). Questo materiale, resistente e leggero, è perfetto per creare una protesi cosmetica che ci si aspetta di indossare spesso. La tecnologia usata per produrre oggetti di questo materiale è chiamata selective laser sintering: un sinter laser ha polverizzato il materiale in dei punti specifici.

Provare la protesi​

Provare la protesi ha rivelato dei punti di forza, ma anche di debolezza, che erano difficili da evitare durante la prima iterazione. Gli impianti hanno funzionato bene, e la protesi ha aderito perfettamente alla gamba. Comunque, è stato chiaro che era necessario usare qualche materiale morbido tra la gamba e la protesi, poiché la gamba suda e il materiale ha una superficie un po’ ruvida. Se lo strato esterno della protesi fosse stato lasciato una mesh, il problema di ventilazione forse sarebbe stato risolto, la gamba avrebbe potuto “respirare”.

Olga ha detto che la protesi le è piaciuta e che è stata all’altezza delle sue aspettative. Comunque testarla in diverse condizioni richiederà un po’ di tempo.

Questa è stata la prima esperienza di Can Touch nel creare una protesi cosmetica. Il team ha fatto alcuni errori, ha dovuto ripetere alcuni processi e ha fatto un po’ di lavoro non necessario nel corso del progetto. Comunque questa esperienza ha mostrato che 3d software e hardware professionale, unito con abilità ingegneristiche, può produrre un oggetto di alta qualità come una protesi, un modellino, il motore di un razzo, qualunque cosa!

You can find more details on Artec Eva color 3d scanner page.

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