Бионическая рука, управляемая силой мысли, создана с помощью Artec Eva и технологии 3D-печати

Кратко: Немецкий специалист по изготовлению протезов обратился к 3D-сканированию для создания высокофункциональной новой руки для одного из своих пациентов.

Задача: Оцифровать имеющуюся часть руки пациента с помощью портативного 3D-сканера. Используя полученную реалистичную цифровую 3D-модель и новейшие технологии, создать бионическую руку, управляемую силой мысли

Инструменты: Artec Eva, Geomagic Freeform

Пауль Теупель родился без левой руки. В возрасте трех лет он начал пользоваться и с тех пор сменил много разных протезов. Его первым протезом “было странное устройство, похожее на двойной крюк, который крепился к телу ремнём, ужасно неудобный и жуткий на вид, - вспоминает Пауль. – После этого я решил, что лучше обходиться вовсе без протезов, и не пользовался ими на протяжении нескольких лет”. Пауль рос на пороге тысячелетий, но конструкция и внешний вид протезов не сильно менялись в течение последних 50-ти лет. Появились немного более комфортные протезы рук и кистей, выглядящие чуть более реалистично, но всё же они остались не очень функциональными и удобными.

Протезы начала 20-го века. Коллекция Sanitätshaus Klinz

Свой первый миоэлектрический протез (с кистью Ottobock) Пауль получил в возрасте двенадцати лет. Впервые он мог брать и держать предметы в левой руке. С этого момента он носит протез постоянно. Но всё же его новая рука сгибалась в локте только на 30 градусов, что безусловно являлось достижением, но, тем не менее, оставляло желать лучшего.

Карстен Шуль, техник-ортопед

В начале 1990-х годов Пауль стал пациентом клиники Sanitätshaus Klinz в Бернбурге вскоре после объединения Германии. Там в 1997 году он познакомился с техником-ортопедом Карстеном Шулем (Carsten Suhle), который работает с Паулем и по сей день, предлагая ему новейшие достижения в этой области. С первой встречи с Паулем и осмотра его руки Карстен задался целью сделать для него лучший протез. Однажды весной 2017 года он разработал план по созданию нового инновационного протеза руки в рамках своей научно диссертации и сообщил Паулю, чтобы тот не привыкал к своему тогдашнему протезу: “Мы собираемся сделать для тебя протез, который будет лучше, чем всё, что ты когда-либо пробовал. Что скажешь?” Пауль встретил идею с энтузиазмом, и спустя пять месяцев совместной работы Карстен воплотил её в жизнь – это была бионическая рука.

Дджерд Клинц, владелец и основатель

С тех пор как клиника Sanitätshaus Klinz впервые открыла свои двери в 1990 году, её основатель и владелец Джерд Клинц обеспечивает пациентам максимальную мобильность и независимость, являясь проводником в сфере инноваций и высокого уровня комфорта протезов. В арсенале инструментов клиники – токарные станки, гипс, клей, стеклопластик, фрезерные станки с цифровым управлением, а также современные материалы, инструменты и технологии, такие как 3D-сканирование и 3D-печать, кевлар, различные виды пластика и проч. У компании есть несколько офисов в районе Саксонии-Ангальт (Германия), куда приезжают пациенты не только со всей Германии, но и из других стран.

Осмотр гипсового слепка перед сканированием

Но давайте вернемся к процессу создания новой руки для Пауля. Благодаря многолетнему опыту Карстена в ортопедии, его инженерной мысли и новейшим технологиям 3D-сканирования и печати за короткое время был создан первый прототип протеза для Пауля. Затем следовали многочисленные примерки, которые, тем не менее, не заставили Пауля усомниться в опыте и гении Карстена, стремительно ведшие идею к успешному воплощению. Шли недели, и прототип всё больше соответствовал представлению Карстена о том, как должен выглядеть готовый протез.

Но однажды Карстен вдруг осознал, что не его идеи мешают им добиться лучшего результата, а некоторые из используемых инструментов. В особенности, это касалось 3D-сканеров, применяемых ими для создания 3D-моделей имеющейся части руки Пауля для конструирования точного протеза, который бы идеально совпадал с его анатомией. До тех пор, пока точки прилегания протеза и пространство между протезом и телом, позволяющее свободно двигаться, не станут идеально точными, новая рука не будет не только более или менее удобной, но и функциональной.

“Пауль совершает сотни, если не тысячи, движений в течение дня, поэтому ему нужен протез, который стал бы частью его тела, чтобы Пауль в скором времени смог жить нормальной жизнью, не думая о протезе. Вот, такова была моя цель. И я преследую эту цель в работе с каждым пациентом. С Паулем, как мне кажется, у нас получилось добиться такого результата, но это не означает, что стоит останавливаться на достигнутом”, - говорит Карстен. – Время не стоит на месте, и я намерен сделать все от меня зависящее, чтобы предлагать ему всё более совершенный протез руки, использующий новейшие технологические достижения, даже если нам самим предстоит совершать эти достижения!”

Карстен рассказывает: “До того, как я прибегнул к 3D-сканированию, я не предполагал, насколько разными бывают 3D-сканеры… Я считал, что сканер есть сканер, возможно, с небольшими отличиями в уровне точности и скорости считывания. Но оказалось, что они могут разниться так же, как дешевый седан и Ламборджини. Есть даже множество устройств между ними – простых и более сложных. …Вначале нужно решить, что для вас самое главное. В нашем случае, например, это максимально высокая точность, чистота и скорость считывания данных, и конечно, важна так же скорость постобработки, чтобы мы могли быстро составлять сканы в 3D-модель, готовую к следующему этапу”.

Мария Кёлиц, ортопед-конструктор в Sanitätshaus Klinz, рассказывает: “Мы тестировали и пользовались несколькими разными 3D-сканерами, в том числе, GO!Scan компании Creaform и 3D-сканером Kinect, но все они были либо недостаточно точными, либо медленно считывали данные. Поэтому, стоило пациенту нечаянно шевельнуться во время сканирования, как это часто бывает, сканеры теряли траекторию и нам приходилось оцифровывать участок заново. А зачастую итоговые снимки были настолько плохого качества, что редактировать и совмещать их во время постобработки было слишком трудно”.

Карстен поясняет: “Когда я впервые обратил внимание на 3D-сканеры, я решил, что все эти недостатки можно компенсировать постобработкой, если отточить своё мастерство. Но это не сработало. Можно потратить массу времени на некачественные данные, но идеальными они так и не станут. Это похоже на то, как если бы вы разбили вазу и решили её склеить. Да, в результате она издалека выглядит, как новая, но вблизи трещины сильно заметны. Гораздо лучше просто не разбивать вазу”.

“Начните с использования чистых безупречных 3D-снимков. Вот, что мы получаем благодаря Artec Eva”.
– Карстен Шуль, техник-ортопед

Карстен понимает, что им необходимо руководство надежных специалистов в этой области, поэтому они обратились к официальному дистрибьютору Artec в золотом статусе компании KLIB. Опытные техники и консультанты KLIB представили им профессиональные портативные 3D-сканеры Artec Eva и Space Spider и показали, как ими пользоваться.

Artec Eva – профессиональный цветной 3D-сканер на основе безопасной белой структурированной подсветки. Лёгкий и удобный в использовании, Eva идеально считывает объекты средней величины, например, руки, ноги или тело целиком. Обладая уровнем точности до 0,1 мм, Eva является одним из наиболее популярных 3D-сканеров в самых разных областях – от медицины до промышленного дизайна и научных исследований.

Пауль Теупель и конструктор-ортопед Мария Кёлиц с Artec Eva

Портативный цветной 3D-сканер на основе структурированной подсветки Artec Space Spider с выдающимся уровнем точности до 0,05 мм обеспечивает превосходный результат при быстром сканировании небольших объектов. Его легко освоить и начать пользоваться, он хорошо удерживает траекторию сканирования при оцифровке пальцев, кистей рук, ушей, лиц и других частей тела. Процесс сканирования в реальном времени отображается в получившей признание программе Artec Studio. И Eva, и Space Spider легко интегрируются в программу для моделирования Geomagic Freeform.

Как показано на видео, по сравнению с традиционным методом применения гипсовых слепков, Artec Eva может сэкономить массу времени. В приведенном примере процесс от начала до конца в случае использования слепка занял 2,5 часа, и всего лишь 12 минут – с использованием сканера Eva. И это наряду с гарантированной точностью профессиональных портативных 3D-сканеров Artec, не говоря уже об удобстве хранения данных в архиве для дальнейшего использования. Такие технологические преимущества просто невозможно не оценить.

Крупный снимок локтевого сустава новой руки Пауля

С появления первого прототипа до окончательной версии протеза, готового к примерке, прошло 10 месяцев. Протез кисти (bebionic) был приобретен в компании Ottobock, а сам протез создан Карстеном, который для моделирования пользовался программой Geomagic Freeform. 3D-печать выполнена из пластика PA2200. Также использована силиконовая прослойка, которая служит проводником между имеющейся частью руки и протезом. Внутри протеза – кабели, идущие от сенсоров на коже, использующие биотоки мышц (миоэлектричество) для приведения в движение новой руки и кисти. Таким образом, мысль о совершении движения активирует работу мышц, задействованных в выполнении данного движения, датчики принимают электрический сигнал, передаваемый сенсорами на коже, и протез совершает движение, задуманные Паулем.

Сказать, что Пауль счастлив – не сказать ничего: “Карстен проделал невероятную работу, чтобы создать для меня новую руку. Он переосмыслил и заново изобрел двусуставную систему с двумя осями вращения, которая позволила совершать движения с углом более 90 градусов. Я никогда не забуду тот момент, когда впервые в своей жизни я смог поднять стакан с водой левой рукой, поднести его ко рту и сделать глоток!”

Пауль Теупель и его новая рука

Пауль – один из более сотни пациентов, которые были сканирован и получили передовые высокотехнологичные протезы или ортезы. Марии Кёлиц рассказывает: “Вначале мы приобрели Artec Eva, чтобы сканировать руки и ноги пациентов. Для этой цели Eva оказался идеальным решением. Но затем мы поставили перед собой задачу пойти дальше и создавать протезы с пальцами и мелкими суставами, поэтому мы приобрели Space Spider. Теперь сканы и уровень детализации настолько поразительны, что мы даже можем рассмотреть отпечатки пальцев на получаемых 3D-снимках”.

Пауль наслаждается новой степенью свободы, которую обрёл благодаря бионической руке.

Отказавшись от прежних ограничений, Пауль наслаждается новой свободой, и это также касается его любимого хобби – езды на мотоциклах и мопедах и их ремонта. Его новая бионическая рука помогает ему на каждом этапе, позволяя брать гаечные ключи и отвертки, крупные и мелкие детали. Имея десять пальцев на руках, гораздо проще использовать шайбы и менять свечи и делать всё, о чем он мечтал, еще будучи ребёнком.

Правительство Германии, в рамках государственной системы здравоохранения, официально признало преимущество применения 3D-сканирования и печати над традиционными методами изготовления протезов и ортезов. Это решение было принято не только по причине экономии средств, но и надежности получаемых данных, увеличения степени комфорта и мобильности пациентов, как во время первого приема и последующих примерок, так и на протяжении долгих лет эксплуатации протезов и ортезов при меньшем числе визитов к ортопеду. Представители государственной системы здравоохранения Германии понимают, что 3D-сканирование – это будущее технологии производства протезов и ортезов.

Связаться с нами