Creación de un brazo biónico impreso en 3D controlado por la mente con Artec Eva

Paul Teupel nació sin la mayor parte de su brazo izquierdo. Desde los 3 años y durante toda su vida ha tenido muchos brazos protésicos. Su segundo brazo era según sus palabras, "un aparato horrible, como un doble gancho sostenido por una correa para el hombro, incómodo de usar, y feo". "Eso me empujó a no usar ninguna prótesis durante unos años." Aunque creció en el cambio de milenio, el aspecto y el diseño de las prótesis no habían cambiado mucho en los últimos 50 años o más. Los brazos y las manos protésicas se habían vuelto un poco más realistas, y un poco más cómodas, pero aún estaban lejos de ser verdaderamente funcionales y de ofrecer una buena calidad de vida.

Prótesis de principios del siglo XX, en la colección histórica de SanitätshausKlinz

A los 12 años, Paul recibió su primera prótesis myoeléctrica (con una mano de Ottobock). Fue un hito para él, ya que era la primera vez que podía agarrar y sostener cosas con su brazo izquierdo. A partir de ese día, se puso la prótesis todos los días. Aún así, este nuevo brazo le permitía doblar el codo sólo 30 grados, lo cual fue una mejora, pero aún así dejaba mucho que desear.

Carsten Suhle, Técnico Ortoprotésico

Paul se convirtió en paciente de SanitätshausKlinz de Bernburg, Alemania, a principios de la década de de los 90, poco después de la reunificación de Alemania, y desde 1997 ha estado trabajando con el técnico ortoprotésico de la empresa Carsten Suhle. Desde el momento en que conoció a Paul y vio de cerca el brazo,  la mente de Carsten empezó a crear. Y así, un día de la primavera de 2017, con un plan para crear un nuevo brazo innovador como parte de su tesis de maestría, le dijo a Paul que no se acostumbrara al brazo protésico que tenía, "Vamos a hacerte uno que será mejor que cualquier cosa que hayas probado o visto, ¿qué dices? Paul estuvo estusiasmado desde el primer momento, y en el transcurso de los siguientes 5 meses, mientras trabajaba estrechamente con Carsten, el brazo biónico de Paul cobró vida.

GerdKlinz, Propietario y fundador

Desde que SanitätshausKlinz abrió sus puertas en 1990 GerdKlinz, el propietario y fundador, se ha mantenido a la vanguardia de la innovación y el confort, todo ello para ofrecer a los pacientes el máximo nivel de movilidad e independencia. En el trabajo diario de la empresa se han utilizado tornos, pegamento, moldes de yeso, fibra de vidrio, fresado CNC, así como modernos materiales y herramientas y tecnologías como la digitalización 3D y la impresión en 3D, kevlar, diversos tipos de plásticos, etc. Tienen múltiples sucursales en Sajonia-Anhalt, Alemania, y los pacientes que llegan a ellos desde otras partes del país, así como los que llegan desde el extranjero.

Inspeccionando un modelo de yeso antes de escanearlo

Pero volvamos a los primeros días del trabajo de Carsten en el nuevo brazo de Paul. Al reunir una sinergia de sus años de experiencia en ortopedia, su propia forma de pensar en el diseño y lo último en digitalización e impresión en 3D, no pasó mucho tiempo antes de que construyera su primer prototipo para Paul, que llegó poco a poco, sin perder ni una sola vez la esperanza en la experiencia de Carsten y en su notable imaginación, que los acercaba más al éxito. A medida que pasaban las semanas, los prototipos se acercaban más a la visión que Carsten tenía de cómo sería el brazo final.

Pero en algún momento, Carsten se dio cuenta de que no era su visión lo que les impedía obtener los mejores resultados, sino algunas de las herramientas que estaban utilizando. Específicamente, los escáneres 3D que estaban utilizando para crear modelos 3D de la parte superior izquierda del brazo de Paul (muñón), para diseñar un nuevo brazo preciso que encajara perfectamente con la anatomía de Paul. A menos que fueran exactos tanto los puntos de conexión como el espacio que permite suficiente movimiento entre la prótesis y el cuerpo de Paul, el nuevo brazo no sólo sería incómodo, sino también disfuncional.

"Con muchos cientos, si no miles de movimientos realizados cada día, el cuerpo de Pablo necesita una prótesis que armonizara naturalmente con él, como una extensión de su cuerpo, para que dentro de un corto período de tiempo, pueda simplemente vivir su vida y no pensar en su brazo. Ese era mi objetivo". Y es mi objetivo con cada uno de mis pacientes. Con Paul, creo que lo hemos logrado, pero eso no significa que nos detengamos aquí".

Carsten continuó: "A medida que pasen los años, voy a hacer todo lo que esté en mi mano para darle la mejor prótesis de brazo utilizando las últimas tecnologías, ¡aunque tengamos que hacer los avances nosotros mismos!

Carsten dijo: "Antes de empezar a digitalizar en 3D, nunca pensé que podría haber diferencias tan grandes en los escáneres 3D... Pensé que un escáner era un escáner, con algunas variaciones en la precisión y velocidad de captura, por supuesto, pero la realidad es que comparar los escáneres puede ser como contrastar turismos baratos con Lamborghinis, y luego está el rango que existe entre ellos, de alto a bajo....primero necesitas decidir qué es lo más importante para ti, y en nuestro caso es el nivel más alto de precisión, los datos más limpios, junto con la velocidad de captura, y por supuesto, tiene que haber un postprocesado sencillo para que los escaneos se fusionen rápidamente en un modelo 3D listo para el siguiente paso.”

Maria Köhlitz, diseñadora ortoprotésica de SanitätshausKlinz, explicó: "Ya habiamos utilizado  y probado varios escáneres 3D, incluyendo GO!Scan de Creaform y el escáner 3D de Kinect, pero cada escáner que probábamos  era incapaz de proporcionar la precisión que necesitábamos, o la velocidad de fotogramas para las capturas simplemente no era lo suficientemente alta", continuó, "Así que cuando los pacientes se movían durante el escaneo, como a veces ocurre, esos escáneres perdían el rastreo y necesitábamos volver a escanear el área, o los escaneos resultantes se hacían de forma tan mala que era demasiado difícil editarlos y alinearlos durante el postprocesado".

Carsten dijo: "Cuando empecé a probar los escáneres 3D, me imaginé que podíamos compensar cualquier deficiencia en el escáner con una mayor habilidad en el proceso de escaneado. Pero eso no funcionó. Cuando empiezas con datos defectuosos, puedes pasar horas y horas con ellos, y nunca serán perfectos", continuó, "Es como si dejas caer un jarrón y luego pasas mucho tiempo pegándolo de nuevo". Finalmente puede parecer un jarrón nuevo, pero una inspección minuciosa revelará las grietas. Es mucho mejor no dejar caer el jarrón".

"Empezar con datos impecablemente limpios y escaneos realistas. Eso es lo que nos aporta  Artec Eva".
-Carsten Suhle, Técnico Ortoprotésico

Carsten comprendió que necesitaban la orientación de expertos de confianza en el sector, por lo que recurrieron a los partners Oro de Artec KLIB, cuyos experimentados técnicos y consultores les presentaron el Eva y el Space Spider, los escáneres 3D manuales profesionales de Artec, y les proporcionaron formación sobre ambos.

Artec Eva es un escáner 3D a color profesional que utiliza luz blanca estructurada segura. Ligero y cómodo de usar, Eva es ideal para capturar digitalmente objetos de tamaño mediano, como brazos, piernas y cuerpo humano. Con una precisión de punto de hasta 0,1 mm, Eva es uno de los escáneres 3D más populares en una gran variedad de sectores, desde la sanidad hasta el diseño industrial y la ciencia.

Paul Teupel y la diseñadora ortoprotésica  Maria Köhlitz con Artec Eva

Un escáner portátil de luz estructurada en 3D a color con una extraordinaria precisión de punto de hasta 0,05 mm, Artec Space Spider es excelente para escanear objetos pequeños rápidamente, y es fácil de aprender a usar, con un largo historial de escaneo perfecto de dedos, manos, orejas, caras, y más. Durante el proceso de captura digital, el escaneo se realiza directamente en tiempo real dentro del aclamado software Artec Studio. Tanto Eva como Space Spider están integrados de forma fluida con el software de modelado Geomagic Freeform.

Como se demuestra en el video, en comparación con el método tradicional de fundición de yeso, Artec Eva puede suponer un gran ahorro de tiempo. En el ejemplo mostrado, las 2 horas y media requeridas de principio a fin con la fundición fueron contrastadas con sólo 12 minutos de principio a fin con Eva. Y eso se suma a las garantías de la máxima precisión y exactitud de los escáneres 3D manuales profesionales de Artec, por no mencionar la absoluta conveniencia de tener un archivo digital perfecto a mano para su uso futuro. Son ventajas tecnológicas que definitivamente marcan la diferencia.

Detalle de la articulación del codo del nuevo brazo de Paul

En total, se necesitaron unos 10 meses desde el primer prototipo hasta que el brazo final estuvo listo para el montaje. La mano (biónica) se compró a Ottobock, mientras que la prótesis fue creada íntegramente por Carsten, diseñada en Geomagic Freeform, e impresa en 3D en plástico PA2200. También hay un acolchado de silicona azul que se utiliza como interfaz entre la prótesis y el muñón de Paul. Dentro del cuerpo de la prótesis hay cables y alambres que conducen a sensores de la piel de Paul que utilizan electricidad muscular (mioelectricidad) para mover el nuevo brazo y la nueva mano. Así que simplemente pensando en un movimiento específico, se activan los músculos que normalmente moverían el brazo de esa manera, los sensores captan la electricidad a través de los sensores de la piel, y la prótesis se mueve y funciona como Paul ha querido.

Decir que Paul está contento con los resultados sería quedarse corto: "Carsten hizo un tremendo trabajo de desarrollo e ingeniería con mi nuevo brazo. Reinventó un sistema de doble articulación con dos ejes pivotantes, que permitía un rango de movimiento de más de 90 grados. Nunca olvidaré el momento en que, por primera vez en mi vida, me llevé un vaso de agua a los labios con la mano izquierda y tomé un sorbo".

Paul Teupel con su nuevo brazo

Paul es uno de los más de 100 pacientes para los que ha escaneado y creado soluciones ortopédicas y protésicas de vanguardia. Como dijo Maria Köhlitzsa, "Al principio, compramos Artec Eva, porque queríamos escanear los brazos y las piernas de los pacientes. Y para esto, Eva es la elección perfecta. Pero luego quisimos expandir nuestra gama de diseño y creación hasta los dedos y las articulaciones pequeñas, así que compramos un Space Spider. Ahora los escaneos y el nivel de detalle son tan impresionantes que podemos ver perfectamente las huellas dactilares en los escaneos que estamos haciendo".

Paul disfrutando de la libertado con su nuevo brazo biónico.

Al negarse a volver a sentirse limitado o incapacitado, hoy en día Paul tiene la libertad de disfrutar de sus pasatiempos favoritos: montar y restaurar ciclomotores y motocicletas. Su nuevo brazo y mano biónicos lo acompañan cada día, permitiéndole agarrar llaves y destornilladores, piezas grandes y pequeñas, con dedos lo suficientemente hábiles como para manejar arandelas y bujías, y todo con lo que había soñado desde niño.

El sistema de salud del gobierno alemán ha decidido respaldar a nivel nacional la digitalización 3D y la impresión de prótesis como métodos superiores a los métodos tradicionales de diseño y creación de órtesis y prótesis. Tomaron esta decisión no sólo porque la digitalización 3D es más rentable a corto plazo, sino también debido a la durabilidad a largo plazo, así como a los elevados niveles de comodidad y movilidad del paciente, tanto durante el examen como durante la adaptación, junto con el uso a largo plazo del paciente y la reducción de la frecuencia de las visitas al consultorio. El sistema de salud del gobierno alemán entiende que la digitalización 3D es el futuro de la prótesis y la ortopedia.