Créer un bras bionique contrôlé par la pensée et imprimé en 3D à l’aide d’Artec Eva

Paul Teupel est né sans la majorité de son bras gauche. Au fil des années, il a porté de nombreuses prothèses, dont la première à l’âge de 3 ans. Peu de temps après, il a reçu son deuxième bras, qui, d’après lui, « était un appareil horrible, une sorte de double crochet maintenu en place à l’aide d’une bretelle, très lourd à porter et affreux ». « Cela m’a découragé de porter une prothèse pendant plusieurs années », explique Paul. Bien qu’il ait grandi au tournant du nouveau millénaire, l’apparence et le design des prothèses n’avaient pas beaucoup changé en 50 ans, voire plus. Les prothèses de bras et de mains étaient devenues un peu plus confortables et leur aspect un peu plus réaliste, mais elles étaient encore loin d’être véritablement fonctionnelles.

Prothèses du début du 20^e siècle, collection historique de Sanitätshaus Klinz

Puis, à l’âge de 12 ans, Paul reçoit sa première prothèse myoélectrique (avec une main Ottobock). C’est un moment charnière pour lui car c’est la première fois qu’il peut saisir et tenir des objets avec son bras gauche. Depuis ce jour, il porte sa prothèse tous les jours. Son nouveau bras ne lui permet toutefois de plier son coude que de 30 degrés, ce qui est certes un progrès mais loin d’être idéal.

Carsten Suhle, technicien orthopédiste

Paul devient un patient de Sanitätshaus Klinz, à Bernburg, en Allemagne, au début des années 1990, peu de temps après la réunification allemande, et collabore avec Carsten Suhle, le technicien orthopédiste de l’entreprise, depuis 1997. Ce dernier a toujours proposé à Paul ce qui se faisait de mieux en matière de prothèses. Lorsque Carsten rencontre Paul et examine son bras, les rouages de son cerveau commencent à tourner, jusqu’à ce qu’un beau jour, au printemps 2017, nourrissant le projet de créer un bras innovant dans le cadre de son mémoire de master, il conseille à Paul de ne pas trop s’attacher à sa prothèse : « Nous allons en créer une qui sera meilleure que toutes celles que tu as essayées ou vues. Qu’en dis-tu ? » Paul accepte avec enthousiasme et, après cinq mois de coopération étroite avec Carsten, son bras bionique voit le jour.

Gerd Klinz, propriétaire et fondateur

Depuis que Sanitätshaus Klinz a ouvert ses portes en 1990, Gerd Klinz, son propriétaire et fondateur, a toujours donné la priorité à l’innovation et au confort du patient, de façon à offrir à ce dernier un maximum de mobilité et d’indépendance. Dans son travail quotidien, l’entreprise utilise des tours, de la colle, des moulages en plâtre, de la fibre de verre, le fraisage CNC, ainsi que des matériaux, des outils et des technologies modernes tels le scan et l’impression 3D, le Kevlar, différents types de plastique, etc. Elle possède de nombreuses antennes dans le land allemand de Saxe-Anhalt, et ses patients viennent des quatre coins du pays ainsi que de l’étranger.

Inspection d’un moulage en plâtre avant le scan

Mais revenons aux premiers jours de travail de Carsten sur le nouveau bras de Paul. Grâce à ses nombreuses années d’expertise en orthopédie, à sa pensée créatrice, et aux dernières avancées en matière de scan et d’impression 3D, Carsten fabrique rapidement son premier prototype pour Paul. Celui-ci enchaîne les essayages sans jamais perdre confiance dans l’expertise et l’imagination remarquable de Carsten, qui les rapprochent de plus en plus du succès. Au fil des semaines, les prototypes ressemblent de plus en plus à ce que Carsten a en tête pour le bras final.

En cours de route, Carsten se rend néanmoins compte que ce n’est pas sa vision qui les empêche d’atteindre le résultat escompté, mais certains des outils qu’ils utilisent, en particulier les scanners 3D auxquels ils ont recours pour créer des modèles 3D du haut du bras de Paul (le membre résiduel) et pour concevoir un nouveau bras précis correspondant parfaitement à l’anatomie de Paul. Si les points de connexion et l’espace de mouvement entre la prothèse et le corps de Paul sont inexacts, le nouveau bras sera non seulement désagréable à porter mais également dysfonctionnel.  

« Compte tenu des centaines, voire des milliers de mouvements que son corps exécute chaque jour, Paul a besoin d’une prothèse qui s’harmonise naturellement avec lui, telle une extension de son corps, de sorte qu’en très peu de temps il puisse simplement vivre sa vie sans penser à son bras, explique Carsten. C’était mon objectif. Et c’est mon objectif avec chacun de mes patients. Je pense que nous y sommes arrivés avec Paul, mais cela ne veut pas dire que nous nous arrêtons là. Au cours des prochaines années, je vais faire tout mon possible pour lui donner la meilleure prothèse grâce aux dernières technologies, même si, pour ce faire, nous devons nous-mêmes innover ! »

« Avant d’essayer le scan 3D, je n’avais jamais imaginé qu’il pouvait y avoir des différences aussi grandes entre les scanners 3D…, poursuit Carsten. Je pensais qu’un scanner était un scanner, avec quelques différences en matière de précision et de vitesse d’acquisition, bien sûr. En réalité, comparer des scanners revient à comparer des berlines bon marché et des Lamborghini. Sans oublier toute la gamme entre ces deux extrêmes… Vous devez d’abord décider de ce qui vous importe le plus. Pour nous, il s’agissait de la précision, de l’exactitude des données, ainsi que de la vitesse d’acquisition. Le post-traitement devait également être aisé de façon à ce que les scans puissent être rapidement fusionnés en un modèle 3D prêt pour l’étape suivante. »

« Par le passé, nous avons utilisé et testé plusieurs scanners 3D, notamment GO!Scan par Creaform et le scanner 3D Kinect, mais aucun de ces scanners n’était en mesure de fournir la précision dont nous avions besoin, ou bien le nombre d’images par seconde n’était pas assez élevé, explique Maria Köhlitz, designer orthopédique chez Sanitätshaus Klinz. Par conséquent, lorsque les patients bougeaient pendant le scan, ce qui arrive parfois, ces scanners perdaient le suivi et nous devions scanner la zone une nouvelle fois, ou bien les scans finaux étaient si mauvais qu’il était trop compliqué de les éditer et de les aligner lors du post-traitement. »

« Quand j’ai commencé à m’intéresser aux scanners 3D, j’ai pensé que nous pourrions simplement pallier les défauts du scanner en nous perfectionnant dans le traitement du scan, se souvient Carsten. Mais cela n’a pas fonctionné. Quand vous démarrez avec des données inexactes, vous avez beau passer des heures et des heures dessus, elles ne seront jamais parfaites. C’est comme si vous faisiez tomber un vase puis passiez des heures à le recoller. Certes, en définitive, il pourrait sembler neuf mais un examen minutieux révélerait les fissures. Il vaut mieux ne pas faire tomber le vase en premier lieu. »

« Des données parfaites et des scans réalistes : voilà ce que nous offre notre Artec Eva. » 
– Carsten Suhle, technicien orthopédiste

Carsten a compris qu’ils avaient besoin des conseils d’experts fiables dans le domaine. Ils se sont donc tournés vers KLIB, revendeur certifié Or d’Artec, dont les techniciens et consultants chevronnés leur ont présenté Eva et Space Spider, des scanners 3D professionnels portables d’Artec, et leur ont offert une formation.

Artec Eva est un scanner 3D couleur professionnel qui utilise une lumière blanche structurée sûre. Léger et agréable à utiliser, Eva est idéal pour numériser des objets de taille moyenne, tels que des bras, des jambes et le corps humain. Fort d’une précision de point allant jusqu’à 0,1 mm, Eva est un des scanners 3D les plus populaires dans une variété de secteurs, de la santé au design industriel, en passant par la science.

Paul Teupel et la designer orthopédique Maria Köhlitz avec Artec Eva

Scanner 3D couleur portable à lumière structurée avec une précision de point extraordinaire allant jusqu’à 0,05 mm, Artec Space Spider est excellent pour scanner rapidement de petits objets. Il est facile à utiliser et a un long palmarès de scans parfaits de doigts, mains, oreilles, visages, etc. Durant la numérisation, le scan se fait directement et en temps réel dans le logiciel Artec Studio, salué par les professionnels. Eva et Space Spider sont tous les deux parfaitement compatibles avec le logiciel de modélisation Geomagic Freeform.

Comme le montre la vidéo, comparé à la méthode traditionnelle du moulage en plâtre, Artec Eva peut faire gagner énormément de temps. Dans l’exemple présenté, les deux heures et demie nécessaires pour le moulage offrent un contraste saisissant avec les 12 minutes requises pour Eva. Sans oublier la précision et l’exactitude les plus élevées garanties par les scanners 3D professionnels portables d’Artec, ainsi que la commodité de disposer d’archives numériques parfaites pour une utilisation future. Impossible de faire fi de ces avantages technologiques.

Gros plan de l’articulation du coude du nouveau bras de Paul

Au total, environ dix mois ont séparé le premier prototype du bras final. La main (Bebionic) a été achetée auprès d’Ottobock, tandis que la prothèse a été entièrement créée par Carsten, conçue dans Geomagic Freeform, et imprimée en 3D à partir de plastique PA2200. Un rembourrage bleu en silicone a également été utilisé comme interface entre la prothèse et le membre résiduel de Paul. L’intérieur de la prothèse comporte des câbles et des fils reliés à des capteurs au sein de la peau de Paul qui utilisent l’électricité musculaire (myoélectricité) pour bouger les nouveaux bras et main. Ainsi, la simple pensée d’un mouvement spécifique active les muscles qui bougeraient normalement le bras. Les récepteurs captent l’électricité, et la prothèse bouge et fonctionne exactement comme Paul le souhaite.  

Dire que Paul est ravi des résultats serait un euphémisme : « Carsten a fait un travail formidable en développant et en fabriquant mon nouveau bras. Il a réinventé un système à double articulation avec deux axes de rotation, ce qui permet une amplitude de mouvement de plus de 90 degrés. Je n’oublierai jamais le moment où, pour la première fois de ma vie, j’ai porté de la main gauche un verre d’eau à mes lèvres et en ai bu une gorgée ! »

Paul Teupel et son nouveau bras

Paul fait partie de la centaine de patients que l’équipe de Sanitätshaus Klinz a scannés et pour lesquels elle a créé des solutions orthopédiques et des prothèses de pointe. « Nous avons d’abord acheté Artec Eva car nous voulions scanner les bras et les jambes des patients, explique Maria Köhlitz. Eva était le choix idéal pour cela. Nous avons ensuite voulu élargir notre gamme de conception et de création aux doigts et aux petites articulations. Nous nous sommes donc procuré Space Spider. Désormais, les scans et le niveau de détail sont si impressionnants que nous pouvons même voir parfaitement les empreintes digitales dans les scans que nous effectuons. »

Paul profite de la liberté offerte par son nouveau bras bionique

Ne voulant plus jamais se sentir limité ou handicapé, Paul profite aujourd’hui de pouvoir s’adonner à ses activités préférées : la conduite et la réparation de cyclomoteurs et de motos. Ses nouveaux bras et main bioniques réagissent à chacune de ses pensées, lui permettant de saisir des clés et des tournevis, de petites et grandes pièces, avec dix doigts suffisamment agiles pour manier des rondelles et des bougies d’allumage, et tout ce dont il rêvait quand il était petit.

Le système d’assurance maladie allemand a décidé de soutenir le scan et l’impression 3D de prothèses à l’échelle nationale, reconnaissant leur supériorité par rapport aux méthodes traditionnelles de conception et de création d’orthèses et de prothèses. Cette décision a été prise non seulement parce que le scan 3D offre un meilleur rapport qualité-prix sur le court terme, mais également en raison de sa durabilité ainsi que des niveaux élevés de confort et de mobilité pour le patient lors de l’examen et de l’essayage, sans oublier la fréquence réduite des visites nécessaires. Le système d’assurance maladie allemand comprend que le scan 3D est l’avenir des prothèses et des orthèses.