Creare una protesi unica al mondo con Artec Eva e Geomagic Freeform

Il paziente con le sue nuove e vecchie protesi di Sanitätshaus Klinz

Una mattina presto, nella Germania centrale, Wolfgang K. salì sul suo furgone per le consegne e partì per una nuova destinazione, che si sarebbe rivelata l'ultima della sua carriera. La sua prima tappa era un negozio di ferramenta, dove scaricò la sua spedizione e aspettò che un carrello elevatore portasse via le scatole. Poi accadde la tragedia.

Wolfgang stava guardando dall'altra parte quando il carrello elevatore si schiantò contro di lui, rompendogli il piede e facendolo cadere a terra. Tutto ciò che ricorda di quel momento è la sensazione di una botta sulla schiena, poi il buio. Qualche tempo dopo, si risvegliò con un dolore insopportabile, circondato da paramedici, e gli venne detto che il suo piede e la caviglia erano gravemente danneggiati.

L'ospedale curò e stabilizzò subito la lesione, ma nelle settimane e nei mesi successivi l'infiammazione peggiorò. Wolfgang pregò i suoi medici di amputargli il piede, ma loro non si vollero arrendere. Fecero tutto il possibile per salvarlo, per tre anni, fino a quando l'infiammazione non si estese alla gamba, innescando un'estesa necrosi tissutale.

I medici di Wolfgang furono infine costretti ad amputargli la gamba sotto il ginocchio. Nelle settimane successive, dopo che il gonfiore al resto della gamba (l'arto residuo) era diminuito, Wolfgang è stato dotato di una protesi di transizione. In quel periodo ha visto un annuncio pubblicitario per la clinica ortopedica Sanitätshaus Klinz di Bernburg, in Germania, e poco dopo è diventato loro paziente.

L'enorme domanda mondiale di protesi

Con oltre 185.000 amputazioni di arti inferiori ogni anno solo negli Stati Uniti e oltre 1 milione di amputazioni eseguite in tutto il mondo, gli specialisti in protesi faticano a tenere il passo con la crescente domanda per i loro servizi.

Il metodo tradizionale di creazione di invasature protesiche, la parte del dispositivo che si interfaccia con l'arto residuo del paziente, prevede un calco in gesso, ore di lavoro, insieme ad ampia abilità ed esperienza.

Sebbene gli specialisti della Sanitätshaus Klinz utilizzino ancora la colata in gesso e altri metodi analogici nel loro lavoro, per i progetti più impegnativi, in particolare quelli impossibili da realizzare con strumenti tradizionali, si rivolgono spesso al loro scanner 3D Artec Eva.

Uno scanner 3D portatile professionale che è stato uno dei preferiti dagli operatori sanitari e da migliaia di altri in tutto il mondo, Artec Eva fornisce rapidamente scansioni 3D a colori con un livello di precisione inferiore al millimetro, rendendolo ideale per acquisire le misurazioni della superficie organica degli arti residui e di altre parti del corpo dei suoi pazienti.

Scansione 3D dell'arto residuo del paziente con Artec Eva e software Artec Studio

Fanno uso anche di Artec Space Spider per progetti con dettagli intricati che richiedono la massima precisione. Sviluppato originariamente per l'uso sulla Stazione Spaziale Internazionale, lo Space Spider è una scelta popolare tra designer, ingegneri e ricercatori in molti campi.

Sognare una protesi completamente diversa

Dopo aver indossato diverse protesi da quando è diventato un paziente della Sanitätshaus Klinz, è arrivato il momento per Wolfgang di procurarsi una nuova protesi da bagno, che potesse essere utilizzata sotto la doccia o durante il nuoto.

Doveva essere sia impermeabile che resistente alla corrosione, anche in ambienti con acqua salata. Quando Lisa Pabst, ingegnere biomedico della Sanitätshaus Klinz, ha visto la sua richiesta, ha deciso di offrirgli qualcosa di ancora meglio.

Dalla loro discussione, Pabst ha capito che la grande passione di Wolfgang erano le immersioni. Quindi, insieme a Wolfgang e al suo collega maestro tecnico ortopedico Carsten Suhle, ha avuto l'idea di creare una protesi da bagno unica con un design marittimo che non fosse solo cosmetico, ma piuttosto che la protesi stessa fosse un oggetto di design a tema marittimo unico nel suo genere.

Anche dopo aver perso la gamba, Wolfgang non aveva mai abbandonato il suo amore per le immersioni e l'acqua. Una volta sentita l'idea di Pabst, l'ha approvata con entusiasmo.

Pabst ha parlato della sfida del progetto: "Volevamo perseguire un approccio diverso, per vedere se fosse possibile per noi adattare una protesi a questo nuovo design piuttosto che adattare il design a una protesi esistente."

Il nuovo design, che mostra la propria capacità di inclinare il piede protesico, per il fissaggio di una pinna da nuoto

Il loro obiettivo era quello di combinare la resistenza all'acqua di una protesi da bagno con l'estetica di una protesi cosmetica, in modo che, indossata sotto pantaloni lunghi, nessuno avrebbe potuto riconoscere un arto protesico. Tutti gli elementi estetici della protesi dovevano coprire e proteggere i componenti meccanici del dispositivo.

Per quanto riguarda l'ispirazione per il design, Pabst ha dichiarato: "Abbiamo subito pensato a un polpo. Il corpo del polpo copre la parte superiore della protesi, mentre i tentacoli imitano la forma della parte inferiore della gamba. Alla caviglia è stato aggiunto un antico casco da sommozzatore, avvolto dai tentacoli. L'articolazione della caviglia può essere azionata tramite le aperture laterali del casco.

La nuova protesi da bagno usata dal paziente

Allo stesso tempo, Pabst e il suo team sanno che la parte più vitale di qualsiasi nuova protesi è la forma e la vestibilità della sua invasatura, che richiede un design unico per ogni singolo paziente, dove anche una forma leggermente errata può spesso causare disagio al paziente e una disfunzione biomeccanica che porterà a future lesioni.

Nel peggiore dei casi, un'invasatura difettosa può causare al paziente ulcere cutanee, problemi di equilibrio, cadute, lesioni muscoloscheletriche croniche da uso eccessivo, artrosi e altro ancora.

Per ottenere una perfetta aderenza alla nuovo invasatura, si sono rivolti al loro Artec Eva, che Pabst ha utilizzato per scansionare tutta la geometria della superficie del moncone di Wolfgang in meno di un minuto. Pabst ha anche scansionato l'altra gamba, al fine di utilizzare le sue precise misurazioni volumetriche e superficiali per creare la forma e le dimensioni della nuova protesi da bagno.

Screenshot di Artec Studio: una scansione Eva del moncone del paziente

Subito dopo la sessione di scansione, prima di esportare le mesh 3D su Geomagic Freeform, le scansioni sono state elaborate nel software Artec Studio. Utilizzando gli strumenti intuitivi all'interno del software, Pabst ha eliminato tutti i dati indesiderati, incluso il pavimento e altri oggetti intorno.

Screenshot di Artec Studio: una scansione con Eva della gamba controlaterale del paziente

Le scansioni sono state allineate e registrate, quindi unite in un unico oggetto. Infine, è stata introdotta la texture e applicata alla mesh. In Freeform, Pabst ha progettato l'invasatura protesica e ha dato vita agli elementi cosmetici del design.

Pabst ha commentato quanto sia stato determinante il loro Eva, in sinergia con Freeform. "Quando importo una scansione da Eva su Freeform, inizio con una base affidabile per il mio lavoro di progettazione protesica. Ci vogliono solo pochi secondi perché Eva catturi le misure esatte del corpo di un paziente e, in Freeform, costruisco i miei nuovi progetti basati su queste stesse dimensioni.

Screenshot di Geomagic Freeform: una scansione di Eva della gamba controlaterale del paziente e un modello basato su una scansione di Eva della sua gamba residua

Pabst ha continuato: "Soprattutto quando si crea una nuova invasatura protesica, che deve abbracciare e supportare perfettamente la forma unica del moncone di un paziente, ogni millimetro di superficie dovrebbe essere catturato digitalmente e inserito nel progetto. Fortunatamente, Eva lo fa rapidamente e facilmente."

Il suo flusso di lavoro ha visto i seguenti passaggi: dopo aver importato e sistemato le mesh in Freeform, ha modellato il moncone di Wolfgang. Quindi, prima di passare ai passaggi successivi, ha fatto un mirroring della sua gamba controlaterale in Freeform. Quindi ha costruito l'asta protesica, modellandola sull'adattatore e preparando il design per gli elementi funzionali.

Screenshot di Geomagic Freeform: modellare l'albero sull'adattatore e adattare il design agli elementi funzionali della protesi

Pabst ha quindi modellato le dimensioni esterne dei tentacoli secondo le misure esatte dell'altra gamba di Wolfgang, per ottenere la stessa circonferenza complessiva della parte inferiore della gamba.

Screenshot di Geomagic Freeform: modellare le dimensioni dei tentacoli utilizzando le misurazioni di scansione Eva della gamba controlaterale

A questo punto Pabst ha creato le ventose dei tentacoli, quindi ha collegato l'asta, il polpo, i tentacoli e il casco da sub. Dopo diversi altri passaggi, ha impresso in rilievo il logo Klinz e il nome del paziente.

Dopo aver stampato in 3D i componenti esterni della nuova protesi, sono stati uniti agli elementi meccanici del dispositivo e bloccati in posizione. È stato allora che Wolfgang è stato invitato alla clinica per provarla.

In piedi con orgoglio: la nuova protesi da bagno a posto e pronta per l'uso

È stato subito molto contento di vedere la sua nuova gamba: la calzata era comoda come si aspettava dall'utilizzo degli altri suoi dispositivi protesici Klinz. Anche sua moglie e le sue figlie ne erano entusiaste. Durante una recente vacanza nel Mar Baltico, dei bambini si sono persino avvicinati per ammirare la sua fantastica gamba.

La potenza e il potenziale della scansione 3D per ortesi e protesi

Pabst ha commentato il ruolo fondamentale che la scansione 3D ha acquisito nella moderna progettazione di plantari e protesi: "Ogni volta che è necessario creare un'ortesi o una protesi per la parte superiore o inferiore del corpo, con materiali ad alta o bassa tecnologia, per prima cosa devi assolutamente ottenere delle misurazioni accurate del corpo del paziente a cui si collegherà il nuovo dispositivo."

Utilizzo di un dispositivo tattile con Geomagic Freeform per dare gli ultimi ritocchi alla nuova protesi da bagno

Ha spiegato inoltre: "Se non si parte da queste basi, alla fine sorgeranno problemi seri, dall'adattamento del dispositivo alla risposta fisica del paziente ad esso. Iniziando con le scansioni Artec, ogni dispositivo che produciamo ha lo stesso aspetto dell’arto parallelo, risultando un'estensione naturale del proprio corpo. La differenza che siamo in grado di fare nelù nostro lavoro è davvero significativa."