Un flusso di lavoro digitale per la progettazione e la fabbricazione di ortesi su misura utilizzando la scansione 3D e la stampa 3D, un caso di studio basato sul paziente

Scansione 3D e stampa 3D utilizzate nel flusso di lavoro digitale per progettare e costruire ortesi cervicali personalizzate

I plantari personalizzati realizzati con metodi di produzione convenzionali richiedono il completamento di fusione, scultura, modellatura e raccordo prima che siano pronti per essere indossati dal paziente. Possono essere necessarie fino a sei settimane prima che l’ortesi sia completa. Ma l’ uso della stampa 3D può migliorare non solo le proprietà estetiche, funzionali e meccaniche dell’ortotico, ma anche ridurre drasticamente i tempi e i costi.

I ricercatori Luke Hale, Emma Linley e Deepak M. Kalaskar del Royal National Orthopaedic Hospital del NHS nel Regno Unito hanno pubblicato ” Un flusso di lavoro digitale per la progettazione e la fabbricazione di ortesi su misura utilizzando la scansione 3D e la stampa 3D, un caso di studio basato sul paziente “, il loro nuovo flusso di lavoro per l’utilizzo della scansione e della stampa 3D per progettare e costruire ortesi personalizzate. Quindi, hanno applicato il loro flusso di lavoro a “un caso di studio traslazionale clinicamente rilevante in un paziente con un disturbo neurologico e complesse esigenze cliniche”.

I dispositivi ortotici stampati in 3D possono essere fabbricati con proprietà biomeccaniche paragonabili a quelle costruite manualmente, e CAD semplifica la regolazione del modello per soddisfare le esigenze del paziente. Inoltre, la scansione 3D si è rivelata molto utile nel settore sanitario , grazie alla sua rapida creazione di una geometria corporea accurata.

Collare cervicale

Questo studio si concentra su un’ortesi del colletto cervicale, che viene utilizzata per tre funzioni specifiche:

Stabilizzare o immobilizzare il collo dopo un intervento chirurgico o un trauma
Supportare il collo in caso di dolore al collo cronico
Tieni la testa alta in caso di debolezza neuromuscolare
Indossare questi collari per lunghi periodi di tempo può essere restrittivo e scomodo, ma sono stati creati dispositivi personalizzati configurabili per i pazienti che soffrono di progressiva debolezza del collo neuromuscolare. Tuttavia, potrebbero ancora non essere adatti a chi ha anatomia atipica o esigenze cliniche non comuni, motivo per cui i collari su misura sono spesso l’unica cosa che può aiutare.

“Questo studio dimostra lo sviluppo e l’applicazione di un nuovo flusso di lavoro per la creazione di ortesi cervicali, utilizzando una combinazione di scansione 3D, progettazione biomimetica e produzione additiva”, hanno scritto i ricercatori.

Al paziente in questo caso è stata diagnosticata a 55 anni la mielite trasversa, un’infiammazione del midollo spinale che può causare difetti neurologici come perdita sensoriale e debolezza. Poteva camminare, ma richiedeva assistenza per tutte le altre attività, perché la debolezza acuta dei muscoli del collo significava che non poteva tenere il collo in posizione verticale. Aveva bisogno di ortesi per gli arti superiori per alleviare il dolore e la stabilità, ma non poteva indossare un collare cervicale a causa di “un senso di respiro limitato”. Nel corso dei prossimi anni, la sua postura cervicale peggiorò, il che le causò ancora più dolore, ridusse il campo visivo e influì sulla sua funzione respiratoria.

“Tutti gli approcci tradizionali e commerciali per aiutare l’instabilità cervicale del paziente e il conseguente” calo della testa “in precedenza erano falliti, con il conseguente progressivo deterioramento dello stato clinico e della postura del paziente”, hanno spiegato i ricercatori. “Il flusso di lavoro è stato sviluppato per progettare e fabbricare un dispositivo su misura per questo paziente senza una terapia alternativa praticabile.”

Si sono rivolti alla biomimetica, che replica i sistemi naturali per risolvere i problemi umani, per progettare il flusso di lavoro digitale per un’ortesi progettata su misura. Hanno scansionato la testa del paziente, tenuto in una posizione corretta, con uno scanner 3D Artec EVA portatile e il software Artec Studio 12 ha elaborato i dati di scansione, che “sono stati convalidati rispetto alle misurazioni effettive per garantire l’accuratezza”. Hanno usato il software Houdini per sviluppare il processo di progettazione e il flusso di lavoro.

“La mesh di scansione 3D viene importata nel software Houdini e l’utente posiziona una semplice geometria di guida, un cilindro, sulla scansione 3D. Questa geometria viene proiettata sulla mesh di scansione 3D (Fig. 1a ) “, spiegano. “Il processo di proiezione utilizza le normali dei punti della geometria guida per creare” raggi “che si estendono nella direzione della normale. Queste normali vengono quindi invertite, per puntare verso l’interno verso la geometria della scansione 3D. Se un dato “raggio” si scontra con la mesh di scansione 3D, quel punto viene spostato nel punto di collisione della scansione 3D. “

È stata creata una mesh conforme alla scansione 3D, con geometria facilmente modificabile, e si è formata un’ortesi confortevole utilizzando un algoritmo per rilassare la geometria. Il documento fornisce una spiegazione più approfondita di come i ricercatori hanno ottimizzato il design, incluso l’utilizzo della mesh in un solutore di analisi agli elementi finiti (FEA) e la generazione di un modello poroso per una migliore ventilazione e riduzione del peso e del costo dell’ortesi finale.

Quattro prototipi sono stati stampati in 3D su un sistema Stratasys Fortus 380mc. Per comodità, l’imbottitura è stata aggiunta alle superfici interne delle ortesi stampate e la geometria del colletto è stata utilizzata “come input per un algoritmo di taglio superficiale variazionale”. Le sezioni piatte risultanti fungevano da modelli per tagliare l’imbottitura.

Il primo prototipo, che ha convalidato la scansione 3D per il flusso di lavoro di stampa, è stato incernierato su un lato e stampato in Nylon 12 semi-flessibile, ma è stato ritenuto troppo stretto. Mentre i tre successivi erano simili in quanto erano disegni in due parti stampati da ASA stabile ai raggi UV (considerato il materiale più appropriato), avevano diverse modifiche.

“Con ogni progetto, il comfort e l’usabilità del paziente sono stati migliorati apportando piccole modifiche per adottare considerazioni di progettazione e correggere la postura cervicale e migliorare la conformità del paziente”, hanno scritto i ricercatori.

Fig. 1: Schema del flusso di lavoro di progettazione e fabbricazione di ortesi personalizzate. a) acquisizione della scansione 3D del paziente; (b) geometria semplice posizionata sulla regione di interesse, con feedback su come il posizionamento della geometria si collega alla scansione 3D; (c) la geometria è montata, quindi rilassata dalla superficie di scansione per migliorare il comfort del paziente; (d) energia di deformazione mappata sulla superficie (rosso = più alto; blu = più basso); (e) energia di deformazione utilizzata per generare un modello poroso, che viene estruso per formare una geometria stampabile 3D. I passaggi (ce) sono automatizzati e non richiedono input da parte dell’utente. (f) L’ortesi è stampata in 3D. (g) Un algoritmo di taglio superficiale variazionale viene utilizzato sulla geometria da (c) per creare un modello per il taglio dell’imbottitura dell’ortesi. (h) L’assemblaggio del componente stampato in 3D e l’imbottitura producono l’ortesi cervicale finale. Il flusso di lavoro può essere ripetuto e ripetuto in base al feedback. Foto: David Bishop e Matthew Town.

Il secondo prototipo ha impedito la pressione della pelle ai bordi del colletto, ha aumentato la distanza tra la pelle e la superficie ortotica per accogliere più imbottitura e caratterizzato da cinghie laterali. Il terzo “prevedeva la rimozione manuale del materiale lontano dal secondo prototipo, alle spalle e alla testa, e una correzione correttiva della tendenza del paziente alla rotazione laterale e assiale della testa con imbottitura”, e il prototipo finale includeva tutti i miglioramenti precedenti .

“Il tempo totale dalla scansione alla consegna dell’ortesi stampata in 3D è stato di circa 72 ore (3 giorni)”, hanno scritto. “Il tempo impiegato per la fornitura di ortesi tradizionali in genere comporta appuntamenti separati per la valutazione iniziale, la misurazione, la valutazione, la regolazione e la fornitura finale del dispositivo, con ogni appuntamento della durata di circa 40 minuti in un caso complesso 2 . La produzione viene eseguita da un tecnico specializzato tra questi appuntamenti. Per un’ortesi tipica, ciò comporta un tempo di consegna di circa 6 settimane nel nostro ospedale. ”

Una terapista occupazionale ha inserito il colletto e, dopo averlo indossato regolarmente a casa e fuori nel mondo, la paziente ha valutato il suo nuovo collare cervicale stampato in 3D usando un questionario modificato, proprio come aveva fatto per i precedenti prototipi.

“Vi è stato un progressivo miglioramento del feedback soggettivo attraverso ciascuna iterazione come rappresentato dal sito di disagio e punteggio di comfort mostrato in Fig. 2a, b ; il colletto potrebbe essere tollerato più a lungo progressivamente con maggiori livelli di comfort. C’è stato un netto miglioramento della postura mentre si indossava il colletto, con riduzione della lordosi compensativa esagerata alla colonna lombare (Fig. 2c ) ”, ha riferito il team.

Il paziente aveva livelli di dolore ridotti, una più facile capacità di deglutire e un campo visivo più ampio grazie alla posizione neutra della testa. L’imbottitura ha anche aumentato notevolmente i suoi livelli di comfort nell’indossare il colletto e ha potuto tollerare il prototipo finale per quattro ore, “con un graduale aumento dei tempi di utilizzo”.

Fig. 2: (a) L’area rossa mostra i siti segnalati di disagio, alla massima durata con diversi collari. (0 = nessun disagio segnalato, 5 = disagio grave); (b) comfort auto-riferito del paziente nel tempo con uso continuo, su iterazioni diverse; (c) Paziente che indossa il 4o prototipo; il confronto tra postura e posizione della colonna vertebrale prima e dopo l’applicazione dell’ortesi mostra la posizione della colonna vertebrale con e senza colletto, con miglioramento della posizione della testa, riduzione significativa della cifosi cervicale e riduzione della lordosi compensativa pronunciata alla colonna lombare.

“Il flusso di lavoro è stato quindi validato nella produzione di ortesi su misura clinicamente vantaggiose, facilitando al contempo iterazione, modifica e miglioramento del design”, hanno scritto.

“L’ottimizzazione di questo processo, con una stampante 3D dedicata, potrebbe comportare un processo di stampa 3D point-of-care, con il paziente che si reca in ospedale, che ha la scansione 3D e parte con ortesi il giorno seguente.”

Il costo totale del colletto stampato in 3D è stato di £ 325, rispetto a una stima di £ 350 per uno fabbricato in modo convenzionale. Quindi i risparmi sui costi non sono grandi, ma lo studio ha dimostrato che combinare la scansione 3D e la stampa 3D può aiutare a realizzare un collare cervicale su misura.

“Nei lavori futuri, il flusso di lavoro proposto sarà esteso a un gruppo più ampio di pazienti con anatomia e patologia cervicale variabili, in cui gli approcci tradizionali o commerciali hanno fallito”, hanno concluso i ricercatori. “Questo studio ha implicazioni per la rapida produzione di ortesi personalizzate che possono aiutare a ridurre i tempi di attesa dei pazienti, migliorare la compliance dei pazienti, ridurre il dolore e ridurre ulteriormente il deterioramento. Il flusso di lavoro potrebbe costituire la base per un processo integrato, in base al quale una singola visita in ospedale si traduce in un’ortesi su misura ottimizzata e personalizzata per ciascun paziente. “

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