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Artec Eva与Geomagic Freeform共同担纲,定制独一无二的假肢

  德国中部一个风和日丽的早上,Wolfgang K.爬上了他的货车,开启了一段新的旅程,而这段旅程不幸成为他职业生涯的最后一段。第一个站点是一家五金店,他卸下货物,等叉车把货物运走。结果,悲剧发生了。

  叉车撞向Wolfgang时,他并没有看到,一只脚被碾坏,自己被撞倒在地。他只记得那一刻后背像被重击了一下,随即晕了过去。醒来后,他疼得死去活来,身边的医护人员告诉他,脚踝以下的部位受伤十分严重。

  医生迅速为其治疗,稳定了伤势,但之后几周到几个月内,炎症越来越严重。Wolfgang请求医生为其截肢,但医生并不想轻易这么做。他们想尽一切办法挽救这只脚,但三年后,炎症扩散到了腿上,导致大面积组织坏死。

  Wolfgang的医生最后被迫只能截去膝盖以下的部位。在接下来的几周内,等这条腿(残肢)消肿后,Wolfgang装上了一个过度用的假肢。这阵子,他刚好看到德国伯恩堡Sanitätshaus Klinz矫形诊所的广告,很快,就成为了这里的一位常客。

患者有两副Sanitätshaus Klinz假肢(新和旧)

  全球范围假肢需求激增

  每天,仅在美国就有18.5万台小腿截肢手术,全球更是多达100多万台,假肢技师很难满足日益增长的需求。

  制作假肢接受腔,即残肢与假肢的衔接部位,过去需要花上几个小时的时间进行石膏铸造,还要大量的技巧和经验。

  尽管Sanitätshaus Klinz的技师仍会使用石膏铸造等传统方法,但对于一些高难度项目,特别是无法通过传统方式完成的任务,他们会使用三维扫描仪Artec Eva。

  这是一款专业手持式三维扫描仪,一直受到全球各行各业专业人士的喜爱,医疗保健行业也不例外。Artec Eva能快速完成彩色三维扫描,精度达亚毫米级,非常适合捕获患者残肢或其他身体部位的自然表面。

使用Artec Eva和Artec Studio软件为患者残肢进行三维扫描

  他们还使用了Artec Space Spider,用于捕获精度要求高的精密细节。Space Spider最初为国际空间站设计,受到诸多领域设计师、工程师、研究人员的青睐。

  开启全新假肢设计工艺

  Wolfgang在Sanitätshaus Klinz试过多款假肢后,决定换个新的可以入水洗澡的假肢,不仅可以淋浴,还能游泳。

  这样的假肢需要防水抗腐蚀,能承受盐水环境。Sanitätshaus Klinz的生物医学工程师Lisa Pabst了解到他的需求后,决定为其设计一款更强大的假肢。

  讨论后,Pabst发现Wolfgang酷爱潜水。于是,她和Wolfgang、以及另一位假肢矫形资深专家Carsten Suhle一起,想制作一款独特的防水假体,不仅起到矫正作用,同时还设计成海洋主题,成为独一无二的一款假肢。

  即便截肢后,Wolfgang也没有放弃自己对潜水和水上运动的热爱。听到Pabst的想法后,他立刻同意了。

  Pabst谈到了这个项目的难点,“我们想用一种不同的方式,看看是否可以把新做的假肢融入到新设计中,而不是为现成的假肢进行外观设计。”

全新设计,假肢可以调整角度,安装游泳用的蛙鞋

  他们想把洗澡专用假肢的防水特征和矫形假肢的视觉美感结合起来,患者穿戴假肢时,没人会发现这是一条假肢。所有矫形部位都要覆盖并保护假肢的机械部件。

  当问及设计灵感时,Pabst说道:“我们想借用章鱼结构。章鱼主体部分遮盖了腕足上部,下方的触角刚好可以模拟小腿外形。在假肢最下方的脚踝处,我们放了一个被章鱼触角缠绕的潜水头盔,走个怀旧路线。踝关节可以通过头盔侧面的开口来操控。”

患者身上的全新防水假肢

  Pabst和团队也明白,任何假肢关键的部位还是接受腔的外形和匹配度,这要根据每位患者的情况量身定制,哪怕是稍有出入的设计,都会导致患者不适,造成生物力学功能障碍,最终导致日后受伤。

  糟糕的是,接受腔不匹配还会造成皮肤溃烂,影响平衡而摔倒,肌肉骨骼过度使用造成慢性伤害、骨关节炎等等。

  为打造一款无缝对接的无感接受腔,团队打算使用Artec Eva,不到一分钟,Pabst就扫描了Wolfgang残肢表面的所有几何。Pabst还扫描了他的另一条腿,方便在设计防水假肢的外形尺寸时,参考另一条腿的体积和表面数据。

Artec Studio截图:患者残肢的Eva扫描

  扫描完成后,在将3D网格导出至Geomagic Freeform前,Artec Studio软件对扫描进行了处理。软件中的各项工具简单实用,Pabst顺利删除了多余数据,包括地板和周围其他物体。

Artec Studio截图:患者另一条腿的Eva扫描

  扫描对齐配准后,合并成一个物体。最后,添加纹理,并应用至网格。Pabst利用Freeform完成了接受腔的设计,并雕刻出了那些美观的元素。

  至于Eva在和Freeform配合过程中起到何种作用,Pabst表示:“把Eva扫描导入Freeform,就等于为我的假肢设计提供了一个可靠的基础。Eva只要几秒的时间,就能精准捕获患者的身体部位,在Freeform中,我根据这些相同的尺寸完成了全新设计。”

Geomagic Freeform截图:患者另一条腿的Eva扫描以及根据Eva扫描的残肢制作的模型

  Pabst继续说道:“接受腔必须完美匹配患者的残肢,为其提供支持,每一毫米都必须被精确捕获,来辅助设计新的假肢。幸运的是,Eva很快完成了扫描,十分轻松。”

  Pabst的工艺包括以下步骤:导入Freeform,排列网格,为Wolfgang残肢建模;随后,在Freeform中为另一条腿制作镜像;制作假肢轴,根据适配器塑形,再加入功能性设计。

Geomagic Freeform截图:根据适配器调整假肢轴, 再根据假肢功能调整设计

  随后,Pabst根据Wolfgang另一条腿的测量值,调整了章鱼触角的外形,保证小腿总周长相同。

Geomagic Freeform截图: 根据另一条腿的Eva扫描尺寸,调整触角尺寸

  这时,触角吸盘装置就算完成了。之后,把轴、章鱼、触角、潜水头盔连起来即可。几步操作后,她加上了Klinz的标识和患者姓名。

  假肢外部组件完成3D打印后,与机械部件合并后锁定。随后,Wolfgang被邀请到诊所进行试穿。

焕然一新:新防水假肢已穿戴完毕,可立即使用

  从看到新假肢的那一刻起,Wolfgang就非常高兴,穿起来就和其他Klinz的假肢一样舒适。他的妻子和女儿们也都很满意。最近,他去了一次波罗的海,孩子们都前来围观,觉得这条腿非常酷。

  三维扫描在矫形修复界的实力和潜力

  关于三维扫描在现代矫形和假肢设计中发挥的关键作用,Pabst评价道:“无论何时需要用高科技或普通材料制作矫形器、上半身或下半身的假肢,首先必须获得患者身体部位的精准测量数据,这时就需要这款新设备亮相了。”

使用Geomagic Freeform的触控设备为防水假肢完成最后处理

  她进一步说道:“这一步做不好,后期会出现很严重的问题,假肢不匹配,甚至后期患者出现不良反应等等。一开始就用埃太科扫描数据,假肢就能完全对称,就像自己身体的自然延伸。这提升了假肢的质量和效果。”

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