Jak vytvořit rehabilitační ortézu 3D tiskem

Tags: 3D tisk | CAD | případová studie | SolidWorks | Voxelizer

Do redakce nám nejprve přišel e-mail s krátkou verzí případové studie o tom, jak na hybridní 3D tiskárně Zmorph polského výrobce vytvořila studentka Eliza Wrobel rehabilitační ortézu. Protože článek, který jsme dali na web CAD.cz, měl slušný ohlas, dáváme do tištěné verze časopisu o něco delší popis celého procesu návrhu. S touto ve 3D tištěnou rehabilitační ortézou může postižený člověk vykonávat různé fyzické aktivity.

Medicínský 3D tisk má mnoho aplikací v různých oblastech. U protetik jsou průmyslové 3D tiskárny používány k výrobě ortéz podle potřeb a na míru pacientům, rovnátka, jakož i protézy a díly pro motorické vnější kostry (exoskelety). První dvě možnosti pomáhají pacientům se zlomenými kostmi, zatímco třetí se používají pro osoby s amputacemi. Pro pomoc pacientům s případy mírné a částečné obrny, kteří potřebují lehčí a pohodlnější 3D tištěné rehabilitační ortézy, které by nepoškozovaly jejich stávající, ale slabé končetiny, existuje ještě hodně nevyužitého potenciálu.

Eliza Wrobelová čelí tomuto problému během svých studií biomedicínského inženýrství pod vedením Ing. Bogdana Dybaly, PhD., na Fakultě strojního inženýrství Technologické university ve Wroclawi. Byla požádána o pomoc 33letým mužem trpícím částečnou obrnou končetiny poté, co se stal před několika lety účastníkem nehody. Potřeboval lehkou a přitom odolnou ortézu, která by mu mohla pomoci uchopit objekty v průběhu rehabilitace a při dalších pohybových aktivitách, když neudržel ani ty nejlehčí činky. Aby mohl hrát svůj oblíbený stolní tenis, musel mu někdo přivázat pálku k ruce, což nebylo příliš pohodlné.

Vyhodnocení potřeb

Rehabilitační ve 3D tištěná ortéza musela odpovídat potřebám pacienta, což znamenalo, že Eliza k tomu byla nucena použít metodu reverzního inženýrství. Začala výrobou sádrového odlitku pacientovy ruky, který byl později naplněn kapalnou keramickou hmotou s kovovou tyčí uvnitř, aby samotný model bylo jednodušší držet. Po 24 hodinách byl model ruky obroušen a poté naskenován pomocí 3D skenovacího zařízení ATOS II, které je na wroclawské technologické univerzitě k dispozici.

S hotovým 3D modelem pacientovy pravé ruky začalo skutečné projektování ortézy. Eliza zkoušela různá mechanická řešení pro rehabilitační pomůcku v CAD softwaru Solidworks. Největším problémem bylo řešení spojení ortézy a ruky pacienta. Ta běžně používaná v protetice by mohla poškodit mužovy tkáně, neboť standardní ortéza slouží k tomu, aby u zlomených kostí držela ruku pouze v jedné poloze – otevřenou nebo sevřenou.

Odpověď byla nalezena někde mezi. Hlavní opěrná skořepina ortézy musela být vytvořena těsně za zápěstím, zatímco prsty jsou podepřeny menšími částmi napodobujícími jejich společnou strukturu – 2 klouby pro palec a 3 klouby pro každý další prst. Pro připojení těchto částí do pracujícího zařízení přidala Eliza sadu pákových mechanismů, ovládaných jednou velkou pákou na horní části skořepiny. Stlačení hlavní páky zrychlí sevření ruky, zatímco její odtažení vrátí prsty do jejich klidového stavu.

3D tisk návrhu

Konstrukce rehabilitační ortézy se skládá z více než 70 různých částí. Všechny byly exportovány do STL souborů, zkontrolovány na případné nedostatky v softwaru Netfabb Basic a pak importovány do programu Voxelizer s cílem je připravit na 3D tisk. Díly pro ortézy byly později vytištěny na hybridní 3D tiskárně 3D ZMorph 2.0 S vybavené jedinou hlavou extruderu s průměrem trysky 1,75 mm a s použitím ABS vláken různých barev.

Přesnost a kvalita výtisků z tiskárny ZMorph dovolila Elize mít ve svém návrhu minimální množství netištěných částí. K připojení menších pák a prstových pouzder k sobě byly použity malé 3D tištěné kolíky, zatímco hlavní páka byla připojena ke skořepině 3D tištěnými západkami. Později byl přidán pásek Velcro se suchým zipem k upevnění ortézy kolem ruky pacienta.

Jaká je budoucnost 3D tištěných rehabilitačních ortéz?

S pomocí hybridní 3D tiskárny ZMorph 2.0 S mohla Eliza rychle vyrobit, vylepšit a dokončit funkční prototyp svého návrhu. Stolní tiskárna se ukázala být rychlou, spolehlivou a cenově příznivou alternativou k nakupované prototypové službě založené na průmyslových 3D tiskárnách. Díky odolnosti 3D součástí na bázi materiálu ABS, vytištěných na stroji ZMorph, může být prototyp použit s omezeným zatížením pacientem během jeho fyzické aktivity.

Další práce na nápadu této studentky může brzy vyústit v rozsáhlou výrobu zakázkových 3D tištěných rehabilitačních ortéz pro pacienty s obrnou rukou a tím výrazně zlepšit jejich každodenní život.

Autor článku je marketingovým manažerem ve společnosti Zmorph.