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nTopology|在危地马拉丛林中使用世界上最先进的假肢行走

nTopology|在危地马拉丛林中使用世界上最先进的假肢行走

2021-11-19 14:26

Brent Wright是一名经过认证的假肢和矫形师。他们与妻子梅雷迪思·赖特( Meredith Wright ) 共同创立了LifeNabaled,这是一家为发展中国家提供假肢解决方案的非营利性提供商,总部位于美国北卡罗来纳州罗利市。

布伦特和他的团队正在改变危地马拉北部无法负担假肢护理的截肢者的生活。在过去的 15 年里,他们每两年一次的诊所已经治疗了数百名患者。

沙洛姆医院是唯一一家为危地马拉北部佩滕地区的患者提供假肢护理的机构。

然而,制造假肢是一项技术性很强的工作。在为期一周的诊所中,对 30-50 名患者进行评估、制造和安装假肢对 Brent 和他的志愿者团队造成了身体伤害。

对于他们最新的诊所,Brent 和他的团队利用他们在假肢制造和增材制造方面多年的经验开发了一个全数字化的工作流程。在本案例研究中,我们将引导您完成他们遵循的步骤——从 3D 扫描到设计和制造——以经济高效的方式根据患者数据创建定制的 3D 打印假肢插座。

“买不起假肢的人现在拥有世界上最好的设备。没有 nTopology,这一切都不可能实现”

——LifeNabled 联合创始人兼临床总监 Brent Wright

传统对比假肢的数字化制造

传统的假肢制造是一个费力的过程。由于每个插座都需要为每位患者量身定制,因此制造完全是手动的。通常,该过程涉及三个步骤:

  • 首先,假肢师在患者评估期间拍摄截肢者缺失的肢体。
  • 然后,他们使用铸件制作定制模具来对插座进行热成型。插座连接到现成的组件以制造假肢。
  • 最后,假肢师将假肢装置安装到患者身上并进行必要的调整以确保良好的配合。

人工制造假肢是一个耗时、专业知识密集且费力的过程。

Brent 的愿景是将设计和制造步骤完全数字化。这些步骤是假肢制造过程中对专业知识要求最高的阶段。同时,他的团队可以培训当地人(或通过视频电话指导他们)执行评估和试衣步骤,无需专家在远程位置。

作为概念证明,该团队在最后一家诊所切断了传统制造的联系,并遵循了全数字化流程。通过将整个工作流程数字化,他们可以专注于使流程具有可扩展性并尽可能具有成本效益。

以下是新数字工作流程的概述:

  • 首先,两名团队成员飞往危地马拉进行3D 扫描。在短短两天内,他们就评估了 35 名截肢者。
  • 然后,在接下来的两周内,Brent设计和定制了每台设备,并使用 HP 的 MJF 3D 打印技术制造了插座。
  • 最后,该团队在一个月后返回危地马拉,交付设备并将其安装到患者身上。

假肢的数字化制造得到了简化。首先,对患者进行 3D 扫描(左),然后可以从数字设计中 3D 打印定制插座和内衬(右)。

结果令人震惊!所有患者都带着世界上最先进的假肢离开诊所。此外,该团队只付出了一小部分努力就实现了这一结果。“那段时间我们努力工作,但我们工作很聪明,我们能够轻松进行所需的扫描,这样当我们回来时,我们的效率和价值更高,”布伦特赖特说。

灵活的3D打印内衬

内衬是假肢的重要组成部分。插座必须让佩戴者在工作或长时间使用时感到舒适。此外,它必须透气以确保良好的卫生。“我们需要确保假肢能够呼吸,尤其是在危地马拉的丛林中,”布伦特说。

然而,传统的凝胶状内衬透气性不佳,售价超过160美元,在危地马拉的热带气候下,其使用寿命有限,只有3至6个月。对于每天靠 2 到 3 美元生活的当地人来说,这笔费用高得令人望而却步。

Brent 的团队想用针织袜子代替昂贵的内衬。袜子非常实惠,透气,易于定制且可清洗。为确保舒适度,该团队使用 3D 打印泡沫来设计灵活的内窝衬垫。

nTopology 中设计的 30 多种定制柔性内衬之一的最终设计

3D 打印泡沫是模仿传统泡沫特性的柔性晶格结构。它们由 TPU 等弹性材料制成,与传统泡沫相比具有更多优势。

例如,它们的特性可以根据患者的生理或偏好进行调整(从软泡沫到硬塑料)。这种效果可以通过使用nTopology 等先进的工程设计软件来密切控制晶格的设计输入参数(例如梁厚度和孔隙率)来实现。

从3D扫描到制造

即使在团队确定了 3D 打印泡沫设计参数以实现所需的缓冲之后,将其应用于 30 多个定制插座设计也将是一个挑战。根据 Brent 的说法,如果没有nTopology,这一步将是一个“残酷的过程”。他在nTopology之前使用的旧软件通常会崩溃或需要数小时才能生成结果。

“如果我们在 nTopology 以外的任何其他软件中进行设计,那么设计定制的柔性内衬将是一项具有挑战性的任务。工作流程完成后,我所要做的就是更换网格。这个过程一遍又一遍地进行。”

——LifeNabled 联合创始人兼临床总监 Brent Wright

工作流程是半自动化的并且易于实施。这是概述:

  • 使用患者3D 扫描数据的网格作为输入,他们首先生成了一个厚度可变的壳。
  • 然后他们使用 nTopology 的格子块来创建一个灵活的内衬,提供必要的缓冲水平
  • 为了重复这个过程并生成一个新的设计,他们只需要用来自另一名患者的 3D 扫描数据交换一个新的输入网格

借助 nTopology 的可重用工作流,该团队在设计阶段节省了超过一整天的容易出错的计算处理,并产生了更高质量和无错误的结果。

nTopology 中的设计过程概述——从导入 3D 扫描网格到导出可制造的 3MF 网格文件

在制造方面,该团队选择了惠普在 TPU 中的 Multi Jet Fusion 3D 打印工艺。这种工艺和材料组合非常适合制造具有可变厚度的柔性晶格结构以进行填充。TPU 也非常耐用,使其成为危地马拉丛林的理想选择。

总体而言,这种数字化流程为团队节省了 2-3 天的制造时间,并用简化的数字化制造取代了费力的手动步骤。

改变生活

除了技术成就,这是一个人类故事。在危地马拉的这些地区,几乎无法获得假肢护理。由于这些截肢者中的绝大多数人每天的生活费不到几美元,因此购买假肢根本不是一种选择。

30 多名患者中有 3 名安装了他们的新 3D 打印假肢装置。

因为 Brent 的团队在这些诊所工作了很长时间,他们已经看到了假肢如何改变患者的生活。

例如,15 年前,他们开始治疗一个只有三岁的小孩。由于他的病情,四肢都受到截肢或先天缺陷的严重影响。

如果没有假肢,他将注定要过着贫困和流浪街头乞讨的生活。相反,这个年轻人现在要去会计学校成为一名会计师,他将能够养家糊口。

下一步

Brent 的目标是为发展中国家创建一个全球假肢设备供应商网络。借助像 nTopology 这样的数字化制造和工程设计工具,这个梦想是可以实现的。

“全世界有数百万人需要假肢。这是一个团队的努力,以达到他们所有人。这是一个人类的故事。这不是我们如何从人类身上获利的故事。这是一个关于我们如何让人们走路的故事。

——LifeNabled 联合创始人兼临床总监 Brent Wright

世界各地(甚至在发展中国家)有多个工业级 3D 打印系统可用于制造所需的假肢设备。当地医生可以通过视频通话接受培训,以评估患者并安装假肢。至于设备的设计,这可以使用 Brent 团队开发的自动化流程生成。

从技术角度来看,Brent 继续改进他的设计,使其更具成本效益。例如,他的团队目前正在使用场驱动设计方法创建具有模拟驱动几何结构的更轻的承窝肋。

源文摘自:nTopology

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