Artec Eva在危地马拉助力制作低成本3D打印假肢
概要:一家专注于儿童修复学的非营利机构需要找到一种低价但有效的方式为患者制作假肢,其中包括一位失去前臂的年轻女性。
目标:使用手持式3D扫描仪数字捕获患者手臂末端,加工扫描,并在Geomagic Freeform和Fusion 360中设计定制假肢的3D模型,随后发送至3D打印机,并为患者安装。
使用工具:Artec Eva, Geomagic Freeform, Fusion 360
一场残暴的入室行窃让Veronica失去了她的右肢前臂。住院6周后,她的好友推荐她前往LifeNabled的农村修复诊所,即位于危地马拉圣贝尼托的Shalom医院。问诊期间,医生了解到她需要何种帮助,期待何种效果,假肢制作时间,以及未来生活将如何改善。
Shalom医院
说干就干。他们为她剩下的右肢制作了一个纤维玻璃铸模,随后使用手持式彩色3D扫描仪Artec Eva(见下文设计过程中详细说明)扫描了铸模内部,之后,将Veronica全新3D手臂打印出来,等待安装。数小时后,手臂完美贴合,从此,她的生活变得焕然一新。
如今,Veronica在当地大学研究神学。就在LifeNabled为她制作新手臂且恢复后,她花了6个月的时间在烹饪兴趣班学习了好几种菜的做法。
Veronica即将去上班
Shalom医院是LifeNabled危地马拉诊所的所在地,由两位美国传教士Tim和Doris Spurrier创办,他们带上自己的两个孩子,跳上车,一路从俄亥俄向南开了5天。抵达危地马拉后,他们认为找到了“家”。从此便一直生活在此。
最后,他们决定在自己的小医院内开办一家修复诊所,并在2006年邀请认证修复师和专业认证矫形师Brent Wright一同前来。抵达后,他迅速组织创办了诊所,这是危地马拉第一家,也是唯一一家修复诊所。
Brent Wright与他制作的一件假肢
对于Wright和他的志愿者团队而言,当然更不用提诊所的大量患者,3D扫描和打印真切地改变了一切:过去制作一款手臂假肢的材料成本大约在800-1200美元之间,但使用3D打印的话,“每个手臂的材料只需要大约4美元,”Wright说道。
他的梦想之一就是能为全世界每个有需要的人带去低成本假肢,尤其在那些全国范围内只有1-2位专家的贫穷落后地区。Wright表示,是时候掀起一场修复领域的革命了。“也就在过去18个月,3D打印材料才能够用于制作持久有效的假肢。”
对于新方法的追求让他最终找到了3D扫描,以及Artec 3D专业手持式扫描仪Artec Eva。Eva广泛应用于诸多行业领域,包括医疗保健、逆向工程,能完成高精度彩色3D数字捕获,对Wright和诊所而言都是如获至宝。
但这并不代表这款解决方案解决了一切。Wright始终追求工作中的精益求精,尤其在制作这些颇具难度的假肢上。
“3D扫描善于捕获外形,但在捕获负重物体的外形,或者说捕获皮下组织结构时,并不一定出色,所以我还是坚持认为要制作一个质量上乘的铸模,”他补充道,“但我们必须研发一些新方法,来扫描铸模内外部。这么做,就可以得到肉眼看不到的解剖结构,以及患者四肢在受压情况下的实际体积。”
谈及非接触式3D扫描时,Wright表示,“每次为患者直接扫描时,都要猜测一下皮下组织的位置,以及受压情况下,四肢的实际体积……但在制作假肢的过程中,我很讨厌猜测。”
“Eva扫描仪当然很优秀,但Artec Studio软件更棒。铸模拉下后,分成两半。在Eva帮助下,很快完成了两部分的扫描,随后在Studio中,又很快将其拼接成高度准确的3D模型。如此,便能充分利用两者的长处,精准3D扫描,加上患者受压时制作的准确铸模。所以,最终的3D模型就能做到解剖结构上的高度准确,体现真实的体积大小,这是非接触式扫描无法实现的。”
在Shalom医院,为患者匹配新假肢
“Artec Eva对铸模内部的扫描效果超过其他我们试过的工具……这是唯一一款能够如此完美的扫描仪,”Wright说道。
传统假肢制作法消耗的时间和人力都相当可观,为采取“3D扫描”版制作工艺,整个流程中加入了患者受伤肢体玻璃纤维铸模的制作,并将其适当包裹,做好标记(提示骨骼突起、膝盖骨、压力点等部位),等3-4分钟风干,切割后等待扫描。
扫描直接在Artec Studio中完成,被扫描的物体实时呈现在屏幕中,您可以数秒后直接看到完整的扫描对象。随后,您只需将扫描数据对齐成一个模型,再导出至如CAD/CAM软件等其他应用程序。
“我只需要把模型以OBJ文件格式导出至Geomagic Freeform,这款软件已经能够满足我的设计和修改需要了。同时我也配套使用一款触觉设备,所以假肢好像就在我的手边,可以感受到物体的曲线和起伏。非常喜欢,”Wright说道。
他还使用了Fusion 360,为每款假肢设计关节和定制化特征。虽然假肢传统制作法总有其一席之地,但对LifeNabled而言,3D扫描为其打开了一扇新的大门,彻底改变了他们的工作方式和制作速度与灵活度。
“使用Eva和数字处理结合的方式制作假肢,其美妙之处就在于我几乎可以在任何地方制作。扫描完成后的流程也相当快,我甚至可以带着笔记本电脑,坐在电视机前,完成剩余的设计工作,”Wright说道。
设计全新假肢
“也就是说,患者可以一小时后就离开诊所。”
但并不是说一切都能得偿所愿。他们还需要制作假肢的技术人员,虽然看起来很简单,但其实这是难度颇高的工作。一年实践培训加上高强度实践操作,是成为合格修复师的最低要求。“这份工作需要大量实践操作,”Wright说道,“这其中涉及很多教科书之外的知识。”
匹配患者前臂
Wright和他的妻子Meredith每年去两次危地马拉,会在托运和手提行李中塞满东西:Artec Eva、两台3D打印机(Filament Innovations)、高性能外星人笔记本、假腿的铝制骨架、3D打印机的塑料丝(CF PETG、PETG、聚碳酸酯等)、假体膝盖、尼亚加拉脚、铸模用玻璃纤维等等。
多年来,他们已经在危地马拉为截肢患者提供了400多件假肢。许多患者现已长大成人,即将步入成年。这些年轻男女曾一度陷入绝望羞愧、自我否定、甚至被诅咒的感觉,但现在,他们都在积极追求自己所向往的职业,包括教师、医生、商人、工人等各行各业。
LifeNabled未来计划推出欧洲合格认证的假肢3D打印课程,以及面向各类机构的培训课程,帮助全球有需要的地区获得必要的知识和技能。LifeNabled的最终计划就是要在全球范围内提供完整培训和假肢部件,让所有截肢患者,无论收入如何,距离大城市多远,都能用得起物美价廉的假肢。
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