Geomagic Freeform : conception et fabrication d'orthèses/prothèses

Défi
Introduire les technologies numériques pour la conception et la fabrication d'orthèses et de prothèses afin de soutenir les processus manuels avec des flux de travail et des outils numériques.

Solution
Geomagic® Freeform®, logiciel de conception organique en 3D par 3D Systems .

Résultats
Modélisation accélérée des sous-tâches avec automatisation.
Obtention de résultats reproductibles et renforcement de la normalisation grâce à la numérisation et à la définition des flux de travail.
Amélioration de la qualité et de la rapidité de la conception et de la fabrication d'orthèses et de prothèses pour répondre aux besoins individuels des patients.

L'industrie des orthèses et des prothèses (O&P) est l'une des dernières à être dominée par l'artisanat manuel. Mais avec l'impression 3D et les outils de modélisation dédiés, une révolution numérique s'est produite, qui ouvre de nouvelles possibilités pour améliorer la vie des patients.

Le magasin de fournitures médicales Häussler a collaboré avec le groupe de recherche en biomécanique de l'université des sciences appliquées d'Ulm, en Allemagne, et avec l'expert et revendeur 3D Antonius Koester pour définir de nouveaux processus numériques. Leurs outils de choix sont le logiciel de conception organique 3D Geomagic Freeform et les dispositifs haptiques Touch de 3D Systems. Les outils d'automatisation de Dynabot dans Geomagic Freeform les aident à simplifier et à accélérer le processus de modélisation, ce qui leur permet de reproduire avec précision des orthèses et des prothèses bien ajustées.

Combiner l'artisanat et la recherche

Häussler est un magasin de fournitures médicales bien connu dans le sud de l'Allemagne. Il a été fondé en 1916 par Thomas Oesterle comme atelier spécialisé pour le principal hôpital militaire de la forteresse d'Ulm. Dès le début, Oesterle a apprécié la collaboration avec les sciences médicales et a travaillé dans l'atelier de l'hôpital.

En 1984, Häussler a ouvert un atelier clinique à la Clinique universitaire et de réadaptation d'Ulm (RKU) pour renforcer le lien entre les sciences médicales et la recherche.

Häussler est plus que le magasin de fournitures médicales moyen. Les orthoprothésistes et prothésistes de Häussler travaillent en étroite collaboration avec l'Université des sciences appliquées d'Ulm où le professeur Dr Felix Capanni, expert en ingénierie médicale et en biomécatronique, travaille et mène des recherches. Steffen Matyssek, ancien assistant de recherche du Prof. Dr. Capanni, dirige le département de recherche et développement de Häussler. En plus de superviser des thèses de licence et de master, Matyssek fait le lien entre la recherche et la mise en œuvre commerciale.

Comprendre le flux de travail traditionnel de la fabrication O&P

Les orthésistes et les prothésistes conçoivent et fabriquent des orthèses et des prothèses sur mesure. Les orthèses sont destinées à stabiliser, soutenir, immobiliser ou soulager une partie du corps ou un membre, ou à corriger des positions défectueuses, tandis que les prothèses remplacent des parties du corps ou des membres manquants.

Les orthèses et les prothèses sont constituées de parties fonctionnelles telles que les articulations, qui sont en grande partie fabriquées industriellement, ainsi que de zones qui sont reliées au corps du patient. Les deux grands défis pour les orthoprothésistes et les prothésistes sont, premièrement, la production de la fonction correcte et l'adéquation à la taille et au rapport de force du patient ; et deuxièmement, le développement d'une interface avec le corps humain qui peut transférer et absorber la force sans causer de frottements ou d'irritations similaires.

"La fabrication d'orthèses et de prothèses nécessite un grand savoir-faire manuel", explique M. Matyssek. "Cependant, avec la numérisation, notre profession et nos possibilités changent maintenant radicalement. En raison du degré élevé de travail manuel et de l'expérience que les orthoprothésistes et les prothésistes apportent à leur travail, il est presque impossible de reproduire exactement un bon résultat ; la deuxième prothèse sera un peu différente de la première". La numérisation de certaines parties du processus permet d'éliminer les déviations indésirables. Matyssek prédit que l'impression 3D jouera également un grand rôle dans la profession d'O&P à l'avenir : "Il est évident qu'un modèle numérique en 3D est nécessaire pour cela."

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Geomagic Freeform offre les mêmes options et outils que ceux dont disposent les orthoprothésistes et les prothésistes dans la salle de plâtre.

Ouvrir de nouvelles possibilités avec la numérisation

Selon le professeur Capanni, les jeunes pousses issues des universités et d'autres sources utilisent déjà les outils numériques pour générer rapidement des appareils personnalisés et abordables qui peuvent être proposés à tout le monde en ligne. "Aujourd'hui, le marché traditionnel de l'O&P est généralement limité à un marché régional ; la numérisation va ouvrir cette frontière. Pour préparer l'avenir, les entreprises d'O&P doivent investir dans les outils numériques".

Le processus traditionnel de production d'une prothèse commence par le moulage de la partie du corps avec du plâtre. Selon M. Matyssek, cette approche traditionnelle conserve quelques avantages par rapport à la numérisation 3D directe du membre du patient : "À première vue, il semble logique de commencer avec des données numériques, mais un scan 3D ne représente que la géométrie du membre détendu. En utilisant d'abord du plâtre, nous pouvons comprimer les zones plus molles de la même manière que le fera la prothèse finale. Nous pouvons également corriger les positions défectueuses directement dans le modèle en plâtre".

La deuxième étape consiste à produire une géométrie positive, soit de manière conventionnelle avec du plâtre, soit par fraisage de mousse de polyuréthane (PU) à l'aide de données numériques en 3D. Ensuite, le vrai travail commence. Grâce à son expérience et à ses connaissances anatomiques, le prothésiste ajoute du matériau dans les zones où aucune pression ne doit être appliquée, et enlève du matériau là où une connexion étanche est nécessaire. Cette géométrie adaptée est ensuite utilisée comme base pour la conception de la prothèse.

"C'est à cette étape que les compétences manuelles et le travail du prothésiste entrent en jeu", explique M. Matyssek, "c'est également à cette étape que se produisent les déviations qui rendent l'ajustement de la prothèse meilleur ou pire. C'est pourquoi nous travaillons à la numérisation de cette étape du processus pour obtenir des résultats reproductibles et accélérer la modélisation des sous-tâches grâce à l'automatisation. Les éléments imprimés en 3D offrent des possibilités totalement nouvelles pour la fabrication de moules".

Automatisation de la conception de modèles numériques en plâtre sous forme géomagnétique libre

L'outil préféré pour cette conception est Geomagic Freeform avec le dispositif haptique Touch. "Geomagic Freeform offre les mêmes options et outils que ceux dont je dispose dans la salle de plâtre", explique M. Matyssek. "De plus, la fonction macro Dynabot de Geomagic Freeform nous permet d'automatiser les tâches récurrentes et fournit à l'utilisateur l'outil adéquat pour chaque étape du processus. De tels flux de travail définis conduisent automatiquement à la standardisation".

Un bon exemple des avantages de l'utilisation de Geomagic Freeform provient de la thèse de licence de l'étudiant diplômé Alexander Krieger. Krieger a mis au point une chaussure prothétique pour les patients qui ont perdu des orteils et/ou une plus grande partie de leur avant-pied, ce qui rend la marche difficile. Habituellement, le patient reçoit une chaussure ou une prothèse spéciale, dont l'avant est rempli de mousse et permet au pied de rouler à travers une semelle flexible. Les caractéristiques de la semelle doivent être adaptées avec précision au poids et au style de marche du patient. Le prothésiste est chargé de trouver le bon mélange de rigidité et de souplesse.

Krieger a utilisé des analyses de mouvement et la simulation par éléments finis (EF) pour développer un ensemble de règles qui permettent de calculer la semelle parfaite pour chaque patient. Il a utilisé la fonctionnalité Dynabot dans Geomagic Freeform pour la mettre en œuvre.

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Une conception de prothèse de l'avant-pied qui est personnalisable à tout patient en utilisant la fonctionnalité Dynabot de Geomagic Freeform.

"C'est la solution optimale pour aider les utilisateurs moins expérimentés de Geomagic Freeform", explique Krieger. "En utilisant un Dynabot Geomagic Freeform, je peux fournir à l'utilisateur le bon outil pour chaque sous-tâche et le guider tout au long du processus. Le dynabot géomagnétique s'arrête pour permettre à l'utilisateur d'effectuer une tâche de modélisation manuelle et peut être relancé pour l'étape suivante. Les actions qui ne nécessitent pas de saisie de l'utilisateur s'exécutent automatiquement, ce qui rend le processus plus rapide".

C'est ainsi que le Dynabot de Kreiger guide l'utilisateur dans le processus de création d'une prothèse de l'avant-pied. La modélisation paramétrique dans Geomagic Freeform est largement utilisée, les entrées de l'utilisateur modifiant directement la géométrie de la prothèse. Cela sert de base à une impression en 3D. Un détail intéressant du prototype actuel est l'inliner, qui est la partie dans laquelle le patient insère son pied. Il s'agit d'une pièce moulée en silicone utilisant un moule imprimé en 3D. Le reste de la prothèse est largement prédéfini et seules la taille et la rigidité sont adaptées au patient.

Intégration de la numérisation dans l'éducation

Le professeur Capanni considère l'enseignement comme une obligation : "Les grandes entreprises orthopédiques offrent déjà aux entreprises orthopédiques une plate-forme numérique pour produire certaines aides orthopédiques. Cependant, il s'agit d'entreprises industrielles dont les techniciens et les ingénieurs ont une connaissance approfondie du métier d'orthopédiste et de l'ingénierie. Les entreprises orthopédiques traditionnelles n'ont généralement pas ces derniers. L'utilisation d'outils numériques comme Geomagic Freeform nécessite que l'utilisateur ait certaines compétences qui doivent donc être intégrées dans la formation des techniciens orthopédiques. Il s'agit notamment de l'utilisation d'outils de conception numérique et de principes de conception adaptés à la technologie orthopédique, d'une part, et de connaissances sur les matériaux et leurs technologies de production, par exemple les plastiques pour l'impression 3D, d'autre part".

L'intégration des technologies numériques dans le flux de travail d'O&P est un travail d'équipe. note Matyssek : "Nous collaborons avec d'autres magasins de fournitures médicales, l'université des sciences appliquées d'Ulm, 3D Systems, et notre partenaire Antonius Koester pour définir davantage de flux de travail et les mettre en œuvre dans des dynabots géomagnétiques de forme libre". Il ajoute : "Koester et ses employés ont une grande expérience dans la fabrication de moules, la modélisation avec Geomagic Freeform et l'impression 3D. Lorsque nous sommes bloqués, Koester sait toujours comment atteindre notre objectif efficacement. Et ils nous soutiennent dans nos mémoires de licence et de maîtrise".

Combler le fossé entre l'artisanat et la numérisation

Matyssek résume : "Geomagic Freeform est un outil vraiment puissant qui offre tout le degré de liberté dont nous avons besoin pour modéliser. Le dispositif haptique Touch offre un retour d'information et comble le fossé entre l'artisanat traditionnel et un modèle numérique. Les dynabots Geomagic Freeform nous permettent de rationaliser la richesse des fonctionnalités de Geomagic Freeform afin de fournir aux utilisateurs le bon outil au bon moment". Le professeur Capanni en voit les avantages pour le patient : "Pour certaines orthèses, par exemple, il n'est pas nécessaire de faire un moulage en plâtre, car les données requises sont obtenues grâce à la technologie de numérisation 3D et sont ensuite imprimées à l'aide d'un traitement basé sur un logiciel. En outre, la numérisation permet de "construire" des géométries qui étaient jusqu'alors irréalisables et de les adapter aux souhaits personnels du patient en matière de fonction et d'esthétique. Une aide qui a déjà été conçue peut être refabriquée en appuyant sur un bouton" M. Matyssek conclut: "Les technologies numériques ne remplaceront pas les techniques que nous utilisons aujourd'hui, mais elles les compléteront et rendront notre travail plus efficace. La normalisation contribue également à maintenir la qualité de nos produits à un niveau élevé et constant. L'impression 3D nous offre des possibilités de personnalisation totalement nouvelles. Nous travaillons à la révolution de l'industrie O&P et Geomagic Freeform est une partie importante et la base de cette révolution".

Logiciel Geomagic Freeform

Logiciel de conception 3D associé à des dispositifs tactiles qui transforme l'artisanat traditionnel en conception numérique organique pour une fabrication sur mesure