Пользователь
0,0
рейтинг
17 сентября 2014 в 15:23

Косметический протез икроножной мышцы, напечатанный на 3D-принтере

Возможно, вы уже знакомы с нашей историей создания функционального механического протеза пальцев и видели промежуточные результаты этой затеи, выросшей в отдельный проект. Недавно мой опыт создания протезов пополнился еще одним случаем, в этот раз наши скилы по 3D-сканированию, 3D-моделированию и 3D-печати нашли свое приложение в создании косметического протеза икроножной мышцы.

Потребность в уникальном косметическом протезе


Эта история началась с письма от девушки Ольги. У Ольги есть весьма экстремальное увлечение — парашютный спорт. В результате одного из прыжков при приземлении Ольга получила травму икроножной мышцы правой ноги. Теперь мышечная ткань ноги практически полностью отсутствует. Визуально это заметно, что доставляет дискомфорт девушке. По этой причине возникла потребность в создании косметического протеза. Протез должен быть максимально индивидуальным, с полным учетом всех анатомических особенностей травмированной ноги. По совету своей подруги Ольга обратилась ко мне.




Начинаем создавать косметический протез


Мы встретились с Ольгой и обговорили все детали работы. План действий выглядел следующим образом:
  • 3D-сканирование ног
  • 3D-моделирование
  • 3D-печать косметического протеза
  • Примерка

Сканирование ног


Первым делом нужно было отсканировать обе ноги: как поврежденную, так и здоровую. Для этого мы использовали сканер Artec Eva. Сканированием занимался инженер-конструктор Александр Городецкий, который и разработал корпус данного сканера. Удобно, что сканер не требует калибровки и использования маркеров. Он делает около 16 кадров в секунду, которые автоматически совмещаются. Нам требовался скан достаточно высокой точности, поэтому работа велась кропотливо, не обошлось и без повторных проходов сканером.





Даже самое тщательное сканирование не означает, что после завершения этого процесса вы получите идеальную и абсолютно готовую 3D-модель. Скан — это лишь хорошая заготовка, облако точек, над которым еще предстоит потрудиться и «собрать» твердое тело. Сканирование вместе с перерывом на кофе заняло примерно часа два.





Создание 3D-модели косметического протеза


Данный этап работы был самым трудоемким и долгим. Эту задачу взял на себя мой хороший товарищ и опытный 3D-моделер Валерий Караогланян. Перед ним стояла новая для него задача — создать из имеющихся двух облаков точек (сканы здоровой ноги и травмированной) 3D-модель косметического протеза с учетом всех пожеланий Ольги. Готовых решений этой задачи не было.
Первый шаг — твердотельное 3D-моделирование в SolidWorks.
Когда были готовы твердотельные 3D-модели обеих ног, модель здоровой ноги была отзеркалена с поправками на высоту, затем из нее «вычли» объемную модель поврежденной ноги и задали допуски для того, чтобы кожа «дышала».





Сначала идея состояла в том, что и внутренняя, и внешняя поверхности будут сетчатыми (и в какой-то момент обе поверхности такими и были). По просьбе Ольги сеткой сделали лишь внутреннюю поверхность протеза, а внешнюю оставили сплошной, что привело к дополнительным изменениям внешних частей протеза.
Для создания поверхности в виде сетки пришлось немного пожонглировать 3D-моделью из одной программы в другую. Сначала ее импортировали в ZBrush, чтобы сделать UV-развертку и создать модуль сетки, после этого в программе Photoshop сетка была наложена на развертку, затем 3D-модель снова вернулась в ZBrush. На этом этапе возникла проблема с приданием толщины, ZBrush не дает такой возможности, поэтому в процесс был вовлечен еще и 3DS Max.





Параллельно Александром Городецким велась разработка и 3D-моделирование креплений в программе SolidWorks. Когда они были готовы, их «слили» с основной 3D-моделью косметического протеза:





На создание 3D-модели, конечно, потребовалось время. То, что я описал в двух предыдущих абзацах — это краткое и поверхностное описание процесса. Дизайнеру же пришлось приложить весь свой опыт и выстроить алгоритм создания подобной 3D-модели с нуля, а это не просто. В итоге у нас на руках была полноценная, готовая к 3D-печати модель косметического икроножного протеза.

Время 3D-печати


3D-печать — это финишная прямая создания протеза. В качестве материала для 3D-печати мы выбрали белый прочный пластик PA 2200 (полиамид). Очень прочный и легкий материал отлично подошел для нашей цели — создания косметического протеза, который будет часто использоваться. Для производства объектов из этого материала применяется технология выборочного лазерного спекания (Selective Laser Sintering), когда в массе порошка лазер спекает материал в заданных местах, «выращивая» объемную модель.







Этап был волнителен: мы всей командой с нетерпением ждали, когда можно будет взять готовый протез в руки и перейти к следующему шагу — примерке.

Примерка икроножного косметического протеза


Примерка протеза, как и ожидалось, выявила как его достоинства, так и недостатки, избежать которые в первой итерации было сложно. При сборке протеза на ноге крепления сработали как надо, и сам корпус сел ровно по ноге.
Стало ясно, что необходимо использовать какой-то мягкий материал в качестве прослойки между кожей ноги и самим протезом, так как нога потеет, а текстура самого материала слегка шероховата на ощупь. Возможно, если бы внешнюю поверхность протеза оставили также сетчатой, это бы решило проблему с вентиляцией, нога бы лучше «дышала».





Примерка состоялась, пока у Ольги не было возможности активно использовать протез, так как лето было жарким. Так что основные испытания косметического протеза еще впереди.

Резюме


Это был наш первый опыт создания косметического протеза. В процессе мы сделали немало ошибок, несколько раз прошли по кругу, совершили лишние действия. Но он показал нам не только наши недочеты, но и наши возможности, многому научил, теперь мы знаем короткие пути и эффективные решения.
Самое важное мнение в этой истории — мнение Ольги. Она осталась довольна результатом, по ее словам, он оправдал ее ожидания. Она поблагодарила нас за работу и обещала делиться результатами дальнейших испытаний протеза.

Доступные возможности технологий


Примечательный момент во всей этой истории в том, что воспользоваться промышленной технологией 3D-печати, намного проще, чем могло бы показаться. Применяя профессиональное оборудование и знания, можно получить желаемый качественный объект — прототип, протез, фигурку, украшение, функциональную деталь, ракетный двигатель, да практически все, что только может прийти вам в голову.
Неудивительно, что интернет полнится статьями о том, что кто-то и где-то создал что-то при помощи 3D-печати. Также неудивительно и то, что мнения по поводу возможностей этой технологии разнятся — кто-то настроен скептически, кто-то является ярым приверженцем домашних 3D-принтеров, а кто-то не упускает возможность похоливарить на тему достоинств и недостатков аддитивных технологий. Но на мой взгляд не надо превозносить или умалять заслуги 3D-печати, надо просто использовать ее для эффективного решения задач как и любые другие технологии. Если у вас есть какие-то интересные предложения или идеи, которые вы хотели бы воплотить, добро пожаловать в комментарии, может быть, мы вместе сможем создать что-то интересное.
Василий @cantouchru
карма
20,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (36)

  • +5
    Сустав голеностопа функционален? Сухожилия остались на прежних местах?
    • –1
      Так тут же статья про протез, а не про саму травму и её последствия — это же уже более личная информация!
    • +2
      Насколько я понял, он работает, но девушка прихрамывает, так что возможно есть ограничений в функциональности.
      • 0
        Очень важный вопрос: сохранилась ли подвижность в голеностопе. То естт можно ли заново накачать икру.
        • +2
          Нет, я уточнил этот момент. Икроножную мышцу заново накачать нельзя, потому что на не просто повреждена, она удалена.
  • +2
    Внутри пластик тоже жёсткий или немного прогибается за счёт сетки? Не мешает ли протез ходьбе? Я просто не очень понимаю, что происходит при напряжении-расслаблении мышц.
    • 0
      Пластик немного прогибается под давлением, тут и сам материал играет роль, и сетчатая структура способствует. Ходьбе немного мешает за счет того, что это все-таки твердый материал, но к этому можно привыкнуть. Плюс можно еще при необходимости доработать.
  • 0
    Я всё ждал, когда протез будут имплантировать — почему-то казалось, что это должна быть какая-то подкожная вставка.
    • +2
      Инвазивные решения так на коленке не собрать.) Тут несколько лет на разработку и исследования нужно потратить, а по стоимость мне даже представить сложно.
  • +1
    потрясающий результат! готовое коммерческое решение! :)
    • +1
      Ну еще не до конца готовое, но задел уже хороший.) Если есть интерес к этой теме, то можем обсудить.
  • 0
    Когда начал читать статью, то ожидал использование материалов типа NinjaFlex и подобных. Чем был обусловлен выбор материала в пользу PA 2200? Рассматривался ли вариант «резиноподобного» материала?
    • 0
      Да, конечно, такой вариант рассматривали. Но если говорить про NinjaFlex, то он нам тут точно не подойдет, потому что сделать изделие такого размера и с такой точностью по FDM технологии весьма проблематично. Следовательно мы выбрали технологию SLS, у которой также есть гибкий материал PrimePart ST (PEBA 2301), но его закупка и смена в машине нам обойдется дорого, и мы пока не готовы его использовать при таких малых объемах. Надеюсь, в ближайшее время мы сможем собрать достаточно запросов на этот материал, чтобы переход на него был экономически целесообразным и запустим и это направление.
      • +1
        В большинстве FDM принтеры масштабируемые по осям, особенно те которые RepRap, в вашем конкретном случае достаточно увеличить ход по оси Y.
        Немного не понял насчет точности, так как высота слоя 0.1мм (можно и 0.05 мм) вполне ок. единственное в чем FDM уступают в этом случае SLS — это в необходимости в поддержках для печати и доработках (чистке) модели после печати.
        • +1
          Да, согласен, есть и большие принтеры и возможности по масштабированию самосборных принтеров. Но по момему опыту, промышленные принтеры с задачами справляются гораздо лучше. Мы сейчас на FDM большие детали вообще не запускаем, потому что большой процент брака, детали то отслаиваются, то заваливаются или их ведет при остывании. А с NinjaFlex мы намучились, пока добились более-менее нормального результата на простом браслете, а такое изделие вообще страшно запускать.) Если у вас есть более положительный опыт и вы готовы им поделиться, то с удовольствием с вами пообщаюсь и посотрудничаю.
  • +3
    Почему не использовали простые полимерные материалы для создания форм? Ставим здоровую ногу в ведро, заливаем силиконом, он застывает, вынимаем ногу, получаем негатив здоровой ноги. Вставляем вторую ногу в негатив здоровой и заливаеи силиконом поплотнее. В итоге получаем фигуру равную трехмерной разнице двух ног, которую можно налепить на больную ногу. Так не проще?
    • 0
      Да, такой вариант мы, конечно, в первую очередь рассмотрели, но тут есть пара нюансов:
      1. Силикон очень плотный и совсем не позволит ноге дышать, и такое изделие не поносишь каждый день. А как сделать его сетчатым мы не придумали, если есть идеи, буду признателен.
      2. Есть у меня одна большая мечта, которая порой сподвигает меня идти не самым простым путем. Заключается она в том, чтобы поскорее внедрить в нашу жизнь цифровое производство и избавить людей от необходимости ручного труда. Когда первый протез в результате эксплуатации придет в негодность, нам не придется проходить все сложные процедуры повторно, достаточно будет просто снять пару основных размеров, если нога стала больше или, наоборот, похудела, подогнать под эти размеры текущую модель и запустить в печать. Девушке даже не придется никуда приезжать, она получит свой новый протез с курьером в течении недели.
      • 0
        отзеркаливаем?
        • +1
          Извините, не понял вопроса.
          • +3
            Это вы меня извините — уровнем ошибся. Хотел написать предыдущему комментатору, что слепок здоровой ноги пришлось бы каким-то образом переводить в зеркальное отражение, а это в нецифровых технологиях не так очевидно.
    • 0
      не туда написал
    • +1
      Ох уж эти советчики у которых всё «так просто», Сергей Юрьевич Беляков одобряет.
      У вас есть практический опыт отливки хоть чего-нибудь? Сколько этой девушке стоять до полной полимеризации силикона по колено в холодной массе? Как разделять поверхность ноги, чтобы не повредить кожу? Представляете сколько будет весить монолитная икра из силикона?
      • 0
        Стоять минут 5, масу можно нагреть. Для разделения есть куча смазок
        • 0
          Да, есть быстро застывающий силикон, видел как с ним работают. Но вот как сделать что бы кожа под ним дышала, мы так придумать и не смогли.
          • +1
            Сделать из силикона поплотнее и дырок насверлить? Хотя главная проблема здесь в другом. Как заметили выше, надо еще сделать зеркальное отображение здоровой ноги, а с формочками это не так просто.
            • 0
              С плотным силиконом меня смущает вопрос веса, да и слишком много дырок в силиконе плохо скажуться на его прочности, все таки у полиамида выше прочность сетчатых структур. Может у вас есть опыт работы с каким-то конкретным силиконом, который хорошо бы подошел для решения данной задачи?
  • 0
    Чудно, а пластик биосовместим с тканями полости рта? Он что-нибудь выделять вредное способен?
    • +2
      Да, пластик полностью биосовместим по европейским нормам, вот информация с сайта производителя оборудования и расходных материалов:
      • bio compatible according to EN ISO 10993-1 and USP/level VI/121 °C
      • approved for food contact in compliance with the EU Plastics Directive 2002/72/EC (exception: high alcoholic foodstuff)
  • +1
    Возможно, есть одна проблема. Как видно из фото, верхняя задняя часть протеза заканчивается чуть ниже сгиба колена.
    В мае моего друга сбила машина, и он ходил с гипсом на ноге. Часть гипса сзади, которая не давала ноге сгибаться, отломалась, и он смог сгибать ногу. Слом был примерно на том же уровне, что и ваш протез. Так вот, через некоторое время, от постоянного давления края гипса (когда нога согнута) под коленом появился пролежень. С гноем и прочими неприятностями.
    • 0
      Да, мы такой момент уже обсуждали, будем следить за этим внимательнее. Но это первая ласточка, в дальнейшем будем учитывать все ошибки из первого раза и вносить корректировки.
  • +1
    Молодцы ребята, я в вас всегда верил, удачи в будущих проектах.
    • 0
      Спасибо, будем стараться и дальше. Заходи в гости, я тебе еще много чего нового покажу.)
  • +1
    Мне кажется в протезе можно установить вентилятор для обдува.
    • 0
      Или сделать внешний слой чуть толще, но снабдить его порами (щелями), обращенными не нормально к поверхности, а вниз под углом. Тогда при взгляде сверху насквозь их видно не будет.
      • 0
        Да, такая мысль была, но девушка попросила убрать сетку на внешней части, может быть еще вернемся к этому варианту и попробуем поиграть с разными вариантами, благо технология позволяет реализовать любую геометрию.
    • +1
      А сколько может весить полный комплект, вентилятор плюс питание? Мне кажется, что из-за лишнего веса протез будет приносить неудобства.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.