Войти
  • Главная
  • Блог
  • Автоматизированное проектирование (CAD) и автоматизированное производство (CAM) в протезировании и ортезировании

Автоматизированное проектирование (CAD) и автоматизированное производство (CAM) в протезировании и ортезировании

13.06.2025
12 просмотров
Вопросы и комментарии

Введение

Область протезирования и ортопедии (P&O) использует широкий спектр методов для предоставления пациентам индивидуальных устройств. Подобно тому, как термопласты произвели революцию в области, в основном, основанной на резьбе по дереву, работе с кожей и гибке металла[1], цифровизация представила новую стратегию для изготовления.

Диагностическая 3D-печать. С любезного разрешения Ascent Fabrication

Компьютерное проектирование и компьютерное производство (CAD/CAM) — это обобщающий термин для многих технологий, которые используют компьютерное программное обеспечение для проектирования и производства как прототипов, так и окончательных устройств. В P&O, технологии CAD/CAM включают:

  • 3D сканеры
  • Программное обеспечение для 3D визуализации
  • Программное обеспечение CAD
  • Программное обеспечение для нарезки
  • 3D резцы или субтрактивное производство (SM)
  • 3D принтеры или добавочное производство (AM)

История

CAD/CAM был представлен в P&O более трех десятилетий назад. Один из первых отчетов о CAD/CAM, опубликованный в 1985 году, описывал “пакет программного обеспечения” для производства транстибиальных гильз (socket)[2]. Второй автор данного публикации разработал Vorum, первую и самую долго существующую компанию CAD/CAM, ориентированную на P&O. Vorum изначально концентрировалась на 3D резчиках, которые используют фрезерный станок для резки блока из пены на основе CAD-рисунка[3].

Первые попытки 3D-печати в специфичных для P&O приложениях были зафиксированы в начале 1990-х, приблизительно через десятилетие после первой опубликованной патентной заявки на любую технологию 3D-печати. Эти исследования описывали изготовление транстибиальных гильз (socket) с использованием стереолитографии (SLA) и моделирования с плавлением (FDM) с помощью принтера Squirt-Shape™.[4]

Распространение технологий CAD/CAM в P&O увеличилось за последние десятилетия с появлением новых сканеров, программного обеспечения для модификации, 3D резчиков, 3D принтеров и материалов для печати. Хотя многие рассматривают 3D-сканирование и печать как способ снизить затраты и увеличить доступ к P&O-устройствам, CAD/CAM не всегда является синонимом низкой цены.[5]

Текущая литература указывает на устойчивое увеличение использования технологий CAD/CAM, но не до такой степени, чтобы полностью вытеснить традиционные методы. Исследование 2021 года указывает на возросший интерес к CAD/CAM со стороны как развитых, так и развивающихся стран. Тем не менее, развивающиеся страны сталкиваются с проблемами при внедрении, такими как доступность, ресурсы, квалифицированные специалисты и пробелы в знаниях.[6] В Соединенных Штатах анализ практики 2022 года показывает, что 30% протезов включают CAD/CAM, что увеличилось с 23% в исследовании 2015 года[7]. В сравнении с протезами, ортезы, изготовленные с использованием CAD/CAM, внедряются в отрасль более медленно. Однако они показывают перспективы в плане комфорта, биомеханических преимуществ и оптимизированных свойств материалов.[8]

Текущие приложения

В настоящее время технологии CAD/CAM используются для изготовления всевозможных диагностических и окончательных устройств, включая:

  • Протезы нижних конечностей
  • Протезы верхних конечностей
  • Индивидуальные протезные покрытия
  • Ортезы нижних конечностей
  • Ортезы верхних конечностей
  • Корсеты для сколиоза
  • Другие спинальные ортезы
  • Ортезы для коррекции черепа (CROs)

Процесс

Процесс создания протеза или ортеза с использованием CAD/CAM можно разделить на три части:[9]

  1. Снятие формы
  2. Коррекция
  3. Изготовление

Чтобы специалист мог включить CAD/CAM в свою практику, ему не обязательно использовать все три части процесса. Например, протезист может подогнать диагностическую гильзу, напечатанную на 3D-принтере, сделанную на основе сканирования модифицированной гипсовой модели. Ортопед или техник может формовать пластик (используя традиционные методы) на вырезанной из пенопласта модели для корсета для сколиоза.

Снятие формы

Для создания изображения конечности или анатомической особенности пациента можно использовать несколько типов сканеров. Две наиболее часто используемые технологии в ортопедии и протезировании – это:

  1. Сканеры структурированного света (например, Structure Sensor)
  2. Лазерные 3D-сканеры или LiDAR (например, Comb O&P)

Некоторые из них используются независимо как ручной или стационарный сканер, а некоторые работают в сочетании с iPhone, iPad или другим устройством.

[10]

Несколько исследований подтвердили надежность снятия формы конечности по сравнению с традиционными методами.[11] [12][13][14]

Коррекция

Чтобы скан превращён в печатный протез или ортез, его необходимо модифицировать с использованием CAD-программного обеспечения. В то время как существуют программы, специфические для ортопедии и протезирования, для цифровых модификаций, некоторые используют другие программы, такие как Autodesk Meshmixer, Autodesk Fusion 360, Dassault Systemes SolidWorks и др.

Существует несколько платформ для выполнения модификаций, включая:

  • Пакеты программ, приобретённые по подписке
  • Облачное программное обеспечение через интернет-браузер
  • Приложение для телефона или планшета
[15]

Перед отправкой модифицированного скана на печать или резку файл должен быть подготовлен для конкретной производственной технологии. Для 3D-печати этот процесс обычно называется "слайсинг".[16] Это иногда можно выполнить в той же CAD-программе для модификаций, но, как правило, файл дизайна сохраняется как .stl или .obj файл и импортируется в отдельное программное обеспечение для слайсинга.

Изготовление

Существует множество различных технологий 3D-печати, но три из них преимущественно используются в ортопедии и протезировании:[17]

  1. Моделирование методами послойного наплавления (FDM)
  2. Выборочное лазерное спекание (SLS)
  3. Печать с использованием порошкового слоя и печатной головки (3DP)

Выбранный принтер, свойства печати и материал определяют конечные свойства протеза и ортеза.

Систематический обзор Кима и др. сообщает, что транстибиальные гнезда, изготовленные с помощью 3D-печати, показывают перспективы в качестве окончательных гнёзд на основе методов тестирования по стандартам ISO.[18]

[19]
[20]
[21]

Клиническое влияние

В опросе 250 специалистов по ортопедии и протезированию на международном уровне 97% сообщили, что внедрение CAD/CAM положительно влияет на уход за пациентами и результаты лечения. Однако 98% отметили, что CAD/CAM еще не до конца понятна клиницистам в области ортопедии и протезирования.[22] Трудно определить клиническое влияние CAD/CAM из-за отсутствия стандартизации и установленного рабочего процесса.[23]

Эффективность

Исследования показывают, что цифровой рабочий процесс имеет потенциал для повышения эффективности изготовления.[9] Одним из преимуществ является возможность сохранять оттиск или шаблон на компьютере вместо хранения в лаборатории. Это позволяет дублировать устройства и быстро сравнивать сканы (например, остаточная конечность пациента через год после ампутации по сравнению с тремя месяцами после ампутации).

Протезы нижних конечностей

Клиницисты, которые колеблются включать 3D-печатные протезы нижних конечностей, зачастую задаются вопросом о общей прочности и долговечности 3D-печатных частей для протезов нижних конечностей.[18][9] Согласно систематическому обзору, в настоящее время невозможно напрямую сравнить прочность 3D-печатной гильзы с традиционной ламинированной углеродной гильзой с помощью существующих методов тестирования. Однако прочность 3D-печатных гильз показывает перспективы для использования в окончательных протезах. Рекомендуемые стратегии дизайна для усиления прочности включают усиление дистального конца и/или использование композиционных филаментов.[18]

Одно исследование показало, что голеностопные гильзы, произведенные с помощью CAD/CAM, обеспечили лучшее качество жизни, чем те, которые были изготовлены традиционными методами.[24]

Некоторые группы пытаются использовать CAD и 3D-печать для улучшения доступа к ортопедии и протезированию по всему миру. Одна группа определила метод обеспечения 3D-печатными протезами пациентов в Сьерра-Леоне для решения нерешенной проблемы мирового здравоохранения.[25] Другая группа утверждает, что 3D-печать позволяет использовать недорогие материалы и быстрое прототипирование для увеличения доступа к протезам.[6]

Протезы верхних конечностей

Большинство исследований, анализирующих CAD/CAM для протезов верхних конечностей (UL), сосредоточены на педиатрии. 75% протезов, разработанных для детей, изготавливались с использованием FDM. Обзор 3D-печатных UL протезов показал, что доказательства в отношении долговечности, функциональности и приемлемости пользователями отсутствуют.[5]

Ортезы нижних конечностей

Одно исследование показало, что голеностопно-ступневые ортезы (AFOs), произведенные с помощью аддитивного производства (AM), сопоставимы по параметрам пространства-времени с традиционными AFOs. В обзоре отмечается, что только одно из одиннадцати исследований проводило испытания на долговечность и что размеры выборок и качество исследований были в целом низкими.[8]

3D-сканирование и аддитивное производство (AM) приобрели популярность, особенно в производстве ортезов для стоп. Систематический обзор Дарьябура и соавт. сообщает, что ортезы для стоп могут улучшить комфорт и биомеханику для людей с плоскостопием, но не указывает на статистическую разницу с теми, которые изготавливаются традиционными методами.[26]

Ортезы верхних конечностей

Кастомные 3D-печатные ортезы показывают перспективы для стабилизации верхней конечности у людей с мускулоскелетными заболеваниями. Преимущества в этой области включают улучшенную эстетику и возможность создавать легкие, хорошо вентилируемые ортезы. Текущие барьеры для внедрения включают отсутствие подготовки, навыков и высокую стоимость установки для клиницистов, предоставляющих ортезы UL.[27]

Спинальные ортезы/Бандажи для сколиоза

Система CAD/CAM используется для изготовления спинальных ортезов более двух десятилетий. Первая центральная фабрика, внедрившая CAD/CAM для сколиоза, в настоящее время имеет более 6000 вырезанных шаблонов пациентов. Они отмечают следующие преимущества сканирования для создания бандажей для сколиоза по сравнению с традиционным методом формовки: [28]

  • уменьшение времени и беспорядка
  • точные измерения
  • исключение затрат и времени на доставку

3D-печатные ортезы для коррекции сколиоза относительно новее в данной области, чем сканирование, цифровая ректфикация и резка. В рандомизированном контролируемом исследовании 2022 года сравнивалась эффективность 3D-печатных ортезов с традиционными ортезами для лечения идиопатического сколиоза у подростков (AIS). Обе группы имели сопоставимую коррекцию в ортезе и уменьшение угла через два года. В этом исследовании также сообщается, что ортопед потратил на 4,8 часа меньше на проектирование и изготовление 3D-печатных ортезов. [29]

Потенциальные применения

  • Гибридные материалы
    • например: использование углеволоконных филаментов для повышения прочности деталей[18]
  • Текстурированные поверхности
    • например: добавление ребер внутри протезной гильзы для уменьшения вращения относительно остаточной конечности[30]
  • Параметризованные дизайны[31]
    • например: пользовательские протезные ступни, автоматически разработанные на основе их роста, веса, характеристик ходьбы, уровня активности и т.д.
  • Механическая оптимизация деталей[23]
    • например: использование анализа конечных элементов для определения оптимальных форм для печати

Ресурсы

Ссылки

  1. ↑ Condie DN. Современная эра ортезов. Протезирование и ортопедия интернационально. 2008 Сен;32(3):313-23.
  2. ↑ Dean D, Saunders CG. Программный пакет для проектирования и производства протезных гнезд для пациентов с ампутацией голени. Труды IEEE по биомедицинской инженерии. 1985 Апр(4):257-62.
  3. ↑ Vorum Research Corp. О нас - CAD CAM для протезирования и ортопедии. Доступно с: https://vorum.com/about/ (доступно 17 Окт 2022).
  4. ↑ Rogers B, Bosker GW, Crawford RH, Faustini MC, Neptune RR, Walden G, Gitter AJ. Продвинутое изготовление гнезда для протеза голени с помощью селективного лазерного спекания. Протезирование и ортопедия интернационально. 2007 Мар;31(1):88-100.
  5. ↑ 5.0 5.1 Ten Kate J, Smit G, Breedveld P. Печатанные на 3D-принтере протезы верхних конечностей: обзор. Инвалидность и реабилитация: вспомогательные технологии. 2017 Апр 3;12(3):300-14.
  6. ↑ 6.0 6.1 Silva K, Rand S, Cancel D, Chen Y, Kathirithamby R, Stern M. Трехмерная печать (3-D): экономически эффективное решение для улучшения глобальной доступности к протезам. PM&R. 2015 Дек 1;7(12):1312-4.
  7. ↑ American Board for Certification in Orthotics, Prosthetics & Pedorthics. Практический анализ сертифицированных практиков в областях ортопедии и протезирования. Доступно на: https://www.abcop.org/publication/section/practitioner-practice-analysis/results-related-to-professional-background-work-setting-and-demographic-information-22 (дата обращения 17 окт 2022).
  8. ↑ 8.0 8.1 Wojciechowski E, Chang AY, Balassone D, Ford J, Cheng TL, Little D, Menezes MP, Hogan S, Burns J. Физическая возможность разработки, производства и доставки напечатанных на 3D-принтере ортезов для стопы и голеностопа: систематический обзор. Journal of foot and ankle research. 2019 Дек;12(1):1-2.
  9. ↑ 9.0 9.1 9.2 Ngan CC, Sivasambu H, Kelland K, Ramdial S, Andrysek J. Понимание внедрения цифровых рабочих процессов в практике ортопедии и протезирования с точки зрения практикующих: качественное описательное исследование. Prosthetics and Orthotics International. 2022 Май 3:10-97.
  10. ↑ oapl. TechMed 3D Сканирование для индивидуальных ортезов. Доступно на: https://www.youtube.com/watch?v=2ayxcjK_Qfc [последний доступ 25/10/2022].
  11. ↑ Kofman R, Beekman AM, Emmelot CH, Geertzen JH, Dijkstra PU. Измерительные свойства и удобство сканеров бесконтактного типа для измерения объема культи транс-тибиальной ампутации
  12. ↑ Dickinson AS, Donovan-Hall MK, Kheng S, Bou K, Tech A, Steer JW, Metcalf CD, Worsley PR. Выбор подходящих технологий 3D-сканирования для проектирования протезной гильзы и характеристики формы голени после ампутации. JPO: Journal of Prosthetics and Orthotics. 2022 Jan 1;34(1):33-43.
  13. ↑ Powers OA, Palmer JR, Wilken JM. Надежность и валидность 3D-сканирования конечностей для подбора голеностопного ортеза. Prosthetics and Orthotics International. 2022 Feb 1;46(1):84-90.
  14. ↑ Sanz-Pena I, Arachchi S, Curtis-Woodcock N, Silva P, McGregor AH, Newell N. Получение геометрии туловища пациента для проектирования корсетов при сколиозе. Исследование точности и повторяемости портативных 3D сканеров. Prosthetics and Orthotics International. 2022 May 3:10-97.
  15. ↑ Momentum Health Technologies. Создание модели AFO за 3 минуты с использованием Canfit Macro. Доступно по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=mcRjb-AOqfQ [последнее обращение 20/10/2022].
  16. ↑ All3DP. Что такое 3D Slicer? Доступно по ссылке: https://all3dp.com/2/what-is-a-3d-slicer-simply-explained/#:~:text=A%20slicer%20is%20a%20program,speed%2C%20and%20support%20structure%20settings. (дата обращения 25 Oct 2022).
    17. Barrios-Muriel J, Romero-Sánchez F, Alonso-Sánchez FJ, Salgado DR. Достижения в области производства ортезов и протезов: обзор технологий. Materials. 2020 Jan 9;13(2):295.
  17. ↑ 18.0 18.1 18.2 18.3 Kim S, Yalla S, Shetty S, Rosenblatt NJ. 3D-печатные протезные гильзы для голени: систематический обзор. PloS one. 2022 Oct 10;17(10):e0275161.
  18. ↑ Spentys. Spentys - Производственный процесс (Субтитры). Доступно из: https://www.youtube.com/watch?v=C051VD67Spg [последний доступ 25/10/2022].
  19. ↑ Additive America. Обзор 3D-печатной гильзы для голени. Доступно из: https://www.youtube.com/watch?v=OqPq9iQ-zjA [последний доступ 25/10/2022].
  20. ↑ Vorum. 3-х осевой резак | Vorum. Доступно из: https://www.youtube.com/watch?v=HhMxYISSqWY [последний доступ 25/10/2022].
  21. ↑ Dimensional Research. ТЕНДЕНЦИИ В CAD/CAM ДЛЯ О&П - Опрос специалистов в области ортезов и протезов. Доступно из: https://vorum.com/wp-content/uploads/2020/05/Trends-in-CADCAM-for-OP.pdf (доступ 10 Nov 2022).
  22. ↑ 23.0 23.1 Wang Y, Tan Q, Pu F, Boone D, Zhang M. Обзор применения аддитивного производства в клиниках протезирования и ортезирования с биомеханической точки зрения. Engineering. 2020 Nov 1;6(11):1258-66.
  23. ↑ Karakoç M, Batmaz I, Sariyildiz MA, Yazmalar L, Aydin A, Em S. Гильзы, изготовленные методом CAD/CAM, оказывают положительное влияние на качество жизни пациентов с ампутацией голени. American journal of physical medicine & rehabilitation. 2017 Aug 1;96(8):578-81.
  24. ↑ van der Stelt M, Grobusch MP, Koroma AR, et al. Группа исследователей 3D-печати протезов. Первые низкостоймостные 3D-печатные протезы для голени для сельской местности в Сьерра-Леоне – обсервационное когортное исследование. EClinicalMedicine. 2021 May 1;35:100874.
  25. ↑ Daryabor A, Kobayashi T, Saeedi H, Lyons SM, Maeda N, Naimi SS. Эффект 3D-печатных стелек для людей с плоскостопием: систематический обзор. Assistive Technology. 2022 Aug 21:1-1.
  26. ↑ Schwartz DA, Schofield KA. Использование 3D-печатных ортезов для мышечно-скелетных состояний верхних конечностей: систематический обзор. Journal of Hand Therapy. 2021 Nov 21.
  27. ↑ Spinal Tech. Точное посадка и изготовление с использованием передовых технологий. Доступно из: https://spinaltech.com/resources/exacting-fit-fabrication-through-the-use-of-advanced-technology (доступ 10 Nov 2022).
  28. ↑ Lin Y, Cheung JP, Chan CK, Wong SW, Cheung KM, Wong M, Wong WC, Cheung PW, Wong MS. Рандомизированное контролируемое исследование для оценки клинической эффективности 3D-печатных ортезов в лечении подросткового идиопатического сколиоза. Spine. 2022 Jan 1;47(1):13-20.
  29. ↑ Quinlan J, Subramanian V, Yohay J, Poziembo B, Fatone S. Использование механических испытаний для оценки текстурирования протезных гильз с целью улучшения подвески в поперечной плоскости и уменьшения вращения. PloS one. 2020 Jun 11;15(6):e0233148.
  30. ↑ Prost V, Johnson WB, Kent JA, Major MJ, Winter AG. Биомеханическая оценка ходьбы по ровной поверхности пользовательских протезных стоп, разработанных с использованием структуры ошибки траектории нижней конечности. Scientific reports. 2022 Mar 29;12(1):1-5.

Вопросы и комментарии