Polscy badacze we współpracy z zagranicznym zespołem pochylili się nad problemami ludzi dotkniętych ograniczeniami. Dzięki zaawansowanej inżynierii podjęli próbę poprawy standardu życia takich osób, poprzez umożliwienie im wykonywania podstawowych , które do tej pory były dla nich nieosiągalne.
W poniższej pracy skupiono się na różnych aspektach tworzenia protez oraz ich integracji z ciałami pacjentów. Najważniejszymi punktami była możliwość kontroli protezy oraz pozyskanie informacji na temat zachowania protezy podczas jej wykorzystywania. Wzięto pod uwagę również komfort użytkowania oraz sugestie współpracującego nad projektem pacjenta.
Problem do rozwiązania
Naukowcy postanowili ułatwić jazdę na rowerze osobom po amputacji kończyn górnych. Jazda na rowerze angażuje głównie dolną część ciała, jednak symetryczne trzymanie kierownicy jest niezbędne by utrzymywać prawidłową postawę ciała. Taka proteza przenosiłaby relatywnie niewielkie obciążenia, jednocześnie umożliwiając podjęcie tej aktywności. W tym przypadku komfort użytkowania stoi na pierwszym miejscu. Proteza musi więc być perfekcyjnie dopasowana, zapewniać pewny chwyt kierownicy oraz nie podrażniać miejsca połączenia z tkanką pacjenta.
Badacze postanowili wyposażyć protezę w czujniki, które dostarczając dodatkowych informacji na temat sił działających na materiał protezy podczas konkretnych ruchów. Ostatecznie całe badanie przebiegało etapami:
- Pobranie skanu
- Obróbka modelu 3D
- Dobranie czujników
- Druk protezy i obróbka wydruku
- Montaż protezy z część (czujniki + wydruk)
- Testowanie
Wybór technologii produkcji protez
Każde ciało ma swoje indywidualne parametry. Tworzenie protez musi być procesem dostosowanym pod konkretną jednostkę, w takich przypadkach jakakolwiek produkcja seryjna odpada. Największą możliwość personalizacji niesie druk 3D. Model protezy można otrzymać na kilka sposobów, przy czym najbardziej dokładnym jest technologia skanowania 3D. Ludzkie ciało charakteryzuje się symetrią dwuboczną, oznacza to, że można wiernie odwzorować model prawej połowy ciała odwracając jego lewą połowę, jak również odwrotnie. Dzięki temu można z łatwością stworzyć modele utraconych kończyn, wykorzystując ich odpowiedniki.
Współczesna technologia skanowania 3D niesie coraz więcej możliwości. Jednym z ostatnich kroków milowych w tej dziedzinie jest skanowanie 3D ciała w ruchu. Ta innowacyjne technologia jest rozwijana przez polski zespół inżynierów pod szyldem AVE3D. Wspomniany skaner nosi nazwę APIS i umożliwia pozyskiwanie dynamicznych danych na temat ludzkiego ciała. Ulepszenie skanowania o kolejny wymiar – czas – daje lepsze zrozumienie indywidualnego sposobu poruszania się pacjenta, co umożliwia, między innymi, tworzenie bardziej dostosowanych protez i skuteczniejszą rehabilitację.
Do wydruku, badacze zdecydowali się wybrać metodę FDM (Fused Deposition Modelling), która umożliwia drukowanie z termoplastycznego polimeru ABS (akrylonitryl-butadien-styren) i ten właśnie materiał został ostatecznie użyty.
Proteza do jazdy na rowerze w praktyce
Pierwszym pacjentem testującym pokazaną powyżej protezę, był 40-letni mężczyzna, od urodzenia nie posiadający jednej ręki. Dzięki technologii skanowania, badacze byli wstanie odwzorować jego anatomię i stworzyć dedykowaną protezę.
b – testy w praktyce
Pacjent użytkował daną protezę przez cały sezon rowerowy. Materiał okazał się wytrzymały i nie miał żadnych śladów zniszczeń po całym roku. Po konsultacji z pacjentem, badacze postanowili stworzyć drugi model protezy. Głównymi modyfikacjami było ograniczenie ruchomości protezy, ponieważ jazda na rowerze jest dość stateczną czynnością dla głównej partii ciała, większa sztywność w tym przypadku działałaby lepiej. Dodatkowo zmodyfikowano nieco chwytak. Zmiany zobrazowano na modelu poniżej.
A ostateczna wersja drugiego modelu wyglądała w ten sposób:
Po wydrukowaniu i osadzeniu czujników proteza prezentowała się następująco:
W ostatecznej wersji wszystkie części elektroniczne protezy zostały umieszczone wewnątrz niej, z łatwym dostępem poprzez zaprojektowane w niej otwory. Pacjent używał drugiej wersji modelu przez kolejny sezon. Dzięki czujnikom zamieszczonym w tym modelu, naukowcy mogli zebrać niezbędne informacje na temat sił i naprężeń występujących w protezie.
Wnioski i obserwacje
Najważniejszym podsumowaniem całego badania jest zadowolenie pacjenta po dwóch latach użytkowania protezy. Szczególnie drugi model umożliwiał cieszenie się z codziennej jazdy na rowerze. Zebrane dane na temat obciążenia protezy sugerują, że jest ona wystarczająco wytrzymała do codziennej aktywności. Jest to jednak wciąż prototyp, który według samych badaczy, wciąż wymaga usprawnień. Jako główne czynniki do usprawnienia wymieniają:
- Optymalizację ułożenia elektroniki – do tej pory pacjent musiał przechowywać baterię zasilającą w kieszeni. Przyszłe wersje powinny mieć do tego dedykowane miejsce.
- Odpowiednia izolacja elektroniki od warunków pogodowych – projekt protezy nie został stworzony z myślą o żadnej konkretnej klasie szczelności. Jeśli elektronika ma być chroniona, takie założenie powinno zostać spełnione. Choć nie napotkano poważnych problemów, to gorsze warunki pogodowe mogłyby wpłynąć na działanie czujników.
- Badacze dopuszczając w przyszłości integrację protezy z robotycznym chwytakiem, który byłby bardziej uniwersalny.
- W przyszłości możliwa jest również integracja czujników styku, dzięki której pacjent mógłby posiąść podstawowe „czucie” protezy. Zmniejszyłoby to konieczność ciągłej obserwacji protezy i poprawiłoby synchronizację. Wpływa to również na bezpieczeństwo pacjenta podczas aktywności, ponieważ posiada on dodatkową opcję zorientowania się w przypadku dysfunkcji protezy.
Cały proces zakończył się sukcesem, co daje dużą nadzieję na rozwój protetyki ortopedycznej w kierunku ulepszania jakości i komfortu życia osób z niepełnosprawnościami.
Zdjęcia zostały użyte za zgodą autorów publikacji.
Powyższy artykuł powstał w oparciu o pracę naukową polskich badaczy. Całość publikacji można znaleźć pod adresem:
Górski, F.; Rybarczyk, D.; Wichniarek, R.; Wierzbicka, N.; Kuczko, W.; Żukowska, M.; Regulski, R.; Pacurar, R.; Comsa, D.-S.; Baila, D.-I.; et al. Development and Testing of an Individualized Sensorised 3D Printed Upper Limb Bicycle Prosthesis for Adult Patients. Appl. Sci. 2023, 13, 12918. https://doi.org/10.3390/app132312918
