Cual es la A Multigrasp Hand Prosthesis for Providing precision and Conformal Grasps.pdf

Additive   manufacturing   of   custom  orthoses   and  prostheses—A    review

Abstract:

Este estudio revisa el progreso del uso de la fabricación de aditivos (AM las siglas del inglés additive manufacturing) para órtesis y prótesis personalizadas (O & P) en los últimos 25 años. Las órtesis de pie (FOs), las órtesis de tobillo-pie (AFOs) y las bases protésicas son los tipos más comunes de O & P que se fabrican a la medida. Una breve introducción al yeso tradicional, técnicas de fabricación de molduras para O & P personalizados para FO, AFO, y bases protésicas, seguido por el proceso AM. Se revisan los estudios previos sobre AM de FOs, AFOs y encajes de prótesis. Aplicaciones de AM para otros tipos de O & P también se presentan. Por último, las tendencias y desafíos futuros para la adopción de AM.
Para la fabricación de O & P en los ajustes clínicos se discuten.

Introducción:

Las ortesis y las prótesis (O & P) son dispositivos de soporte que ayudan a las personas con discapacidades. Las ortesis, coloquialmente conocidas como refuerzos, sostienen y modifican las características estructurales y funcionales de los sistemas neuromuscular y musculoesquelético humano. Para los pacientes con impedimentos que contribuyen a las limitaciones funcionales, las órtesis se utilizan para aplicar fuerzas en el cuerpo para las necesidades biomecánicas. Las prótesis son dispositivos que reemplazan las partes del cuerpo que faltan, como una prótesis de mano. La porción restante de la extremidad se conoce como la extremidad residual. El encaje protésico es una estructura en forma de copa que se ajusta alrededor de la extremidad residual de los amputados y transfiere la carga mecánica desde el amputado hasta la prótesis. El encaje es fundamental para el confort y la función de los usuarios de prótesis.

O & P son nombrados de acuerdo a la articulación y el miembro involucrado. La nomenclatura para la mayoría de O & P común se enumeran en la Tabla 1 [1]. Ejemplos de ortesis de pie (FO) y ortesis tobillo-pie (AFO) se ilustran en la Fig. 1. Existe una creciente necesidad de O & P debido al envejecimiento de la población, los veteranos heridos en los últimos conflictos y los accidentes automovilísticos. En 2013, Medicare aprobó el pago de casi 2,4 millones de códigos ortóticos, 2,07 millones de servicios de prótesis y 5,9 millones de códigos pedóreos que representaron más de $ 734 millones, $ 664 millones y $ 255 millones, respectivamente, en gastos de Medicare [2].

Las O & P puede ser fabricadas a medida o prefabricadas. Las O & P prefabricadas son menos costosas y están fácilmente disponibles como productos fuera de la plataforma. Sin embargo, las O & P personalizadas tienen mejor cuerpo y se realizan mejor que las O & P prefabricadas. Un estudio de la atención protésica de 581 veteranos y miembros del servicio con grandes pérdidas traumáticas en las extremidades debido a la guerra de Vietnam e Irak [3] como también un estudio sobre el uso a largo plazo de prótesis de pacientes con amputación de miembros inferiores [4] Han informado que la aptitud (capacidad, conveniencia) de las O & P es el factor más importante para la satisfacción de los usuarios de O & P. Tradicionalmente, las O & P personalizados se fabrican utilizando una técnica de moldeo por yeso de intensiva técnica. La fabricación de aditivos (AM) es una tecnología ideal para la personalización masiva y proporciona la oportunidad de eliminar gran parte de este trabajo. El potencial de la AM ha sido demostrado para la rápida, rentable fabricación y servicio de transformación de las O & P personalizadas.

En las Figs. 2 (a) y (b) muestran la cantidad y los gastos de Medicare de los tipos más comunes de O & P informados por los Centros de Servicios de Medicare y Medicaid [5]. FO es el más grande en términos de cantidad (66,0%) y gastos (20,9%). AFO tiene sólo un 4,3% en cantidad, pero cuesta un 10,4% en el gasto total. Del mismo modo, AK y BK tienen un 1,3% en cantidad, pero cubren un 10,3% en el gasto total. Los porcentajes de LSO y KO en el gasto global son de 20,8% y 12,6%, respectivamente, pero la mayoría de estos dos tipos de órtesis son prefabricados y adaptados a los pacientes. En este trabajo, nos centramos en la revisión de la investigación de AM en FO, AFO, y las extremidades protésicas de extremidades inferiores (AK y BK). En las tres secciones siguientes, ofrecemos una introducción al proceso de fabricación tradicional para el O & P personalizado y luego revisar la investigación de AM para FO, AFO, y bases protésicas de extremidades inferiores, respectivamente. AM de otros tipos de O & P se discuten en la siguiente sección. Por último, se resumen las tendencias y retos futuros.

2. Fabricación tradicional y aditiva de la órtesis de pie

Los FOs se utilizan para apoyar y alinear el pie para prevenir o corregir las deformidades del pie, proporcionar una distribución uniforme del peso corporal, o para mejorar las funciones del pie. Dependiendo de la amplitud de movimiento en las articulaciones permitidas o niveles de actividad, los ortopedistas (o pedóboros) pueden prescribir tres tipos de FO: rígido, semirrígido y blando.

Para los FOs blandos hechos de material de espuma blanda, Fig. 3 muestra tres dispositivos clave para la fabricación. Una de ellas es la máquina digitalizadora de contacto basada en clavijas (figura 3 (a)) que mide el perfil de superficie plantar del pie. Profundidad de los pines en contacto con el footis medida y convertida por el software de diseño asistido por ordenador O & P (CAD) (figura 3 (b)) al perfil de la plantilla. Este perfil, después de la modificación por el ortopedista, se utiliza en una máquina de tallado CN-3 de control numérico (Figura 3 (c)) para fabricar el FO de material de etileno-acetato de vinilo (EVA) con una dureza de aproximadamente 35 Shore A. El tiempo de mecanizado de un tamaño estándar FO en el tallador CNC (de Amfit®) toma 30-60 min.

Para las FO rígidas y semirrígidas, se utilizan los procesos tradicionales de moldeo en yeso y de formación de vacío para la fabricación. Como se muestra en la Fig. 4 (a), el pie del paciente se presiona en una caja de espuma para crear una impresión negativa de la superficie plantar. Esta impresión negativa se utiliza como molde para el yeso para crear el modelo positivo del pie (Fig. 4 (b)). El modelo positivo se coloca sobre una mesa de vacío y luego se cubre con una lámina termoplástica precalentada (figura 4 (c)). El vacío se aplica para moldear la lámina termoplástica en el molde de yeso. Se añade un bloque correspondiente a un talón (Fig. 4 (d)). El material adicional alrededor de los bordes se recorta y suaviza para terminar el FO, como se muestra en la Fig. 1 (a).

La Fig. 5 muestra las etapas de fabricar el FO usando AM. En primer lugar, un escáner 3D captura la geometría 3D ya sea escaneando la impresión de la caja de espuma (figura 5 (a)) o escaneando directamente el pie del paciente. Los ortopedistas usan un software de O & P CAD (por ejemplo, Tracer® CAD de Ohio Willow Wood) para modificar la geometría, como se muestra en la Fig. 5 (b).

La geometría modificada se exporta como un archivo de estereolitografía (STL) y se transfiere a otro software (por ejemplo MagicsTM por Materialise) con la función "offset" para generar un espesor dado de una representación superficial para hacer un sólido modelo. Un bloque de talón se genera y se exporta como otro archivo STL. Estos dos archivos STL se fusionan y se crea un único archivo STL de la representación sólida del FO (figura 5 (d)). Esta representación sólida del FO se puede utilizar para AM, como se muestra en la Fig. 5 (e) para la planificación de la trayectoria de la herramienta basada en el método de modelado de deposición fundido (FDM). Un FO fabricado por FDM se ilustra en la Fig. 5 (f).

El diseño y fabricación de órtesis y prótesis personalizadas consta de tres pasos principales: captura de geometría, diseño de dispositivos y fabricación de dispositivos. Para un método de fabricación de un dispositivo dado (ya sea tradicional o AM), hay una gama de métodos de captura de geometría, incluyendo la caja de espuma (figura 4 (b)), un digitalizador de contactos con broche (figura 3 (a) (Fig. 4 (b)), la exploración óptica (figura 5 (a)), la tomografía computarizada y la resonancia magnética (figura 14 (a)). Excepto la caja de la espuma y el digitizador del contacto se utilizan más exclusivamente para medir el perfil del pie, todos los otros métodos se pueden aplicar para capturar la geometría de la mayoría de los tipos de las órtesis y de las prótesis. También se puede utilizar una combinación de múltiples métodos para lograr un mejor resultado. Cada método de captura de geometría podría ser utilizado para el tradicional o AM.

La Tabla 2 resume cronológicamente el proceso, el equipo y el material utilizados en estudios previos para AM de FO. En 2008, Pallari et al. [6] propuso un marco para la personalización masiva de FOs para la artritis reumatoide y demostró que los FOs aditivos fabricados pueden efectivamente redistribuir la presión sobre el arco y el talón. Saleh y Dalgarno [7] realizaron un análisis de costo y beneficio comparando dos procesos AM, FDM y sinterización láser selectiva (SLS), para FO. El coste estimado para fabricar aditivamente un par de FO es comparable al costo utilizando la técnica tradicional de moldeo en yeso. Sun et al. [8] utilizó una técnica de impresión en 3D (PolyJet®) para AM de plantillas de zapato para 50 sujetos sanos y mostró un descenso del 5% en la presión del talón y del antepié y un aumento del 5% en la presión sobre el arco del pie. En este estudio, todos los pies de geometría se obtuvieron mediante un escáner 3D en las condiciones de carga sin peso. Cook Et Al(autor) Utilizó varios procesos AM para fabricar revestimientos duros de FOs personalizados para pie deforme y un modelo positivo de la capa interna blanda. Este modelo positivo se utilizó para fabricar un molde de silicona negativo para moldear la espuma de poliuretano (PU) como la capa interna blanda para el FO (figura 7 (a)).

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