Компьютерное проектирование и производство (CAD/CAM) уже более трех десятилетий является частью ортопедии и протезирования (O&P). То, что начиналось как экспериментальный подход к проектированию гнезд, превратилось в мощный цифровой рабочий процесс, используемый в клиниках по всему миру.

Сегодня такие технологии, как 3D-сканирование, программное обеспечение для цифровой модификации, резьба с ЧПУ и аддитивное производство, меняют подходы врачей к проектированию и производству протезов и ортопедических устройств.

Истоки CAD/CAM в протезировании

Один из первых отчетов о CAD/CAM в протезировании появилась в 1985 году. В исследовании описывалась программная система, используемая для цифрового проектирования транстибиальных протезных гнезд.

Эта ранняя работа помогла вдохновить на разработку специализированных цифровых инструментов O&P. Одним из пионеров в этой области была Vorum, которая стала одной из первых компаний, специализирующихся исключительно на цифровых системах изготовления протезов.

Ранние системы CAD/CAM использовали 3D-резные станки. Эти машины вырезали модели из пенопласта на основе цифрового дизайна. Затем техники ламинировали или формовали пластик на вырезанной модели, используя традиционные методы изготовления.

Ранние эксперименты с 3D-печатью

Первые попытки использовать 3D-печать в протезировании появились в начале 1990-х годов. Исследователи экспериментировали с такими технологиями, как стереолитография (SLA) и моделирование методом наплавления (FDM).

Эти ранние проекты исследовали, можно ли создавать транстибиальные гнезда непосредственно из цифровых файлов.

В то время технология все еще была ограничена. Принтеры работали медленно, а материалы были простыми. Однако эти эксперименты продемонстрировали потенциал аддитивного производства для персонализированных протезных устройств.

Рост цифровых технологий в O&P

За последние два десятилетия цифровые инструменты стали все более распространенными в протезной и ортопедической практике.

В настоящее время в клиниках используется ряд технологий, в том числе:

• ручное 3D сканеры

• программное обеспечение для цифровой коррекции

• станки для резки пенопласта

• 3D-принтеры

• современные материалы для печати

Несмотря на этот прогресс, цифровые рабочие процессы не заменили традиционные методы производства. В большинстве клиник используются гибридные рабочие процессы , которые сочетают цифровое проектирование с традиционными технологиями производства.

Применение CAD/CAM в ортопедии и протезировании

Сегодня технологии CAD/CAM используются для производства широкого спектра устройств.

К ним относятся:

• нижние конечности протезы

• протезы верхних конечностей

• индивидуальные протезные чехлы

• ортезы голеностопного сустава (AFO)

• ортезы верхних конечностей

• корсеты для сколиоза

• ортезы для позвоночника

• краниальные повторное формование ортезов

Цифровой дизайн позволяет врачам создавать более индивидуальные решения, сохраняя при этом стабильное качество производства.

Объяснение цифрового рабочего процесса

Рабочий процесс CAD/CAM обычно включает три основных этапа.

Захват формы

Первый шаг — получение анатомических данных пациента с помощью цифрового сканера.

Две распространенные технологии, используемые в O&P, включают:

• сканеры структурированного света

• лазерные сканеры (LiDAR)

Современные сканеры могут быть ручными или подключенными к мобильным устройствам такие устройства, как планшеты и смартфоны.

Цифровое сканирование устраняет необходимость в гипсовой повязке и повышает комфорт пациента.

Цифровая ректификация

После того, как форма конечности фиксируется, врачи изменяют модель с помощью программного обеспечения CAD.

Этот процесс позволяет практикующим врачам:

• регулировать области давления

• add зоны рельефа

• оптимизировать геометрию устройства

На этом этапе обычно используется специализированное программное обеспечение для эксплуатации и ремонта. Некоторые врачи также используют инженерные программы, такие как Autodesk Fusion 360 или SolidWorks.

Измененный проект затем экспортируется в виде файла формата, такого как STL, перед производством.

Изготовление

Заключительный этап — изготовление. Это может включать как традиционные, так и цифровые методы производства.

Общие варианты изготовления включают:

• Резьба по пенопласту с ЧПУ

• вакуумная формовка

• прямая 3D-печать

Три технологии аддитивного производства широко используются в эксплуатации и добыче:

• моделирование наплавлением (FDM)

• селективное лазерное спекание (SLS)

• порошковая печать

Выбор принтера и материала определяет окончательную прочность, гибкость и долговечность устройства.

Клиническое влияние CAD/CAM

Опросы врачей O&P показывают сильную поддержку цифровых рабочих процессов. В одном международном опросе 97 процентов практикующих врачей сообщили, что CAD/CAM улучшили уход за пациентами.

Однако многие врачи также считают, что цифровые технологии все еще плохо понимаются в профессии. Обучение и стандартизация остаются важными задачами.

Цифровые рабочие процессы могут повысить эффективность несколькими способами.

Например:

• сканы конечностей можно хранить в цифровом виде

• устройства можно быстро воспроизводить

• изменения конечностей можно отслеживать с течением времени

Эта цифровая запись позволяет врачам Сравните изменения объема конечностей через месяцы или годы после ампутации.

Протезы нижних конечностей

Использование 3D-печати для протезных гильз растет. Однако некоторые врачи сохраняют осторожность.

Общая проблема заключается в том, могут ли напечатанные розетки соответствовать прочности гнезд с углеродным ламинированием.

Текущие исследования показывают, что напечатанные розетки имеют большой потенциал для окончательного использования. Усиление участков с высокой нагрузкой или использование композитных материалов может повысить долговечность.

Некоторые исследования также показывают, что гильзы, разработанные в цифровом формате, могут улучшить комфорт пациента и качество жизни.

Приложения для ортопедии

CAD/CAM также набирает популярность в изготовлении ортопедических изделий.

3D-печатные ортезы могут предложить несколько преимуществ:

• улучшение вентиляция

• более легкие конструкции

• регулируемая жесткость

• улучшенная эстетика

Цифровые рабочие процессы особенно распространены при производстве ортезов стопы.

Исследования показывают, что ортезы, изготовленные с помощью цифровой технологии, могут обеспечить те же биомеханические преимущества, что и устройства, изготовленные традиционным способом.

Спинальный Ортезы и корсеты для сколиоза

Цифровое сканирование используется при изготовлении корсетов для сколиоза уже более двадцати лет.

Сканирование дает ряд преимуществ по сравнению с гипсовой повязкой:

• более быстрые измерения

• уменьшение беспорядка в клиниках

• улучшенная конструкция точность

• ускорение производственного процесса

Недавно 3D-печатные брекеты от сколиоза прошли клинические испытания. Ранние исследования показывают аналогичные результаты коррекции по сравнению с обычными брекетами.

Будущее цифрового протезирования и ортопедии

Следующий этап развития CAD/CAM, вероятно, будет сосредоточен на более продуманном дизайне и более прочных материалах.

Новые технологии включают:

• усиленные углеродом печатные нити

• текстурированные поверхности гнезд для лучшей подвески

• параметрический дизайн протеза системы

• конечно-элементное моделирование для механической оптимизации

Эти технологии могут позволить полностью адаптировать протезы и ортопедические устройства к анатомии и уровню активности каждого пациента.

Цифровое производство в регионе IMEA

Цифровое производство также может изменить цепочку поставок O&P в развивающихся регионах.

Как сканеры, принтеры и программное обеспечение становятся более доступными, клиники могут производить больше устройств на местном уровне.

Этот сдвиг может улучшить доступ к протезной помощи в Африке, на Ближнем Востоке и в Южной Азии.

Для поставщиков и дистрибьюторов поддержка цифрового производства станет все более важной частью экосистемы O&P.