Élesben teszteltük a 3D-nyomtatott rögzítőt törött kézre

Januárban egy pár hétig mindent jég borított, ahol nem sózták le az utcákat. Egy ilyen jégkaparás közben, egy figyelmetlenség során sikerült eltörnöm a kezemben az egyik ujjam csontját. Szemem előtt máris lebegett a többhetes gipsz és a velejáró kellemetlenségek: a “zacskós fürdés öröme”, a viszketés, a “mit vegyek fel erre” és hasonló mindennapos gondok. Az ügyeletre tartva már körvonalazódott egy elgondolás a fejemben, melyet mintha már láttam volna valahol: – mi lenne, ha egy 3D nyomtatott, “hálós-jellegű” rögzítőt készítenék és a hagyományos gipsz viselésével járó kellemetlenségeknek híre se lenne? Végül is a kivitelezéshez szükséges összes eszköz és technika elérhető a közelben… Na így kezdődik a saját-tervezésű, 3D-nyomtatott kézrögzítő éles tesztelésének története.

Kez07

Az ügyeleten gipszelésre várva

A kezem jól fel van dagadva, lehet el van törve, meg kell röntgenezni. Azért az ember még reménykedik, hogy nincs baj és hátha nem kap gipszet közel 2+4 hétre. De a röntgen felvétel sajnos azt mutatta, hogy a jobb kezem tenyerében, a gyűrűsujjam csontja bizony el van törve, de nincs elmozdulva szerencsére. Az orvos azt mondja, hogy pár hétre kapok egy csinos gipszet a könyökömig, várjak kint a váróban. A várakozás közben született meg a gondolat, hogy miként lehetne segítségemre a modern technológia ebben a kényelmetlen szituációban. Egy pár gyors keresés a weben és máris kezdett körvonalazódni egy lehetséges megoldási lehetőség. Na jó, de mi lesz az orvossal, mit fog szólni az ötletemhez, ami nem felel meg semmiféle előírásnak.

Saját felelősség!

Tudtam, hogy a készítendő rögzítés használatával a kezem megfelelő gyógyulását is kockáztathatom, hiszen 1-2 hét alatt biztosan nem szerzem be a szükséges engedélyeket, hogy szakorvosi felügyelet mellett vigyem véghez ezt kísérletet.

A cikkben leírt módszert semmilyen hivatalos egészségügyi intézmény, személy nem hagyta jóvá, annak tervezésében és felhasználásában nem működött közre. A kézrögzítő alkalmazása saját felelősségre és saját fejlesztési folyamat alapján történt, ezért egészségügyi szempontból néhol nem állja meg a helyét. A konkrét fejlesztési folyamattal egy lehetséges megoldási módszert szeretnénk bemutatni törött kéz rögzítésére valós helyzetben, mely egészségügyileg is helyesen megvalósított kivitelezés során a jövőben, remélhetőleg mindenki számára elérhetővé válik majd. A törött testrészek nem szakszerű ellátása súlyos egészségkárosodást okozhat, ezért az itt leírt folyamat lemásolását senkinek nem javasoljuk!

A kéz szkennelése

Tudtam, hogy a folyamat első lépése mindenképpen az, hogy meglegyen a kezem szkennelt állománya, mely legjobb esetben egy STL modell lesz. Jó pár céggel van ismeretségünk akik ezt meg tudnák csinálni, de most olyat kell keresnem akiknek kézi lézerszkennerük mellett tapasztalatuk is van emberi test digitalizálásával kapcsolatban. Gyors telefonos egyeztetés után sikerült is időpontot foglalni a Basiliskus3D csapatánál, akiknek nagy tapasztalata van emberek szkennelése terén. (Ezúton is szeretnék köszönetet mondani nekik, hogy készségesen támogatták a projektet a szkenneléssel.)

Az irodájukba ellátogatva kiválasztottuk a feladatnak legmegfelelőbb szkennelési eljárást, mely a 3D fehér fény szkennelés volt. Választásunk azért esett erre a módszerre, mert az organikus felületek markerek nélkül (a digitalizálandó tárgyra felhelyezett tájoló pontok) is gyorsan és pontosan digitalizálhatóak. A 3D fehér fény szkenner – jelen esetben az Artec Eva – a 3D-s digitalizálás mellet a tárgy textúráját is képes rögzíteni, melyre a mi esetünkben természetesen nincsen szükség. A választás egy másik fontos aspektusa az volt, hogy a sérült kezet teljesen körbe kell szkennelni, melyet csak több “söpréssel” (több, egymásutáni, megszakított szkennelés) tudunk kivitelezni, ezért a szkenner szoftverének alkalmasnak kell lennie, hogy több szkennelési eredményt össze tudjon fűzni. Kez00Esetünkben a sérült kezet a szkennelés során a gipszelési pozíciónak megfelelően kell(et volna) tartani, könyökölve, hiszen a kéz asztallal érintkező területének digitalizálása nem szükséges. (Az első hibát itt követtem el, hogy nem az orvosilag meghatározott gipszelési pozícióban tartottam a kezem.) 

Maga a szkennelés folyamata gyorsan megtörtént, 3-4 szkennelési lépcsőben elegendő adat gyűlt össze a kezem szükséges területéről, hogy a kezem háromszögmodellje (STL) elkészülhessen. Ezt a háromszögmodellt a szkenner szoftvere készíti el, melyet pár napon belül el is küldtek nekem a cégtől. Addig volt időm kitalálni, hogy milyen formájú legyen a rögzítő és hogyan tervezzem meg…

A kézrögzítő tervezése

Az interneten rákeresve találhatunk pár hasonló futó projektet ( Cortex, Xkelet ), melyek egyes elemeit ötletforrásként felhasználtam az alapkoncepció kialakítása során, de egyetlen olyan megoldást sem találtam, mely az esetemben szükséges prototípus összes szükséges elvárásának megfelelne. A megálmodott prototípus kialakítása számos helyen eltér egy esetleges általános felhasználás során felmerülő elvárások megvalósulásától, ezért az itt felsorolt szempontok és azok alapján kialakított design az én kísérleti darabom esetére vonatkozik csak.

A kialakítás szempontjai:

  • Nyitható felek – Az esetlegesen szükséges utólagos módosítások miatt olyan megoldást kellett kitalálni, mely lehetővé teszi, hogy a kezemről eltávolítható és visszahelyezhető legyen a rögzítő. Ezért nem bepattanó csapokat alkalmaztam, hanem több helyen gumis rögzítést lehetővé tevő elemeket terveztem a két félre.
  • Megvalósítható méret – A törésem rögzítéséhez a teljes alkar hosszában szükséges lett volna a rögzítés, azonban a prototípus lehetséges (számomra elérhető) gyárthatóságát figyelembe véve egy rövidebb kialakítást kellett készítenem.
  • A rögzítési terület – Általános esetben az összes ujjat rögzíteni kell a “gipsszel”, azonban a munkaképesség (egér használata) megmaradásához a mutatóujjnak szabad mozgást szerettem volna biztosítani.

A tervezés menete, a megoldandó feladatok és a felhasznált szoftverek

A teljes “reverse-engineering” elkerülése

Mivel a szkennelések során háromszögmodell a “végtermék”, ezért a rögzítő tervezési menetére két alapvető irány közül kellet választani: – Az egyik lehetséges módszer, hogy a kezem háromszögmodelljét felületekkel burkolom be (adott pontossággal), majd az így keletkezett testmodellből kiindulva szilárdtest műveletekkel alakítom ki a rögzítőt. Ennek a módszernek az a hátránya, hogy sok ideig tartott volna a kívánt pontosságú testmodell előállítása. – A másik lehetséges módszer, hogy az egész tervezést a háromszögmodellen végzem el. Ennek a módszernek az a hátránya, hogy sok olyan lépés van a tervezés során, melyet háromszögmodellen közvetlenül nehéz elvégezni.

Kez01 A végleges módszer egy hibrid megoldás lett, melyhez kihasználtam a választott Autodesk PowerShape CAD rendszer azon tulajdonságát, hogy könnyedén manipulálható benne felület, szilárdtest és háromszögháló is, és akár ezek vegyesen metszhetőek is egymással. Így a tervezés első fázisában egy olyan szilárdtestet hoztam létre, mely csak “nagyjából” hasonlít a készítendő rögzítő formájára. A tervezés végső fázisában lett ebből a testből kivonva a kezem kissé ofszetelt háromszögmodellje, biztosítva ezzel a pontos illeszkedést a kezemre. Ezután meg kellett határozni a kettéosztást, mely teljesen hasonló elven történt, mint a műanyag termékek osztófelületének meghatározása.

A Voronoi háló

A tervezés követező lépésében egy hálót kellet tervezni a tömör, “csőszerű” rögzítőre, melynek funkciója nem csak a könnyítés, hanem a megfelelő szellőzés biztosítása is. A  könnyítésnek természetesen olyannak kell lennie, hogy a kéz pozíciójának rögzítéséhez szükséges szilárdsága és merevsége megmaradjon a kézrögzítőnek. Tulajdonképpen bármilyen olyan “lyukasztgatás” jó lehet, mely ezeknek a szempontoknak megfelel. (Akár felirat kivágásokat is rakhatunk bele, ezzel tényleg egyedivé téve a “gipszet”.) A választás egy természetben is előforduló mintához hasonló, sejtszerű mintát adó, úgynevezett Voronoi görbékre esett, mely a Voronoi diagramból származtatható. Ez 2D-s esetben (egyszerűsítve, tömören) úgy származtatható, hogy a síkban két szomszédos pontot összekötő egyenesre felező merőlegest állítunk, majd ezt a műveletet ismételjük az összes pontunkra. A keletkezett egyeneseket pedig összemetsszük a legközelebbi metszésüknél. A keletkezett területekbe pedig zárt görbéket készítünk. (Az Interactive Voronoi Diagram szerkesztőben kipróbálhatjuk miről is van szó.)

Kez04Természetesen számos ilyen Voronoi háló generáló program létezik – (a Voronator-ba például 3Ds modellünket feltöltve percek alatt hálózhatjuk azt!) – például a Fusion 360-hoz is van ingyenes Voronoi plugin – , de egyikkel sem tudtam azt a problémát kezelni, hogy egy térbeli alakzatot úgy tudjak hálózni, hogy az elemek nagyságát és eloszlását manuálisan tudjam állítani. Ezért egy kis grafikus program segítségét kellett igénybe vennem. Az Inkscape nevű ingyenes programban találtam egy olyan Voronoi diagramkészítőt, melyben manuálisan meghatározhatóak a csomópontok, így egy síkbeli alakzaton olyan hálózást tudtam készíteni, ahol tetszőleges területeken tudtam sűrűbbre, illetve ritkábbra készíteni a mintát.

A probléma már csak az volt, hogy nekem egy térbeli alakzatom van, amelyen el kéne készítenem ezt a hálózást. A megoldást a PowerShape görbe síkba terítése és görbe felületre feszítése varázslója adta meg, ahol a burkolófelület szélső kontúrját síkba terítve megkaptam azt az alakzatot, melyen belül kellett elkészítenem a megfelelő hálózást. Ezután az elkészült görbéket már csak rá kellett feszíteni a burkoló felületre, majd a kivágásokat elkészíteni a görbékkel.

Kez13

A kivágások elkészítése után rögzítő elemeket alakítottam ki a két félen, hogy azok gumival könnyen egymáshoz rögzíthetőek legyenek. Ezeknek a “füleknek” olyan kialakításúaknak kellett lennie, hogy a rögzítő külső felületéből ne álljanak ki, hogy ne gátolják a ruha fel-/levételét.

A háromszögháló utólagos manipulációja

Az így elkészült modellünk háromszögmodell (STL) lett, hiszen a kezem szkennelt modelljét vontam ki a rögzítő szilárdtestéből. (Ezzel kerültük el a teljes “reverse enginerring”-et.) Viszont a háromszögmodelleken már igen nehézkes olyan műveletek elvégzése, mint az élek lekerekítése például. Ezért erre a műveletre az Autodesk Meshmixer, ingyenesen elérhető háromszögmodellező szoftvert hívtam segítségül, melyben az STL modellek nagyon gyorsan és könnyedén manipulálhatóak – mint egy 3D-s “PhotoShop“. A háromszögmodellek simítását – a szkennelt kéz modelljét is – és az élek “lekerekítését” is itt végeztem el, véglegesítve ezzel a modelleket a 3D nyomtatáshoz.

Kez14

A kézrögzítő 3D nyomtatása

Az egész projekt legkritikusabb pontja a rögzítő 3D nyomtatása volt, hiszen az elkészítéshez a rögzítő méretének megfelelő gép szükséges. A pontosság esetünkben nem annyira fontos (gondoljunk a hagyományos kézi gipszelés pontosságára!), ebből a szempontból akármelyik 3D nyomtató megfelelő lehetne. A rögzítő elkészítését végül a Varinex Zrt.-nél sikerült leegyeztetni. (Akiknek ezúton is szeretnék köszönetet mondani, hogy elkészítették nekem a kézrögzítőt.)

A gyártás előtt az elkészült rögzítő-felek modelljét átküldtem STL formátumba, hogy ki tudják választani a megfelelő méretű és nyomtatási technológiájú gépet. Ilyenkor kerül sor a gyártáshoz legmegfelelőbb elhelyezkedés megválasztására is, melyből már lehet is kalkulálni az elkészítés idejét. A választásuk egy Stratasys Fortus 400mc Large típusú, FDM technológiájú gépre esett, mellyel ~0,2mm rétegvastagságban készültek el a rögzítő-felek. Az anyagválasztásnál szempont volt, hogy a rögzítő bőrrel hosszan érintkezni fog, illetve megfelelő szilárdságot is biztosítania kell. A választás egy nagy tisztaságú PC-ISO anyagra esett, melyből orvostechnikai alkatrészek és élelmiszer-ipari csomagolások is készülnek. A rögzítő alakjából adódóan a nyomtatáshoz támasztásokra is szükség volt, melyet a gép szoftvere automatikusan határoz meg (modellezni nem szükséges) és azt egy “olcsóbb” anyagból, kisebb sűrűséggel készít el. A nyomtatás végeztével, erről a támaszról törtük le a kézrögzítő-feleket. A nyomtatás 10 óráig tartott és nagyjából 150ccm anyag került felhasználásra.

Kez05

Az elkészítés után másnap el is mentem az elkészült rögzítőért, hogy végre egy modern, kényelmes megoldásra cseréljem a hagyományos (könnyített) gipszemet. Nagy volt az öröm, hogy a hosszas szervezkedés és tervezés után élesben is hasznosítsuk a kézrögzítőt!

Tapasztalatok, konklúzió

A 3 hetes “tesztelés” során természetesen érezhetően tapasztalható volt a 3D nyomtatott kézrögzítő számos előnye: a kéz szellőzik, nem fülled be; fürdésnél semmilyen “csomagolás” sem szükséges, így a kéz tisztán tartható; viselése könnyű és kényelmes; vékonysága miatt a ruházkodásban sem korlátoz. És még sorolhatnánk természetesen az előnyöket, de a legnagyobb kérdés mégis csak az volt: Vajon a “gyógyhatása” is megfelelő?

A használat során néhány “kényes pontra” azért fény derült, mely a prototípus fejlesztés első fázisában teljesen természetes:

  • A szkennelés során nem a gipszelésnek “megfelelő” pozícióban tartottam a kezemet, így a tényleges használathoz, egy kicsit “faragni” kellet a rögzítőből, mert a kisujjamnál kényelmetlen volt.
  • A kezem egy kicsit duzzadt volt még a szkennelés során, ezért egy kicsit “laza” lett a rögzítő.

Kez06Kez09

A bizonyítékot egy röntgenfelvétel szolgáltatta végül, melynek során kiderült, hogy a törés szépen meggyógyult! Ezzel sikerült valós körülmények között is bizonyosságot szerezni, hogy a törések kezelésénél kialakított hagyományos módszereket milyen előnyösebb megoldásokra lehet a jövőben felváltani, a modern technológiát segítségül hívva. Természetesen az itt bemutatott módszer mindenféle törésre nem tud általános “gyógyírt” nyújtani, – például a nagyobb csontok vagy a láb rögzítése más szempontok figyelembe vételét is szükségessé tenné a tervezés során, illetve a nyílt törések kezelése teljesen más rögzítési módszereket igényel adott esetben – azonban egy esetleges általánosan elterjedő alkalmazása a jövőben sok esetben jóval kényelmesebb alternatívát mutat.

Szerző: Kollár József
E-mail: info@camxpress.hu