Een nieuw paradigma voor exoprothesen – 3D-printen in prothesen

Hoewel het ongetwijfeld een laatste redmiddel is, zijn amputaties ook in Duitsland niet ongewoon. Volgens het laatste publiek beschikbare gegevens uit 2021 bedroeg het aantal amputaties van de bovenste en onderste ledematen 65.464.

Hoewel het aantal grote amputaties, d.w.z. amputaties proximaal van de enkel of pols, gestaag daalt, is het nog steeds hoger dan het aantal kleine amputaties, d.w.z. amputaties distaal van de enkel of pols.

Exoprothesen zijn vaak essentieel voor met name deze grote amputaties om mensen in staat te stellen hun leven weer op te pakken. Prothesen moeten aan veel verschillende kenmerken voldoen, waaronder individuele aanpassing aan het restledemaat van de patiënt, een hoge mate van comfort, antibacteriële eigenschappen en nog veel meer.

Het combineren van al deze eigenschappen is mogelijk met conventionele methoden, maar kostbaar. Zelfs prothesen voor mini-amputaties kosten enkele duizenden euro's en volledige prothesen kunnen al snel in de vijf cijfers lopen.

3D-printen opent echter een nieuw paradigma voor exoprothesen. In deze blogpost wil ik dit paradigma introduceren en de voordelen uitleggen die 3D-printen biedt voor protheses.

Het conventionele proces en zijn knelpunten

Om de voordelen van 3D-printen volledig te begrijpen, is het eerst essentieel om vertrouwd te raken met het conventionele proces voor de vervaardiging van exoprothesen, althans in grote lijnen, om de knelpunten ervan te kunnen evalueren.

Beide processen richten zich in eerste instantie op de vervaardiging van de prothesekoker. In het traditionele proces begint een orthopedisch technicus met een intensief onderzoek van het restledemaat. Door middel van beoordeling en meting krijgt de prothesist een overzicht van de huidconditie, het volume en de botuitsteeksels van het geamputeerde restledemaat.

Vervolgens maakt de prothesist een negatieve gipsafdruk van het restledemaat. Hiervoor wordt gipsverband om het restledemaat of de prothesevoering gewikkeld en zodra het gips is uitgehard, wordt dit verband voorzichtig verwijderd. Deze negatieve mal wordt dan gevuld met gips om een stevige, driedimensionale replica van het restledemaat te maken, die wordt gebruikt om de prothesekoker te maken.

Voordat de prothesekoker kan worden gemaakt, moet de prothesist het positieve model echter nog aanpassen. Er wordt bijvoorbeeld materiaal toegevoegd aan gebieden die extra volume nodig hebben, met name benige gebieden, en er wordt materiaal verwijderd uit dragende gebieden.

Op basis van deze bewerkte replica van het restledemaat wordt vervolgens een testkoker gemaakt met behulp van traditionele productiemethoden, een proces dat drie tot zes weken in beslag neemt. Zodra de proefkoker klaar is, wordt de patiënt gevraagd deze te dragen en er een aantal basisbewegingen mee uit te voeren. Hierdoor kan de prothesist mogelijke drukpunten beoordelen waar de koker moet worden verlengd of extra vulling moet worden toegevoegd, evenals de dynamische uitlijning van de koker tijdens bewegingen.

Kleine aanpassingen, zoals het toevoegen of verwijderen van vulling, kunnen direct worden uitgevoerd, maar voor grote aanpassingen zoals hermodellering is een nieuwe productie van de testkoker nodig. Gemiddeld vereist dit iteratieve aanpasproces tussen de 7 en 18 bezoeken van de patiënt en ongeveer 16 nieuwe producties van de testkoker, afhankelijk van de complexiteit.

Als het aanpasproces is voltooid, wordt de definitieve prothesekoker geproduceerd op basis van de laatste proefkoker. Er wordt dan een laatste test uitgevoerd om de perfecte pasvorm te bevestigen, waarna het eerste, essentiële onderdeel van de exoprothese klaar is.

De andere onderdelen van de prothese, waaronder gewrichten en ophangsystemen, moeten ook zorgvuldig worden geselecteerd of vervaardigd.

Het digitale proces en de voordelen

Hoewel 3D printen de kern vormt van het digitale proces, kan een 3D printer natuurlijk niet al het werk van de medisch specialist overnemen - maar het kan wel een enorme bijdrage leveren aan het verminderen ervan.

Ook hier begint de orthopedisch technicus met het beoordelen en documenteren van het restledemaat. Zodra ze een overzicht hebben gekregen van de kenmerken van het restledemaat, worden beeldvormingstechnieken gebruikt om een digitaal 3D-model van het restledemaat te maken. Met de juiste software kunnen 2D-beelden van bijvoorbeeld een MRI ook worden omgezet in een driedimensionaal beeld, maar vaak worden kleine 3D-scanners gebruikt om het restledemaat van alle kanten en hoeken te scannen.

De aanpassingen die de orthopedisch technicus tijdens het traditionele proces aan het gips maakte, kunnen nu veel eenvoudiger en vooral sneller digitaal worden uitgevoerd. Met behulp van geavanceerde softwareoplossingen kunnen zelfs initiële tests worden uitgevoerd op het model wat betreft drukpunten en dynamische uitlijning, en eventuele noodzakelijke aanpassingen kunnen automatisch worden toegepast.

Zodra het digitale model klaar is, hoeft het alleen nog maar geëxporteerd te worden in een geschikt formaat en het printen van de eerste testprothesekoker kan beginnen. Filament, hars en poeder 3D printen zijn de technologieën van keuze, waarbij hars en poeder 3D printen bijzonder geschikt zijn vanwege hun uitstekende precisie.

Afhankelijk van de printtechnologie is het printen van de prothesekoker in slechts een paar uur tot een dag voltooid. De prothesekoker moet nu worden nabewerkt met andere methoden, afhankelijk van de gebruikte technologie, waarbij vooral het chemisch gladmaken met damp zich heeft bewezen als een ideaal nabewerkingshulpmiddel vanwege de verbetering van de gladheid van het oppervlak en het afdichten van mogelijke porositeiten. Gemiddeld hoeft een patiënt die gebruik maakt van het digitale proces maar een paar dagen te wachten voordat de eerste tests worden uitgevoerd.

Deze tests zijn natuurlijk ook uiterst belangrijk in het digitale proces. Volgens verschillende onderzoeken, waaronder dit onderzoek, kan het gebruik van software die de eerste testen digitaal simuleert tot aanzienlijk betere resultaten leiden, waardoor het aantal iteraties later kan worden verminderd.

De rest van het productieproces van de prothese is relatief gelijkaardig. De beschikbaarheid van een digitaal model, dat met slechts een paar muisklikken kan worden aangepast, betekent echter dat aanpassingen veel sneller kunnen worden gemaakt en dat factoren zoals lange aanloop- of omsteltijden volledig kunnen worden geëlimineerd bij het gebruik van 3D-printen.

Zodra de perfecte pasvorm voor de koker is gevonden, kan de uiteindelijke koker worden geproduceerd. Terwijl 3D-printen lange tijd niet over de benodigde materialen beschikte om duurzame en functionele exoprothesen te maken, is dit nu eenvoudig mogelijk dankzij bijvoorbeeld koolstofvezelversterkte materialen. Niettemin kunnen beide processen ook gecombineerd worden om de uiteindelijke prothese te blijven maken met behulp van gevestigde conventionele methoden - dit geldt ook voor de andere benodigde onderdelen.

Het grootste voordeel van het digitale proces ligt voor de hand: tijdsbesparing. In plaats van weken te moeten wachten op nieuwe prothesen, duurt het met dit proces slechts een paar dagen. Dit betekent dat de wachttijden voor prothesen vele malen korter kunnen worden, waardoor patiënten niet alleen sneller een prothese krijgen, maar ook in derdewereldlanden in het bijzonder.

Een ander groot voordeel betreft het digitale model zelf. De aanwezigheid ervan maakt het niet alleen veel gemakkelijker om aanpassingen uit te voeren voor initiële prothesen, maar ook voor latere aanpassingen die na verloop van tijd nodig kunnen zijn door bijvoorbeeld veranderingen in het volume van het restledemaat.

Waarom is 3D printen nog niet de standaard?

Nu ben ik aan het zwelgen in de voordelen van 3D-printen, maar in het overgrote deel van de ziekenhuizen, medische centra en operaties worden nog steeds traditionele methoden gebruikt om prothesen te maken. Voordat we verder gaan met enkele casestudies waarin 3D-printen al met succes is gebruikt voor exoprothesen, wil ik deze factoren kort bespreken.

De eerste factor is relatief eenvoudig te kwantificeren: de aanschafkosten. Dit is echter niet omdat 3D-printers per se duurder zijn dan apparatuur voor conventionele protheseproductie, maar simpelweg omdat de traditionele machines al beschikbaar zijn. Overschakelen op een nieuwe technologie vereist nieuwe investeringen, wat vooral voor kleine tot middelgrote zorgaanbieders vaak een grote uitdaging vormt.

De tweede en waarschijnlijk belangrijkere factor is het mogelijke gebrek aan expertise op het gebied van 3D-printen. Het gebruik van 3D printen voor prothesen is nog relatief nieuw en daarom zijn getrainde medische professionals veel zeldzamer.

Om dit probleem op te lossen, vertrouwen veel kleine tot middelgrote zorgverleners op 3D-printdienstverleners die hun expertise kunnen gebruiken om ondersteuning te bieden, met name bij de productie van testmoffen voor prothesen, en daardoor de voordelen van 3D-printen beschikbaar kunnen maken zonder grote initiële investering.

Als u een geschikte dienstverlener nodig hebt om u te ondersteunen bij 3D-printen van idee tot realisatie, kunt u hier meer informatie vinden.

Casestudies voor 3D-geprinte exoprothesen

Er is inmiddels een groot aantal casestudies over 3D-printen van exoprothesen, waarvan ik er hier twee wil presenteren, hoewel ik altijd een link zal plaatsen naar de volledige casestudie of website.

Een inspirerend voorbeeld betreft Ben Ryan en zijn zoon Sol uit het Verenigd Koninkrijk. Toen Sol werd geboren, waren er complicaties die leidden tot een witte bloedprop in Sol's linkerarm. Om erger te voorkomen waren de artsen genoodzaakt om de arm net onder de elleboog te amputeren.

Ben, die eigenlijk docent pyschologie is, ging meteen op zoek naar een geschikte prothese voor zijn kind, maar volgens de richtlijnen van de NHS (National Health Service) had Sol een jaar moeten wachten op een cosmetische prothese en zelfs drie jaar op een functionele. Verschillende onderzoeken tonen echter aan dat een kind dat eerder een prothese krijgt, veel minder kans heeft om deze af te wijzen. Hoe eerder een functionele prothese wordt aangemeten, hoe groter de kans dat een kind de prothese tot op volwassen leeftijd zal blijven gebruiken.

Ben leerde zichzelf hoe hij een exoprothese voor zijn zoon moest maken. Aanvankelijk met heel eenvoudige methoden, maar later met 3D-printen. Met behulp van een Stratasys® 3D-printer kon Ben in slechts vijf dagen een prototype van de prothese voor zijn zoon printen en ook voor de uiteindelijke prothese gebruikte hij 3D-printing voor een aantal belangrijke elementen.

Ben is sindsdien zijn eigen bedrijf begonnen met behulp van zijn autodidactische kennis. Ambionics, een non-profitorganisatie, werd geboren uit Bens gedrevenheid in combinatie met de vaardigheden van 3D-printen, die Ben vandaag de dag nog steeds gebruikt, met name om kinderen te helpen zo vroeg mogelijk protheses te krijgen, terwijl hij nog steeds 3D-printen gebruikt als zijn belangrijkste hulpmiddel. De volledige casestudy is hier te vinden.

Het tweede voorbeeld gaat over Easton LaChapelle, die op 17-jarige leeftijd Unlimited Tomorrow oprichtte om 3D-geprinte protheses tegen lage kosten voor iedereen beschikbaar te maken.

Als tiener was Easton al enthousiast over robotica en protheses. Hij raakte vooral geïnspireerd toen hij als tiener op een onderzoeksbeurs een meisje ontmoette dat een prothesearm droeg. Deze prothese had maar één sensor en kon maar één beweging maken - open en dicht - en kostte desondanks 80.000 dollar.

Easton begon te knutselen in zijn kinderkamer. Met behulp van legoblokjes, vishaakjes en kleine motoren werkte hij aan de ontwikkeling van een robothand - en op 14-jarige leeftijd was hij al succesvol.

Vandaag de dag is 3D-printen het belangrijkste onderdeel voor Easton en zijn bedrijf. Het stelt het bedrijf in staat om volwaardige, op maat gemaakte prothesen te produceren in slechts acht weken - een proces dat met conventionele methoden meer dan een dozijn maanden kan duren. Je kunt de website van Unlimited Tomorrow hier vinden.

Conclusie

Hoewel 3D-printen lange tijd uitsluitend werd gebruikt als hulpmiddel bij protheses, is het nu een veelzijdig wapen geworden. Van eenvoudige kokerprototypes tot complete exoprothesen, 3D-printen maakt een aanzienlijk sneller en kostenefficiënter productieproces voor exoprothesen mogelijk, wat zowel medische professionals als patiënten helpt.

3D printen heeft echter nog lang niet het einde van zijn mogelijkheden bereikt. Dankzij voortdurend onderzoek naar nieuwe materialen en technologieën zal deze technologie zich op dit gebied blijven ontwikkelen, wat tot steeds betere resultaten zal leiden.

Als je op de hoogte wilt blijven van de laatste ontwikkelingen op het gebied van 3D-printen in protheses, bezoek deze blog dan regelmatig - ik zal de nieuwste ontwikkelingen hier altijd zo snel mogelijk posten.

Bedankt voor uw aandacht - en tot de volgende blogpost!