3D-geprinte hand- en polsorthesen op basis van artificiële intelligentie

Verschillende productiemethodes

Om een handorthese op maat te maken bestaan er tot op heden verschillende methodes. Momenteel is Immediate Fitting (IMF) de meest gebruikte methode. Hierbij worden platen uit polyester in een warmwaterbad gelegd om ze week en vervormbaar te maken. Vervolgens wordt dit rechtstreeks aangelegd op het lidmaat in kwestie. Het resultaat is een brace op maat met uitstekende fitting. Bij het langdurig dragen van een orthese aan het bovenste lidmaat wordt vaak voor silicone geopteerd gezien het duurzame en hygiënische karakter van dit materiaal. Nu komt 3D-printing erbij als alternatief.

“Bij VIGO willen we een drijvende kracht zijn om vernieuwende orthopedische hulpmiddelen te ontwikkelen. Het is onze rol om samen met artsen en therapeuten op zoek te gaan naar innovatieve oplossingen die de patiënten vooruithelpen. Het 3D-printen van handorthesen is daar een mooi voorbeeld van”, aldus Michiel Meerbergen, CEO bij VIGO.

Het belang van een wiskundig model

Het dragen van een handorthese leidt pas tot een optimaal resultaat als de orthese de perfecte vorm heeft rekening houdend met de anatomie van het lichaamsdeel dat ondersteund moet worden. Daarom heeft VIGO sinds 2016 in samenwerking met dr. Verstreken, Universiteit Antwerpen, het MORE Insitute en ORFIT honderden hoogwaardige 3D-scans genomen van handen/armen in verschillende posities bij verschillende patiënten. Op basis van deze scans werd een wiskundig model gebouwd dat de vorm van handen/armen wiskundig beschrijft.

“Wanneer een patiënt nu langskomt voor een hand- of polsorthese, dan scannen we zijn of haar hand/arm eerst met een 3D-scanner in een bepaalde houding”, aldus Jan Deckers. “Dan brengen we die scan samen met de data uit het wiskundig model. De orthese wordt vervolgens voor een patiënt berekend door middel van de overeenkomst tussen het model en de patiëntscan, zodat deze perfect aansluit op de geometrie van de patiënt. Daarom is dit wiskundig model ook zo belangrijk, want nu kunnen we zelf de gewenste parameters op een anatomisch correcte wijze instellen, zodat we er bijvoorbeeld voor kunnen kiezen om de orthese in een bepaalde houding (bv. een neutrale pose) of hoek te maken waarin de hand moet staan.”

Artificiële intelligentie

“Aangezien de software die we gebruiken om de handorthesen te ontwerpen grote hoeveelheden hoogwaardige scandata bevat en verwerkt én aangezien de software in staat is om op basis hiervan poses te corrigeren, de handbrace te ontlasten op botvormige plaatsen en druk te creëren op andere plaatsen, kan je inderdaad zeggen dat dit onder de noemer van kunstmatige intelligentie of AI valt”, legt Jan Deckers uit.

Wat is de meerwaarde van het 3D-printen van handorthesen?

“Het 3D-printen van handorthesen op maat biedt voordelen voor de patiënt, de orthopedisch zorgverstrekker en de arts”, vertelt Dr. Verstreken.

“De patiënt krijgt een hand- of polsorthese die als gegoten zit en dat resulteert in een hoger draagcomfort en een lager risico op drukwonden vanwege de Voronoi-structuren in het ontwerp van de orthese. De ademende structuur zorgt ervoor dat deze ortheses minder gevoelig zijn aan transpiratie en aan huidirritaties. Dit maakt de orthese erg hygiënisch. Ook esthetisch oogt een 3D-geprinte brace erg strak. Tot slot is de 3D-geprinte orthese erg licht en een gipsmaatname is niet langer vereist, wat de productie ook een stuk ecologischer maakt.”

“Ook voor de arts zijn er voordelen. De software laat toe om de hand, en bijgevolg ook het 3D-ontwerp van de orthese op een anatomisch correcte manier te herpositioneren. Deze anatomische correctie is gebaseerd op honderden hoge resolutiescans die door clinici werden gemaakt en gevalideerd. Dit leidt tot een betere anatomische fitting, een hoger comfort voor de patiënt en dat verhoogt de therapietrouw van de patiënt. Daarnaast zorgt een digitale maatname en het corrigeren aan de hand van software ervoor dat een gipsmaatname niet langer nodig is wat de kans op menselijke afwijkingen of variaties verkleint. Dit laat ons toe om op een meer evidence gebaseerde manier te gaan werken.”

Ook voor orthopedisch zorgverstrekkers biedt de technologie voordelen. Jan Deckers: “De digitale maatname vervangt de gipsmaatname, wat ervoor zorgt dat de maatname sneller kan gaan. Bovendien reduceert het wetenschappelijke karakter van de software en het achterliggende wiskundige model de kans dat er na het aanleggen van de orthese achteraf nog correcties nodig zijn.”

Dit project kwam tot stand door een samenwerking tussen volgende partijen

AZ Monica

Dr. Verstreken is als hand- en polschirurg actief binnen de dienst Orthopedie van AZ Monica en de bezieler van dit project. Samen met zijn team vertolkte Dr. Verstreken een adviserende rol tijdens dit project.

MORE Institute

Het MORE Institute is het Research Department van ORTHOCA (Orthopedisch Centrum Antwerpen) waartoe 16 orthopedische chirurgen behoren waaronder Dr. Verstreken.

Universiteit Antwerpen

Het iMinds Visionlab van de Universiteit Antwerpen (UA) ontwikkelde het wiskundige model van de hand en onderarm op basis van hoogwaardige 3D-scans.

Orfit Industries

Orfit Industries onderzocht hoe haar IMF-arm thermoplastisch polymeermateriaal printbaar kon worden gemaakt.

VIGO

De rol van VIGO was het onderzoeken van ontwerpregels, 3D-printprocessen en materialen voor de digitale productie van handorthesen. Verder was het de taak van VIGO om, in samenwerking met medewerkers van Orthoca, de Universiteit Antwerpen te voorzien van een hoogwaardige dataset van gescande handen in verschillende houdingen. Deze dataset, verkregen met een speciale 3D-scanner, was nodig om het wiskundig model te maken. Tot slot ontwikkelde VIGO de nodige algoritmes om het wiskundig model te gebruiken voor het ontwerpen van de braces in de gewenste pose.