ウルム応用科学大学とハウスラー医療機器店は、Freeformを使用して義肢と装具のデザインをデジタル化しています。

義肢と装具（O&P）業界は、手作業の技術が主流となっています。しかし3Dプリンティングとモデリングツールの登場によりデジタル革命が起きており、患者の生活改善に向けた新たな可能性を開いています。

ハウスラー医療機器店は、ドイツのウルム応用科学大学のバイオメカニクス研究グループおよびGeomagicのパートナーであるアントニウス・ケスターと協力し、新しいデジタルプロセスを定義しました。彼らが選んだツールがFreeform Plusです。

Freeform PlusのDynabot自動化ツールは、モデリングプロセスを簡素化して効率化するのに役立ち、正確にフィットする義肢や装具を再現することを可能にしています。

職人技と研究の融合

ハウスラーはドイツ南部で有名な医療機器店です。1916年にトーマス・エステルレによってウルム要塞の主要軍病院のための専門工房として創設されました。創業当初からエステルレは医療科学との連携を重視し、病院の工房で働いていました。

1984年、ハウスラーはウルム大学およびウルムリハビリテーションクリニック（RKU）に臨床ワークショップを開設し、医療科学と研究とのつながりを強化しました。

ハウスラーは単なる医療機器店にとどまりません。ハウスラーの装具士や義肢装具士は、ウルム応用科学大学の医療工学およびバイオメカトロニクスの専門家であるフェリックス・キャパーニ教授が研究を行っている同大学と密接に連携しています。元々キャパーニ教授の研究助手であったステファン・マティセック氏は、ハウスラーの研究開発部門を担当しています。マティセック氏は学士号や修士論文の指導に加えて、研究と商業的な実装を結びつける役割も担っています。

装具と義肢製造の従来のワークフロー

カスタムメイドの装具や義肢を製作する装具士や義肢装具士は、二つの大きな課題に直面しています。第一に適切な機能を持ち、患者のサイズや体力に適合する製品を作ること。第二に摩擦などの刺激を引き起こさず、力を伝達し吸収できる人体とのインターフェースを開発することです。

「装具および義肢の製造には多くの手作業が伴います」とマティセック氏は言います。「しかしデジタル化によって、私たちの職業と可能性は今劇的に変化しています。装具士や義肢装具士が持つ経験による技術を正確に再現することはほぼ不可能です。2番目の義肢は最初のものと少し異なることになります。」

プロセスの一部をデジタル化することで、望ましくない偏差を排除する方法が提供されます。マティセック氏は、3Dプリントが将来的に装具および義肢の職業で大きな役割を果たすと予測しています。「もちろん、それには3Dデジタルモデルが必要です。」

デジタル化で新たな可能性を開く

カパーニ教授によれば、大学やその他の場所から生まれたスタートアップ企業はすでにデジタルツールを活用して、迅速かつ手頃な価格でカスタマイズ製品を製造しています。「現在伝統的な装具および義肢市場は一般的に地域限定であるため、デジタル化はその境界を開くことになるでしょう。未来に備えるためには、装具および義肢会社はデジタルツールへの投資が必要です。」

義肢を製造する従来のワークフローは、まず体の一部を石膏で型取ることから始まります。マティセック氏によれば、このアプローチには患者の肢体を直接3Dスキャンする方法に対していくつかの利点があるとのことです。

「一見するとデジタルデータから始めるのが理にかなっているように思えますが、3Dスキャンではリラックスした状態の肢体のデータをキャプチャします。そこでまず石膏を使うことで、最終的な義肢が力を加える部分と同様に柔らかい部分を圧縮することができます。また、石膏モデル内で不良な位置を直接修正することも可能です」とマティセック氏は言います。

次のステップは石膏で従来の方法、またはデジタル3Dデータを用いてポリウレタンフォームをミリングする方法で、ポジティブジオメトリを作成することです。その後、実際の作業が始まります。経験と解剖学的知識を活用し、義肢製作士は圧力をかけるべきでない部分には材料を追加し、きつい接続が必要な部分では材料を削ります。この調整されたジオメトリが、その後の義肢設計の基礎となります。

「このステップこそが、義肢製作士の手作業や技術が重要になる部分です」とマティセック氏は言います。「ここで義肢のフィット感が良くなったり、逆に悪くなったりする偏差が生じます。そのため、私たちはこのプロセスをデジタル化することで、再現可能な結果を得るとともに、モデリングのサブタスクを自動化して加速させることを目指しています。3Dプリントされた要素は、型作りにおいてまったく新しい可能性を提供します。」

Freeform Plusでデジタル石膏モデルの設計を自動化

この設計で最も最適なツールがFreeform Plusです。マティセック氏は次のように説明します。「Freeformは私が石膏室で使用しているのと同じオプションとツールを提供します。さらにFreeform plusのDynabotマクロ機能により繰り返しの作業を自動化でき、プロセスの各ステップに適したツールをユーザーに提供します。このような定義されたワークフローは、自動的に標準化につながります。」

Freeformを使用する利点の良い例は、アレクサンダー・クリンガー氏の学士論文にあります。彼は、足の指や前足部を失った患者向けに前足部義足靴を開発しました。通常、患者は特別な靴や義肢を受け取り、その前部はフォームで埋められ、柔軟なソールで足が転がるようになっています。このソールの特性は、患者の体重や歩行スタイルに正確に適応する必要があります。硬さと柔軟さの適切なバランスは、義肢製作士の経験に委ねられています。

クリンガー氏は運動解析と有限要素シミュレーションを使用して、各患者に最適なソールを計算するルールセットを開発し、それをDynabotを使用して実装しました。

「これは、Freeformの経験が少ないユーザーをサポートする最適なソリューションです」とクリンガー氏は説明します。「Freeform PlusのDynabotは、手順を進める際に適切なツールを提供しガイドしてくれます。手動でのモデリングが必要なときは一時停止し、次のステップに進む準備ができたときに再開できます。ユーザーの入力を必要としない操作は自動的に実行されるため、プロセスが速くなります。」

このようにして、クリンガー氏のDynabotは前足部義肢の作成プロセスをユーザーに提供します。Freeformでのパラメトリックモデリングは広範囲に利用され、ユーザーからの入力が直接義肢のジオメトリに反映されることで3Dプリントの基盤となります。現在のプロトタイプの興味深い点は、インライナーという部分で患者が足を挿入する部分です。これは3Dプリントされた型を使ってシリコンで鋳造されたものです。義肢の残りの部分はほとんどが予め決まっており、サイズや剛性のみが患者に合わせて調整されます。

デジタル化の教育への統合

キャパーニ教授は教育の重要性を強調しています。「Freeformのようなデジタルツールを使用するには特定のスキルが必要であり、それらは義肢装具技師の教育に統合されなければなりません。これにはデジタルデザインツールや、義肢技術に特化したデザイン原則の使用が含まれます。一方で、3Dプリント用のプラスチックなどの材料やその生産技術に関する知識も必要です。」

デジタル技術の義肢装具ワークフローへの統合はチームとしての取り組みです。マティセック氏は他の医療用品店、ウルム応用科学大学、そしてパートナーであるアントニウス・ケスター氏と協力し、さらに多くのワークフローを定義し、それをDynabotに実装しています。

「ケスター氏と彼の従業員は、型作り、Freeformでのモデリング、そして3Dプリントに豊富な経験を持っています。私たちが行き詰まったとき、ケスター氏は常に効率的に目標を達成する方法を知っています。そして、彼らは学士・修士論文のサポートもしてくれます」とマティセック氏は付け加えます。

クラフトマンシップとデジタル化のギャップを埋める

マティセック氏は次のように要約します。「Freeformは非常に強力なツールで、モデリングに必要な自由度をすべて提供してくれます。Touchデバイスはフィードバックを提供し、従来のクラフトマンシップとデジタルモデルとのギャップを埋めます。DynabotはFreeformの豊富な機能を効率化し、ユーザーに適切なタイミングで最適なツールを提供できるようにします。」

キャパーニ教授は患者にとっての利点を見ています。「例えば特定の装具では従来の石膏型を使う必要がなく、3Dスキャン技術を使って必要なデータを取得し、ソフトウェアベースで処理して印刷することができます」とキャパーニ教授は言います。「さらにデジタル化により、以前は実現不可能だったジオメトリの「構築」が可能となり、患者の個別のニーズに合わせて調整することができます。」

「デジタル技術は私たちが今日使っている技術を置き換えるのではなく、それらを補完し作業をより効率的にするものです。標準化は製品の品質を一貫して高く保つためにも役立ちます。3Dプリントはカスタマイズにおいて全く新しい可能性を提供してくれます。私たちはO&P業界を革命的に変えることに取り組んでおり、Freeformはその革命の重要な一部であり基盤です」とマティセック氏は締めくくりました。