Ontwikkelen van een datagestuurde module met parameters voor ontwerpoptimalisatie van op maat gemaakte orthopedische inlegzolen

Additive Manufacturing (AM), ook wel bekend als 3D-printen, wint aan populariteit, vooral in de medische sector. Het biedt vele voordelen voor MedTech-oplossingen, zoals 3D-geprinte gewrichten, implantaten en medische hulpmiddelen. AM biedt de vrijheid om unieke, complexe geometrieën te ontwerpen en maakt productie in kleine oplages mogelijk. Het gebruik van sterkere materialen vermindert het productgewicht of -volume, wat de toepassingsmogelijkheden verbreedt. Dit maakt het onder andere voor medische professionals mogelijk om daadwerkelijk gepersonaliseerde oplossingen te leveren die precies passen bij het unieke lichaam van de patiënt. Dit geldt niet alleen voor protheses en implantaten, maar ook voor orthopedische en podotherapeutische hulpmiddelen.

Orthopedische of podotherapeutische hulpmiddelen spelen een vitale rol bij het herstellen en ondersteunen van het bewegingsapparaat en helpen bij verschillende problemen, zoals sportblessures, gewrichtspijn en rugproblemen. Een voorbeeld van dit soort hulpmiddelen zijn op maat gemaakte, gepersonaliseerde inlegzolen; de specialisatie van het M3DSoles consortium, dat bestaat uit PLT Products BV en Voetencentrum Wender in samenwerking met het Fraunhofer Innovation Platform for Advanced Manufacturing (FIP-AM@UT), de Universiteit Twente en het Fraunhofer Institute for Production Technology IPT. PLT Products is een gerenommeerde fabrikant en uitbestedingspartner voor de productie en technische systemen voor podotherapeutische en orthopedische bedrijven. Ze zijn gespecialiseerd in de productie van op maat gemaakte steunzolen, waaronder 3D-geprinte inlegzolen. Voetencentrum Wender is een vooraanstaand innovatief voetzorgbedrijf, met als kernactiviteit het leveren van medische dienstverlening in de voetzorg.

Iedere inlegzool is een maatwerkproduct dat is afgestemd op de specifieke behoeften van de patiënt, de lichamelijke conditie en de unieke eigenschappen van iedere voet. De inlegzool wordt gebruikt ter optimalisatie van de drukverdeling op de voet en/of ter correctie van de standshouding.

De innovatieve 3D-geprinte inlegzolen ontwikkeld door PLT Products bestaan uit twee delen. Het onderste deel van de inlegzool, dat deels gestandaardiseerd is, kan persoonlijk worden afgesteld op basis van de voetstand, diagnose en het lichaamstype van de patiënt. Dit gedeelde wordt afgewerkt met een dempende afdeklaag die de drukverdeling onder de voet bevordert. Deze aanpak zorgt ervoor dat elke patiënt een op maat gemaakte oplossing krijgt die optimaal inspeelt op zijn specifieke behoeften en de algehele kwaliteit van leven verbetert.

Het AMP-project M3DSoles heeft als doel het ontwerp van de patiëntspecifieke inlegzolen te verbeteren, door de kernparameterwaardes te optimaliseren door middel van simulaties. Deze aanpak zorgt voor een hogere mate van personalisatie van de zolen. Voor snelle optimalisatieresultaten zal het consortium werken aan de ontwikkeling van een datapipeline, waarin patiëntspecifieke parameters als input worden gebruikt om tot een persoonsgebonden product te komen. Deze data pipeline zal een AI-gestuurde module zijn die de simulatie zo realistisch mogelijk spiegelt.

Na afronding van het project zal de datapipeline worden toegepast om advies te geven over de geometrie, dikte, maat en het materiaal van het eindproduct. Deze module zal zo een intelligent hulpmiddel vormen in de optimalisatie van gepersonaliseerde inlegzolen, waardoor de kwaliteit van leven van de patiënt verbetert.

Industriepartners

AANPAK

Het M3DSoles-project richt zich op de optimalisatie van gepersonaliseerde 3D-geprinte inlegzolen via een iteratief ontwerpproces. Het begint met het verzamelen van voetgeometrie door geavanceerde scantechnieken, die anatomische gegevens vastleggen voor nauwkeurige modelconstructie. Deze gegevens worden omgezet in parametrische 2D-modellen die voetdoorsneden vertegenwoordigen, gekoppeld aan middenvoetsbeentjes. Deze vormen de basis voor eindigeelementenanalyse (FE), die de verdeling van spanning en druk in de inlegzool-interface simuleert onder diverse belastingsomstandigheden.

De FE-modellen worden verfijnd op basis van simulatieresultaten en patiëntspecifieke factoren zoals gewicht, voetmorfologie en belastingsscenario’s. Vervolgens wordt een datagestuurd optimalisatie-algoritme gebruikt om het ontwerp te verbeteren. Dit omvat aanpassingen in parameters zoals de dikte van de inlegzool, ondersteuning van de voetboog en materiaaleigenschappen, wat leidt tot een geoptimaliseerd ontwerp dat comfort en functionaliteit verhoogt.

Het ontwerp wordt gevalideerd door virtuele tests.Deze ontwerpen worden ook 3D-geprint als fysieke prototypes. Deze aanpak zorgt ervoor dat de inlegzolen zijn afgestemd op de biomechanische behoeften van de gebruiker en maakt verdere aanpassingen mogelijk op basis van feedback en onderzoek. Hoewel voorlopig, tonen deze ontwikkelingen potentieel voor klinisch gebruik naarmate methoden zich ontwikkelen om aannames en vereenvoudigingen te verminderen, die verdere verfijning vereisen.

RESULTAAT

Door een combinatie van geavanceerde modellering en gegevensgestuurde optimalisering heeft het M3DSoles-project met succes de prestaties van inlegzolen voor het voetprobleem van surrogaatpatiënten en de efficiëntie van het ontwerpproces verbeterd. Door gebruik te maken van surrogaatpatiëntspecifieke gegevens en krachtige rekenkundige hulpmiddelen bieden de inlegzolen die in het kader van M3DSoles framework zijn gemaakt significante verbeteringen in de drukverdeling. Resultaten binnen de huidige praktijk zijn helaas nog niet mogelijk door beperkingen in het verzamelen van gegevens en het analyseren van
patiëntspecifieke parameters.

De implementatie van het 2,5D-model bleek efficiënter en leverde nauwkeurige resultaten op met een aanzienlijk kortere rekentijd in vergelijking met 3D-simulaties van de interactie tussen voet en inlegzool. Deze modelleerbaarheid vergemakkelijkte de identificatie van gebieden met hoge belasting en maakte gerichte optimalisaties in het ontwerp van de inlegzool mogelijk. Hierdoor werd het ontwerpproces efficiënt, wat een betere pasvorm voor surrogaatpatiënten opleverde en de behoefte aan handmatige tussenkomst tijdens de ontwerpfase verminderde. handmatige interventie tijdens de ontwerpfase.

De belangrijkste resultaten van het surrogaatmodel zijn onder andere:

• Verbeterde drukverdeling op plekken met veel spanning
• Datagestuurde module maakte het mogelijk om nog betere maatwerkontwerpen te maken, afgestemd op de individuele voetgeometrie en drukverdelingsbehoeften, waardoor het de effectiviteit van de inlegzool werden verbeterd
• Efficiëntie in ontwerpoptimalisatie door gebruik te maken van computer aided-technieken, waardoor zowel de kosten
als de time-to-market worden verlaagd

Hoewel de real-time toepassing van deze simulaties veelbelovend is, is verdere ontwikkeling nodig om deze technologie volledig te integreren in de dagelijkse klinische praktijk. Desalniettemin heeft het M3DSoles-project een solide basis gelegd voor de toekomst van nog beter gepersonaliseerde inlegzolenproductie, in lijn met de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van rekenkundig ontwerp en additive manufacturing.

Dit project is mogelijk gemaakt door de Regio Deal, ondersteund door de Provincie Overijssel en de Rijksoverheid.

VOOR MEER INFORMATIE OVER M3DSOLES-PROJECT, NEEM GERUST CONTACT OP MET

Celal Soyarslan

Celal Soyarslan

Senior Research Engineer

Sikander Naseem

Sikander Naseem

Research Engineer

Niklas Bäckel

Research Assistant - Fraunhofer Institute for Production Technology IPT

    Frank Ellenbroek

    UT - MSc Student assistant