Approfondissement de l’adaptabilité de la Prothèse_Panther :

Scan 3D et emboîtures sur-mesure

Comment obtenir un Scan du moignon d’un patient ?

Scanner 3D :

Il existe différents modes d’obtention d’un Scan 3D du moignon d’un receveur. La qualité générale et la difficulté d’obtention dépendra essentiellement du mode d’obtention utilisé.

La façon la plus courante et la plus fiable est l’utilisation d’un Scanner 3D. Différents modèles existent, différents fournisseurs, et le prix varie beaucoup également. Il s’agit tout de même d’un investissement conséquent.

Voici quelques exemples de Scanner de la marque Artec3D :

Artec EVA Artec Spider / Space Spider

Notons que ces scanners coûtent entre 12.000 et 20.000 €. Ils restent cependant la manière la plus fiable d’obtenir un Scan de bonne qualité, et exploitable. La mise à disposition de ce genre d’outils sur des plateformes collaboratives de production reste donc le meilleur moyen pour les Makers d’en faire usage sans investir.

Afin de présenter les modèles les plus abordables à titre personnel, voici un comparatif donné par le site Aniwaa qui peut servir de référence :

Enfin, pour permettre une mesure plus facile auprès du receveur, un Scanner 3D « portable » peut s’avérer plus utile. Voici donc un comparatif des meilleurs Scanners 3D portables présent également sur le site Aniwaa :

Applications Smartphone :

Il existe différentes applications se présentant comme des applications de Scan 3D, utilisant cette fois-ci le processus de photogrammétrie. Nous en avons cependant testé deux, les plus utilisées à l’heure actuelle, et voici un compte-rendu au sujet de l’utilisation d’un smartphone pour l’obtention d’un Scan 3D.

Application Avantages Inconvénients Disponibilité

SCANN3D

- Gratuite- Possibilité d’exporter

en format .OBJ ou .STL- Pas de nécessité de

capteur externe

- Imprécision liée au type d’appareil (qualité

du gyroscope, etc…)- Demande beaucoup de

photos et un contexte particulier de prise de vue afin d’obtenir une

bonne qualité

ANDROID

Qlone

- Gratuite- Meilleure précision de

photogrammétrie grâce au support

quadrillé- Pas de nécessité de

capteur externe

- Impossibilité d’exporter au format .OBJ ou .STL

sur Android- Sur IOS : possibilité

d’exportation en format .OBJ ou .STL

- De même, difficulté d’obtention d’un scan

de qualité

IOS (complète), ANDROID (limitée)

Il existe d’autres applications gratuites, sans utilisation de capteur externe. Cependant, elles fonctionnent avec la même technologie, et n’apportent pas plus de fonctionnalités.

D’après notre expérience, nous en avons conclu que l’obtention d’un Scan 3D via une application Smartphone est réalisable ; cependant la qualité générale du Scan ne permet pas d’assurer qu’il sera exploitable… Si tant est que l’on peut l’exporter dans le bon format, ce qui n’est pas assuré non plus.

Afin de compléter cette étude, voici un comparatif des autres grandes applications de Scan 3D disponibles sur Smartphone :

Les appareils les plus utilisés comme capteur externe sont le Structure Sensor de Occipital et le iSense de 3D Systems. Ce matériel doit simplement être branché sur l’appareil de l’utilisateur pour que l’application de scan 3D puisse marcher :

Ces solutions techniques sont plus abordables en prix, et permettent d’obtenir un Scan 3D de qualité suffisante pour être exploitable à notre sens.

Que faire une fois le Scan du moignon réalisé ?

Le but de la réalisation de ce Scan est d’obtenir un objet 3D ayant la forme quasi-exacte des excroissances du moignon du receveur ; afin de pouvoir réaliser une emboîture confortable et sur-mesure.

Nous cherchons donc à soustraire la forme du Scan 3D du moignon à un volume complet entier, dans lequel le moignon se logera. (Ce volume correspondrait à la paume de la prothèse en l’occurrence).

Pour cela, il faut pouvoir intégrer le Scan 3D sur la plateforme CAO sur laquelle la prothèse se trouve : ONSHAPE. Pour des raisons d’outils disponibles, de possibilités techniques sur la CAO, plusieurs opérations vont être nécessaires afin de convertir le Scan en tant que pièce propre à ONSHAPE.

Liste des logiciels nécessaires :

- Meshmixer

- Instant Meshes

- Fusion 360

- Onshape

Démarche :

1) Du scan3D à un "maillage quadrangles"

- Exporter le maillage au format OBJ depuis le Scanner. Si l’on a du STL, alors l’ouvrir avec Meshmixer, et faire "File Export ... .OBJ" format OBJ.

Visualisation du Scan dans Meshmixer :

- Ouvrir avec le logiciel "Instant Meshes" en cliquant sur "Open mesh".

- Sélectionner "Remesh as Quads (4/4) / Extrinsic"

- Régler si besoin le "Target vertex count" (souvent entre 800 et 2.2K), pour réduire la taille du maillage si votre objet de départ est "trop lourd". Si non, laissez la valeur proposée par le logiciel. Un compromis est à trouver ici entre qualité du maillage et temps de calcul nécessaire. La qualité a besoin d’être haute pour éviter les erreurs topologiques sur les « triangles » du B-REP.

- Cliquez sur Solve (de Orientation field)

- Cliquez sur Solve (de Position field).

- Cliquez sur "Export Mesh / Extract Mesh / Save" pour enregistrer ce maillage quadrangles au OBJ.

Visualisation du maillage principalement constitué de quadrangles sur InstantMeshes :

2) Génération d'un modèle "TSplines"

On ouvre ensuite le logiciel Fusion360

- Dans le menu "CREATE" : Sélectionner Create Mesh

- Autre menu "CREATE" (apparaissant ensuite) : Insert Mesh, et sélectionner le fichier quads issu de Instant Meshes. Notez que les facettes peuvent être un peu anguleuses, aux raccords.

- "FINISH MESH" permet de revenir dans le Workspace MODEL.

- Faire un clic droit sur le haut de l'arborescence "(Unsaved)" et en bas de liste :"Do not capture Design History". "Continue pour valider. ETAPE TRES IMPORTANTE.

- Dérouler la liste des "Bodies" dans l'arborescence, faire un clic droit sur le nom de votre modèle quad puis sélectionner "Convert".

- Vérifier que "Convert Type" vaut "Quad Mesh to T-Splines" et valider. --> Le résultat doit être un modèle surfacique continu et lisse, basé sur des petits carreaux quadrangulaires (et quelques triangles). Vous avez un Body supplémentaire dans l'arborescence.

Visualisation du Body « T-Splines» sous Fusion360 :

Possibilité de modifier les formes :

Il est utile de noter ici que des modifications locales sur la forme peuvent être effectuées. Cela va permettre essentiellement de lisser les surfaces afin d’éviter les erreurs de reconstruction.

- Activez le Workspace "Sculpt" dans l’onglet « MODEL ».

- Sélectionner les carreaux que vous souhaitez modifier (touche Ctrl si besoin)

- Clic droit "Edit Form".

- Déplacez et étirez la forme en utilisant les divers manipulateurs (déplacement sur une direction, dans un plan, rotation, scale...). La fenêtre "EDIT FORM" donne accès à de nombreuses options.

- Validez

3) Génération d'un modèle CAO volumique exploitable

Il reste à transformer ce modèle "TSplines" en un modèle de surfaces fermées "B-Rep" plus classique qui sera reconnu par votre logiciel de CAO habituel.

- Clic droit sur le nouveau "Body" dans l'arborescence

- Convert : "T-Splines to BRep"

- un nouveau Body apparaît dans l'arborescence, et un nouvel objet dans la zone graphique :

Visualisation du Body « B-REP » sous Fusion360 :

- supprimer les Bodies autres que le BRep que l'on veut conserver (on pourra toujours faire "Undo" ensuite si on veut les retrouver)

- File / Export : donner un nom et enregistrer au format STEP

(- Undo pour récupérer le modèle TSplines détruit juste avant)

- Enregistrez votre projet Fusion 360 si vous souhaitez pouvoir y revenir par la suite (corriger certaines formes si besoin en repartant du modèle TSplines par exemple).

Démarche générale d’exploitation du Scan sur OnShape :

Vous avez désormais obtenu un fichier au format .STEP à partir du scan du moignon du receveur. Ce fichier va désormais pouvoir être exploité sur OnShape.

Selon le niveau d’avancement actuel de notre projet sur la Panter_Prosthesis, nous n’avons pas pu appliquer les étapes qui vont suivre concrètement à la paume de notre prothèse.

Nous présentons cependant les manipulations nécessaires, et le type de résultat attendu, afin d’éclaircir et de montrer la démarche à suivre afin d’obtenir une emboîture satisfaisante et confortable.

Tout d’abord, on va importer le scan dans le PartStudio de la prothèse. Dans le navigateur du PartStudio, cliquer sur le « + » présent en bas à gauche de l’interface :

Sélectionnez « Import ».

Allez chercher le fichier .step du scan à l’aide de l’explorateur de fichier qui s’est ouvert suite au clic sur le Import. Cliquez sur « OK », et patientez quelques instants (plus ou moins long selon que le fichier est volumineux ou non).

A la fin du processus, deux éléments sont apparus dans le PartStudio :

- Un fichier d’information sur le fichier importé ;- La « Part » (objet de nature OnShape) créée à partir du modèle volumique .step

C’est celle qui va nous intéresser, celle sur laquelle nous allons enfin pouvoir travailler.

Ex avec un fichier nommé « julinestep » :

Nous allons créer un plan afin de séparer la main du bras, et ne conserver que la partie utile du scan pour l’emboîture :

Pour créer ce plan, utilisez 3 points préexistants (intersections entre les surfaces…)

Utilisez la fonction split pour créer deux parts séparées par le plan défini auparavant : sélectionnez le fichier importé « Import… » et le plan de séparation.

Vous pouvez désormais remarquer deux pièces, deux parts séparées dans l’arborescence des pièces, en bas à gauche de l’interface (on les renomme bras et main dans l’exemple) :

Seule la part « Main » nous intéresse pour effectuer l’emboîture. Nous allons donc la copier et la translater un peu plus loin pour pouvoir la travailler. Pour cela, on utilise l’outil « Transform » :

Désormais, nous avons obtenu une Part identique en termes de mesures au moignon du receveur. Vous pouvez la remarquer dans l’arborescence des pièces, en bas à gauche de l’interface. Renommons-la : « emboîture ».

Nous allons faire en sorte d’agrandir cette Part : en effet, le but est de soustraire cette forme à la paume de la prothèse afin d’y loger le moignon du receveur. Ainsi, si l’on veut un certain confort, il faut laisser la place (l’épaisseur) nécessaire pour y ajouter une mousse adhérente antichocs et ergonomique. Cela se traduit par une soustraction d’une pièce un peu plus grande en volume afin de laisser cette épaisseur libre.

Pour se faire, utilisez la fonction Move Face. Sélectionnez toutes les faces quadrangulaires qui constituent la main en faisant glisser le curseur afin d’englober toute la part dans le rectangle de sélection. Puis sélectionnez une valeur d’agrandissement. Nous conseillons entre 4 et 8 mm d’épaisseur libre.

Désormais, la part nommée « emboîture » est une copie de la forme du moignon du receveur, agrandie afin d’y placer une mousse de confort tout autour.

Il faut désormais soustraire cette forme à la paume de la prothèse.

D’abord, il va falloir jouer des paramètres disponibles avec la paume de la prothèse afin d’obtenir un volume de paume permettant d’englober le moignon (ajustement visuel, pas besoin d’une grande précision ici, on viendra ajuster en aval s’il le faut).

Ensuite, une fois la paume de la prothèse mise à une échelle convenable, il va falloir « remplir » d’un volume entier cette paume, comme tel :

C’est dans ce volume que nous allons soustraire la forme du scan. Pour se faire, utiliser trivialement des esquisses extrusions, et ajoutez chaque part extrudée à la précédente afin de n’avoir qu’une seule et même part définissant le volume interne.

Afin de simplifier l’interface et le nombre de features pour plus de clarté dans ce tutoriel, nous présentons les étapes suivantes sur une forme élémentaire : un parallèpipède rectangle. Les mêmes opérations sont bien évidemment possibles sur la paume de la prothèse.

Dans le fichier de la prothèse, nous allons venir chercher l’emboîture à soustraire en utilisant la fonction « Derived ». Allez chercher dans le PartStudio concerné, la part « emboiture » réalisée auparavant :

Celle-ci apparaît dans le fichier utilisé actuellement. Il s’agit d’un appel à la pièce depuis un autre fichier dans le même PartStudio, ou depuis un autre PartStudio.

Cependant, il n’est pas possible de la placer comme nous le souhaitons lors de cet appel.

Nous allons donc utiliser une nouvelle fois la fonction « Transform » (utilisée précédemment), pour copier cette pièce et la placer où nous le souhaitons (translations selon les 3 axes, rotations, etc..). Plusieurs opérations Transform peuvent être nécessaires.

A l’issue de ces opérations, il est nécessaire d’obtenir un placement proche de celui décrit par la capture d’écran ci-après :

Le parallepipède rectangle symbolisant la paume, on remarque que l’on fait coïncider au maximum le plan de section de l’emboîture et la face arrière de la paume (au niveau du poignet). De même, la face inférieure de la paume doit être débouchante, afin que le moignon du receveur puisse s’y loger sans difficultés.

Ensuite, nous utilisons l’opérateur « Boolean », qui va nous permettre de soustraire la forme de l’emboîture sur le volume défini par la paume :

Choisir Substract dans le menu ouvert par l’opérateur Booléen. Choisir comme outil (tools) l’emboiture ; et comme cible (target) la paume. Validez, la soustraction est réalisée.

Conclusion :

Nous espérons, au travers de ces pages de tutoriel et de recherche, avoir donné des précisions sur les manières fiables d’obtention d’un scan ; et sur la manière de pouvoir les traiter convenablement sur la plateforme libre OnShape.

Nous sommes conscients que ces quelques pages ne permettent pas d’acquérir un savoir-faire complet sur le Scan, le traitement post-scan, et son exploitation dans le but visé : la réalisation d’une emboiture pour une prothèse.

Cependant, il s’agit du résultat de tous les axes de recherches sur lesquels nous avons travaillé à ce jour, et qui permettent d’obtenir une emboiture exploitable par la plateforme CAO OnShape.

Beaucoup d’améliorations sont nécessaires afin de rendre ce document applicable à tous les cas de figures, et abordable par tous les Makers de France. Mais nous considérons qu’il s’agit là d’une piste de travail déjà bien approfondie, qu’il faut peaufiner et implémenter plus intuitivement.

Par exemple, un Re-Design de la prothèse Panther pourrait permettre d’inclure directement le volume dans lequel on va soustraire l’emboiture.