Een functionele hand orthese met behulp van 3D printen

Inleiding

Hoofdfunctie van de orthese is het ondersteunen van een cilindergreep, wat een veel voorkomende taak is van de ondersteunende hand bij tweehandige taken in ADL. Bijvoorbeeld het vasthouden van een pot, zodat met de gezonde hand het deksel eraf gedraaid kan worden. Er wordt uitgegaan van impairment compensation, wat inhoudt dat de kracht die nodig is om de hand verder te openen wordt bijgeleverd door de orthese. De orthese ondersteunt alleen het openen van de vingers (extensie) en levert geen extra knijpkracht (flexie), omdat de patiënten in de doelgroep hier zelf nog toe in staat zijn. Omdat spiertonus veranderlijk is gedurende de dag, zal actuatie worden toegevoegd die de geleverde extensiekracht bijstelt indien nodig. Dit is belangrijk met het oog op learned non-use, een fenomeen dat optreedt als spieren onvoldoende gebruikt worden waardoor het functie-niveau kan afnemen [3]. Door exact de juiste kracht bij te leveren (assistance as needed) kan dit worden voorkomen. 

Methode

Eisen voor de orthese zijn verzameld door middel van de Quality Function Deployment methode [4], wat inhoudt dat uitspraken van beoogde gebruikers en experts zijn verzameld en omgezet in eisen. Er zijn in de beginfase vijf patiënten uit de doelgroep geïnterviewd, alsmede twee bewegingswetenschappers, twee revalidatieartsen, een ergotherapeut en een orthopedisch instrumentmaker gesproken. Daarnaast is een literatuuronderzoek naar handgebruik uitgevoerd, om te bepalen wat de hoofdfuncties van de orthese moeten zijn.

Een ontwerpmethodiek is toegepast die product ontwikkeling opdeelt in fasen zoals gedefinieerd door Eger et al. [5]. Tijdens de ontwerpfase zijn veel eerste ideeën omgezet in ruwe prototypes om mechanische principes te testen. Er zijn bijvoorbeeld verschillende manieren voor extensie van de vingers getest. Hierbij is gebruik gemaakt van 3D scannen en printen: de ontwerpers hebben hun eigen handen gescand om op maat gemaakte prototypes te kunnen printen.

Op systematische wijze is gekeken welke oplossingen voldoen aan de gestelde eisen. Vervolgens zijn de beste ideeën geselecteerd en verwerkt in 3 verschillende concepten voor de orthese. In een concepttest [6] zijn deze concepten voorgelegd aan patiënten door middel van illustraties en korte beschrijvingen. Met behulp van een enquête is bepaald naar welke eigenschappen de voorkeur van gebruikers uitgaat.

In de detailleringsfase zijn de gekozen functies en oplossingen verder uitgewerkt. Dit heeft geleid tot een eerste passief prototype, dat geëvalueerd is met 2 patiënten. Voor elke patiënt is een 3D scan gemaakt van de arm en hand zodat een op maat gemaakt prototype kon worden gerealiseerd. Tijdens de testsessies zijn de volgende taken uitgevoerd en gefilmd: aantrekken van de orthese, flexie en extensie van de vingers en het grijpen van een flesje. Door veel open vragen te stellen is niet alleen de mechanische werking getest, maar is ook inzicht verkregen in het draagcomfort.

Resultaten
Uit de voorfase is gebleken dat de belangrijkste eisen voor gebruikers het comfort, aantrek gemak, veiligheid en schoonmaak gemak zijn. Op basis van literatuur onderzoek is de keuze gemaakt om de cilindergreep mogelijk te maken.

Concepten

Figuur 2 toont de drie concepten die zijn samengesteld uit verschillende reële oplossingen voor pols, vingers en duim.

Concept (a) is een brace concept gebaseerd op een motorisch aangestuurd polsscharnier dat zich lateraal van het pols gewricht bevindt. De vingers worden tezamen bewogen en de duim is gefixeerd met een bladveer.

Concept (b) is een handschoen concept gebaseerd op het gebruik van kabels om de vingers in extensie te brengen. De pols wordt in extensie gebracht met een stevig materiaal dat verwerkt is in de handschoen, aan palmzijde. De duim wordt op dezelfde manier naar een open positie gebracht. Met ritsen kan ervoor worden gezorgd dat het geheel gemakkelijker aan te trekken is.

Concept (c) is een hybride concept, een handschoen waarbij de vingertoppen zijn vrijgehouden om de tastzin te behouden. Aan de zijkanten van de pols worden stevige stukken verwerkt om de pols in een functionele positie te houden. Wederom is gebruik gemaakt van kabels om de vingers in extensie te brengen. De duim werkt volgens hetzelfde mechanisme maar wordt apart aangestuurd.

De 5 ondervraagde patiënten waren sceptisch over het aantrek gemak van concept (b) en (c). Zij geven aan dat het strekken van de vingers om de handschoen aan te krijgen voor hen vrijwel onmogelijk is. Wel bleek het uiterlijk van de beide handschoen concepten de meeste patiënten aan te spreken. Bovendien gaat de voorkeur uit naar een orthese waarbij de vingers niet aan elkaar vastzitten maar ten opzichte van elkaar vrij kunnen bewegen.

Eindontwerp
De vingers worden in extensie gebracht door middel van bladveren aan dorsale zijde. Wanneer de patiënt knijpkracht levert, zullen de bladveren meebuigen en naar voren glijden door middel van een mechanisme met lagers en assen dat zich op de rug van de hand bevindt. De vereiste veerstijfheid moet per patiënt en per vinger bepaald worden en kan bijgesteld worden door de hoek bij te stellen met behulp van een verschuifbaar assenblok.

Figuur 3 – Concept voorstelling van de MyHand

1. pink wordt aan de kant gehouden door een passieve bladveer
2. behuizing voor de vinger mechanica (12 t/m 15)
3. bladveren houden vingers gestrekt vanaf de rug van de hand
4. plek voor motor
5. klittenband bevestiging
6. polsband
7. duimring met bladveer over de webspace
8. katoenen arm bevestiging
9. ventilatiegat met geperforeerde plastazote voering
10. gat om druk op bloedvaten te verminderen
11. bevestigingsband over de hand
12. verschuifbaar assenblok om hoek bladveren bij te stellen
13. bladveren
14. teflon oppervlak met minimale wrijving
15. wormwiel

De bladveren worden bevestigd aan de vinger door middel van 3D geprinte ringen zoals in figuur 4. Omdat er veel kracht op deze ringen komt te staan, is het belangrijk met het ontwerp in te spelen op comfort en voorkomen van pijn. Verder moeten de mechanische krachten goed overgebracht kunnen worden, zonder dat de ring verschuift of kantelt. De verlenging aan de bovenzijde zorgt ervoor dat de ring goed parallel aan de vinger blijft en door het vergrootte oppervlak worden de drukkrachten beter verdeeld. Om te voorkomen dat bloedvaten aan onderzijde van de vingers afgekneld worden, kan daar het beste een materiaal gebruikt worden dat ietwat meegeeft om de druk te verminderen.

De gewenste positie van de pols is een hoek van 35 graden extensie en 7 graden ulnair abductie. Om dit te bereiken wordt een stijf polsstuk gemaakt. Door de hand onder de juiste hoek 3D te scannen, kan een 3D geprint polsstuk worden gemaakt met perfecte passing. Om het natuurlijke bewegingsbereik van de vingers en duim te behouden wordt het materiaal langs de thenar crease en distal palmar crease afgesneden (zie figuur 5). Bovendien moet de palm zo weinig mogelijk materiaal bevatten zodat het grijpen van objecten niet belemmerd wordt. Optionele toevoegingen die met 3D printen gemakkelijk te realiseren zijn, zijn bijvoorbeeld gaten voor bevestigingsbanden en ventilatie. Er is gekozen voor een dunne maar stevige voering (plastazote) om druk op bepaalde punten te verminderen.

Bij een cilindergreep bevindt de duim zich in oppositie, dat wil zeggen tegenover de vingers. Om dit te bereiken wordt een bladveer over de webspace (het stuk huid tussen duim en wijsvinger) geplaatst. De veer wordt aan de duim bevestigd met een ring (nr. 7 in figuur 3). Aan de andere zijde wordt de veer vastgelijmd aan de voering van het polsstuk.

Prototype en evaluatie
Een passief prototype is gemaakt met als doel het evalueren van het ontwerp op het gebied van mechanische functionaliteit, gebruiksvriendelijkheid en comfort. Er is met twee patiënten getest.

Patiënt #1 kan zijn vingers een klein beetje buigen maar niet volledig strekken, een hoek van meer dan 100 graden is niet mogelijk. Vooral met de duim heeft deze patiënt problemen, hij draagt normaalgesproken een duim brace om de duim in oppositie te brengen. Patiënt #2 heeft vooral moeite met het strekken van de vingers maar kan wel enigszins zijn duim bewegen.

Voor beide patiënten is het aantrekken van het prototype moeilijk. Als het prototype eenmaal bevestigd is, lijkt de passing van het polsstuk goed, hoewel het de neiging heeft te verschuiven. Beide patiënten zijn tevreden over het comfort. Over de vingerringen wordt wel gezegd dat het erg oncomfortabel en zelfs pijnlijk wordt, door de grote krachten die erop uitgeoefend worden.

De bladveren doen hun werk: ze brengen de vingers naar een gestrekte positie. Beide patiënten zijn in staat tegen het mechanisme in te knijpen en hun vingers te buigen, waarbij de bladveren mee verlengen. Echter, na deze flexie gaan de vingers maar langzaam weer terug naar de originele, gestrekte positie. Het grijpen van een flesje blijkt moeilijk, omdat het flesje wordt omgestoten door de duimring.

Discussie

Uit de gebruikstest van het eerste prototype is een aantal problemen naar voren gekomen. Allereerst is het ontwerp van het duimstuk niet optimaal: de bevestiging aan de duim is vrij groot, waardoor het een belemmering is voor de cilindergreep.

In het huidige ontwerp is nauwelijks ruimte voor laterale abductie en adductie (het spreiden van de vingers), doordat de drie bladveren parallel aan elkaar gepositioneerd zijn. Wanneer laterale abductie wel mogelijk zou zijn, kan wellicht een meer natuurlijke grijp beweging worden bereikt.

Verder is de passing van het polsstuk goed, maar soms verschuift het nog. Er moet worden gezocht naar een betere bevestiging of andere manier om het op zijn plek te houden.

Conclusie

Een multidisciplinaire samenwerking heeft geleid tot een prototype van een handorthese waarvan het ontwerp gebaseerd is op behoeften van patiënten. Door middel van 3D scannen en printen kan gemakkelijk een goede passing en daarmee verhoogd comfort worden verkregen.

Volgende stap is het realiseren van een actief prototype, waarbij een motor met batterij en regelsysteem worden geïmplementeerd, met als doel de geleverde kracht bij te stellen en zo in te spelen op de veranderingen in hypertonie. Een schematische weergave is te zien in figuur 7.