Development of a transhumeral prosthesis with flexible materials by 3D printing

Abstract

Currently, several prosthetic solutions are produced using Additive Manufacturing (AM), such as the e-NABLE prostheses. However, despite low cost, these prostheses are often uncomfortable, less functional, and aesthetically unpleasing. This work aims to redesign an existent e-NABLE prosthesis and develop a body-powered transhumeral device that is functional and anthropomorphic, combining rigid and flexible materials for improved comfort. The first stage involved studying a specific clinical case, an eight-year-old girl with a transhumeral amputation. This included understanding her needs and assessing her upper limbs anatomy, through measurements and Three-dimensional (3D) scanning. To develop a comprehensive device, testimonies from other children with similar conditions and healthcare professionals were also gathered. The next stage focused on the prosthesis design, with the creation of several prototypes, using Computer-Aided Design (CAD) software and 3D printing, until the desired model was achieved. The final prototype was assembled and several tests were performed to assess its performance and resistance. Additionally, Finite Element Analysis (FEA) was performed to simulate force application and study the device’s behavior. An ongoing study was conducted to find the most suitable materials, focusing on achieving comfort without losing functionality. Finally, the prosthesis was presented to the child for evaluation. This project resulted in a prosthesis that weighs 400 g and combines affordability, comfort, aesthetics and functionality, despite some limitations. The device incorporates flexible materials and an anthropomorphic design, enabling the terminal device to fully close, requiring between 85.3 N and 163.2 N of force, powered by the amputee’s shoulder movements. It also performs shoulder internal/external rotation, elbow flexion/extension and forearm supination/pronation. However, while it can hold loads up to at least 0.9 kg, its inability to maintain a grip remains a challenge. Moreover, it is applicable to other individuals with transhumeral deficiencies.

Atualmente, existe uma ampla variedade de próteses produzidas por Fabrico Aditivo como, por exemplo, as próteses e-NABLE. Apesar dos seus baixos custos, estas próteses revelam-se por vezes desconfortáveis, pouco funcionais e esteticamente pouco atraentes. O objetivo do presente trabalho foi desenvolver uma prótese transhumeral body-powered, que fosse funcional, antropomórfica e que combinasse materiais rígidos e flexíveis para um maior conforto, tendo por base uma prótese e-NABLE já existente. A primeira etapa deste trabalho envolveu o estudo de um caso clínico especifico: uma criança de oito anos com uma amputação transumeral. Tal inclui a compreensão das necessidades da criança, bem como uma avaliação da anatomia dos seus membros superiores, realizada através de medições e scanning 3D. De forma a desenvolver um dispositivo abrangente, foram também recolhidos testemunhos de outras criaças com condições semelhantes e de profissionais de saúde. A etapa seguinte centrou-se no design da prótese, com a criação de vários protótipos, utilizando software CAD e impressão 3D, até se alcançar o modelo desejado. O protótipo final foi submetido a diversos testes para avaliar o seu desempenho e resistência e ainda a uma Análise de Elementos Finitos (FEA), para simular a aplicação de forças e estudar o comportamento do dispositivo. Paralelamente, foi realizado um estudo para identificar os melhores materiais para o dispositivo, com foco em garantir conforto sem comprometer funcionalidade. Por fim, a prótese foi apresentada à criança para avaliação. Este projeto resultou numa prótese de 400 g que combina baixo custo, conforto, estética e funcionalidade, embora tenha algumas limitações. O dispositivo incorpora materiais flexíveis, um design antropomórfico e permite a flexão completa dos dedos da mão, o que requer uma força compreendida entre 85.3 N e 163.2 N, acionada por movimentos do ombro do amputado. Realiza também movimentos de rotação interna/externa do ombro, flexão/extensão do cotovelo e supinação/pronação do antebraço. No entanto, apesar de conseguir suportar cargas até, pelo menos, 0.9 kg, manter um grip constante continua um desafio. A prótese desenvolvida pode também ser aplicada a outras pessoas com amputação transumeral.