Τοπολογική Βελτιστοποίηση Εξατομικευμένων Τρισδιάστατα Εκτυπωμένων Ορθώσεων Άνω Άκρων
Creators: name: Χαρούλα Κουσιάτζα
Publisher: name: Zenodo
Year: 2020
Subjects: Τοπολογική Βελτιστοποίηση (ΤΒ), εξατομικευμένοι νάρθηκες καρπού, Τρισδιάστατη Εκτύπωση (ΤΕ), Τρισδιάστατη Σάρωση (ΤΣ), Σχεδιασμός/Μηχανική με τη Βοήθεια Υπολογιστή (CAD/CAE)

description: Οι ορθώσεις άνω άκρων και πιο συγκεκριμένα, οι νάρθηκες καρπού χρησιμοποιούνται ευρέως στις μέρες μας σε διάφορες κλινικές περιπτώσεις με στόχο την αποκατάσταση αρκετών παθήσεων καιτραυματισμών. Η κλασική κατασκευαστική διαδικασία των εξατομικευμένων ναρθήκων καρπού, οι οποίοι αποτελούν αντικείμενο μελέτης της παρούσας εργασίας, γίνεται χειροκίνητα και βασίζεται κυρίως στην εμπειρία του εκάστοτε ειδικού/θεραπευτή. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, τις περισσότερες φορές, οι νάρθηκες αυτοί να μην εξασφαλίζουν ένα ικανοποιητικό αποτέλεσμα, δημιουργώντας βασικά ζητήματα που αφορούν τη λειτουργικότητα, απόδοση και αισθητική τους, καθώς και την υγιεινή και άνεση του ασθενή. Με βάση τα παραπάνω, η ανάπτυξη εξατομικευμένων ναρθήκων καρπού που δίνουν λύση στα προαναφερθέντα ζητήματα βασιζόμενη σε καινοτόμες μεθόδους σχεδιασμού και κατασκευής κρίνεται αναγκαία.<br> Τα τελευταία χρόνια, διάφορες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην κατασκευή εξατομικευμένων ναρθήκων καρπού μέσω της χρήσης της Προσθετικής Κατασκευής (Additive Manufacturing), ή αλλιώς Τρισδιάστατης Εκτύπωσης (3D Printing), λόγω της σημαντικής προόδου που έχει παρουσιάσει η τεχνολογία αυτή σε διάφορους τομείς συμπεριλαμβανομένου και αυτού της Ορθοπεδικής Ιατρικής. Οι μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί έως σήμερα στο συγκεκριμένο αντικείμενο προτείνουν διάφορους σχεδιασμούς ναρθήκων καρπού που προκύπτουν κυρίως με βάση την κρίση και σχεδιαστική εμπειρία του ερευνητή/σχεδιαστή. Οι παράγοντες αυτοί είναι σημαντικοί στο κομμάτι του σχεδιασμού, αλλά είναι αδύνατο να εξασφαλίσουν ένα βέλτιστο σχεδιαστικό αποτέλεσμα, ειδικά σε περίπλοκα προβλήματα, όπως είναι αυτό της ανάπτυξης εξατομικευμένων ορθώσεων, οι οποίες καλούνται να επιτύχουν συγκεκριμένους στόχους κάτω από διάφορους περιορισμούς.<br> Στο πλαίσιο αυτό, το αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη και κατασκευή ενός εξατομικευμένου νάρθηκα καρπού, μέσω της χρήσης προηγμένων σχεδιαστικών εργαλείων και κατασκευαστικών μεθόδων. Συγκεκριμένα, για την επίτευξη ενός βέλτιστου σχεδιαστικού αποτελέσματος γίνεται μελέτη της εφαρμογής μεθόδων Τοπολογικής Βελτιστοποίησης (ΤΒ), ενώ η κατασκευαστική διαδικασία βασίζεται στη χρήση της Μοντελοποίησης Εναπόθεσης με Σύντηξη (Fused Deposition Modeling – FDM), η οποία εμπίπτει στη συνεχώς εξελισσόμενη τεχνολογία της Προσθετικής Κατασκευής (ΠΚ).<br> Η ΤΒ στη μελέτη αυτή καλείται να δώσει λύση στο πως θα γίνει η κατανομή υλικού στον εξατομικευμένο νάρθηκα, ο οποίος υπόκειται σε συγκεκριμένες συνοριακές συνθήκες, ώστε να δημιουργηθεί ο βέλτιστος σχεδιασμός της δομής με το ελάχιστο δυνατό βάρος και τη μέγιστη αντοχή, ενώ επιπλέον λαμβάνονται υπόψη και ζητήματα που αφορούν τη λειτουργικότητα και αισθητική του νάρθηκα καρπού, καθώς και την υγιεινή και άνεση του ασθενή. Η διαδικασία υλοποιείται με τη χρήση αριθμητικής μεθόδου ανάλυσης (μέθοδος Πεπερασμένων Στοιχείων) σε συνδυασμό με αλγόριθμο βελτιστοποίησης που λαμβάνει υπόψη διάφορα κριτήρια/περιορισμούς.<br> Το αρχικό χωρίο σχεδιασμού (design domain) προς βελτιστοποίηση δημιουργείται με τη χρήση εμπορικών σχεδιαστικών εργαλείων (CAD design tools), έχοντας ως βάση την ανατομία ενός υγιούς ανθρώπινου χεριού, η οποία λαμβάνεται σε ψηφιακή μορφή μέσω της εφαρμογής της σύγχρονης τεχνολογίας της Τρισδιάστατης Σάρωσης (3D Scanning). Στη συνέχεια, η επίλυση του προβλήματος ΤΒ πραγματοποιείται σε ένα ειδικό και υψηλής απόδοσης CAE λογισμικό. Τέλος, η τεχνολογία της ΠΚ δίνει τη δυνατότητα δημιουργίας των τελικών βελτιστοποιημένων, εξατομικευμένων μοντέλων ναρθήκων καρπού, οι οποίοι λόγω της εφαρμογής της μεθόδου ΤΒ παρουσιάζουν αρκετά πολύπλοκα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, καθιστώντας δύσκολη έως αδύνατη την κατασκευή τους μέσω των κλασικών τεχνικών δημιουργίας ναρθήκων καρπού.<br> Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας παρουσιάζουν τη δυνατότητα εφαρμογής της συγκεκριμένης μεθοδολογίας, η οποία βασίζεται στη χρήση της μεθόδου ΤΒ σε συνδυασμό με την τεχνολογία της ΠΚ, ως μία πολλά υ&amp;p