PFI:BIC - Cyber-Physical Service System for 3D-Printing of Adaptive Custom Orthoses
PFI:BIC - 用于自适应定制矫形器 3D 打印的网络物理服务系统
基本信息
- 批准号:1534003
- 负责人:
- 金额:$ 100万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2015
- 资助国家:美国
- 起止时间:2015-09-01 至 2021-08-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
This Partnership for Innovation: Building Innovation Capacity (PFI:BIC) project aims to develop a service system for Internet-based design and rapid manufacturing of foot orthoses and ankle-foot orthoses with custom fit and motion sensors. Orthoses are externally applied assistive devices that meet the personal needs of people with disabilities. They are designed to achieve one or more of the following goals: control of biomechanical alignment, correction or accommodation of deformity, and/or protection and support of an injury. Custom-made orthoses provide a better fit for users. They are more comfortable and facilitate more effective treatment. However, the traditional plaster molding fabrication method for custom orthoses requires a long delivery time and multiple visits to the clinic, which are often physically, mentally, and/or financially difficult for users of orthoses and their caregivers. The service system is targeted for the One-Day Visit by facilitating the measurement, design, fabrication, and evaluation of foot orthoses and ankle-foot orthoses all within the same day of the patient's visit to the clinic. The current custom orthoses design also lacks both the adaptability to adjust the stiffness for individual needs and the sensors to measure and record the motion data for clinicians and users. This project plans on creating a cyber-physical service system aimed to fulfill these needs. The projected service system utilizes cloud-based design and 3D-printing, a rapid manufacturing technique for custom orthoses, to enable the One-Day Visit. For this system, the clinician scans the foot and leg of the patient and uploads the geometrical and clinical prescription data to a cloud-based Cyber Design Center, which has the biomechanical models, baseline inertia measurement unit (IMU) sensor data, and a user-in-the-loop framework developed in this project to design the user-adaptive, sensor-embedded custom orthoses. Advanced lightweight, energy-efficient motion sensors measure and record the orthosis motion in the living environment for a week. While recharging the battery of the IMU data logger, the subject's motion data are uploaded to a cloud database and analyzed for evaluation of the gait and orthosis functions for the user. This research connects three key aspects of the fused deposition modeling (FDM) for fabrication of custom orthoses: the measurement of defects using nano-computed tomography, prediction of plastic material properties based on the defect geometry, and FDM process optimization. The ruled-based biomechanical decision-support model that can automatically design the shape of custom foot and ankle-foot orthoses based on user information and clinician prescription is studied for orthosis design practice. The development of a user-based optimization framework with long-term motion data of a user as the input will advance the scientific knowledge of user-in-the-loop design and control of assistive devices. This cyber-physical service system for custom orthoses presents a vision wherein the cloud-based design and 3D-printing technologies can harmonize with healthcare by providing a better service for assistive device users and their caregivers. The efficacy of treatment and the quality-of-life of people with disabilities can be improved by having comfortable and adaptable orthoses delivered in a timely fashion.The lead institution, University of Michigan (Ann Arbor, Michigan), is partnering with Stratasys (Eden Prairie, Minnesota) and Altair (Troy, Michigan) in this project. The University of Michigan offers extensive research innovations in optimizing internal structures for 3D-printed porous structure, novel passive dynamic orthosis design, using motion sensors for gait analysis, and user-in-the-loop design and control. Stratasys, a pioneer and leader in FDM machines and materials, will partner to provide the state-of-the-art FDM technology. Altair has cloud-based product design center expertise, which includes all the associated software, hardware, and security infrastructure. Broader Context partners include Becker Orthopedic (Troy, Michigan); University of Michigan Orthotics and Prosthetics Center (Ann Arbor, Michigan); and VA Ann Arbor Health System (Ann Arbor, Michigan).
这种创新伙伴关系:创新能力建设(PFI:BIC)项目旨在开发一个基于互联网的足部矫形器和踝足矫形器的设计和快速制造服务系统,并提供定制的配合和运动传感器。 矫形器是满足残疾人个人需要的外部辅助设备。 它们旨在实现以下一个或多个目标:控制生物力学对线、矫正或调节畸形和/或保护和支持损伤。 定制的矫形器为使用者提供更好的适合性。它们更舒适,便于更有效的治疗。 然而,用于定制矫形器的传统石膏模制制造方法需要长的交付时间和多次到诊所就诊,这对于矫形器的使用者和他们的护理人员来说通常在身体上、精神上和/或经济上是困难的。该服务系统的目标是一天的访问,通过促进测量,设计,制造和评估的脚矫形器和踝足矫形器,所有在同一天内的病人的访问诊所。 目前的定制矫形器设计还缺乏针对个人需求调整刚度的适应性以及用于为临床医生和用户测量和记录运动数据的传感器。 该项目计划创建一个旨在满足这些需求的网络物理服务系统。 预计的服务系统利用基于云的设计和3D打印,一种定制矫形器的快速制造技术,以实现一日访问。 对于该系统,临床医生扫描患者的足部和腿部,并将几何和临床处方数据上传到基于云的网络设计中心,该中心具有生物力学模型,基线惯性测量单元(IMU)传感器数据以及在该项目中开发的用户在环框架,以设计用户自适应的传感器嵌入式定制矫形器。 先进的轻质、节能运动传感器可测量并记录矫形器在生活环境中一周的运动。 在对IMU数据记录器的电池充电时,受试者的运动数据被上传到云数据库并进行分析,以评估用户的步态和矫形器功能。 本研究将熔融沉积成型(FDM)用于制造定制矫形器的三个关键方面联系起来:使用纳米计算机断层扫描测量缺陷,基于缺陷几何形状预测塑性材料特性,以及FDM工艺优化。 研究了基于规则的生物力学决策支持模型,该模型能够根据用户信息和临床医生处方自动设计定制足和踝足矫形器的形状,以满足矫形器设计实践的需要。以用户的长期运动数据为输入的基于用户的优化框架的开发将推进辅助设备的用户在环设计和控制的科学知识。这个定制矫形器的网络物理服务系统提出了一个愿景,其中基于云的设计和3D打印技术可以通过为辅助设备用户及其护理人员提供更好的服务来与医疗保健相协调。 通过及时提供舒适且适应性强的矫形器,可以提高残疾人的治疗效果和生活质量。牵头机构密歇根大学(密歇根州安阿伯)与Stratasys(明尼苏达州伊甸园草原)和Altair(密歇根州特洛伊)合作开展该项目。 密歇根大学在优化3D打印多孔结构的内部结构、新型被动动态矫形器设计、使用运动传感器进行步态分析以及用户在环设计和控制方面提供了广泛的研究创新。 Stratasys是FDM设备和材料的先驱和领导者,将合作提供最先进的FDM技术。 Altair拥有基于云的产品设计中心专业知识,包括所有相关的软件、硬件和安全基础设施。 更广泛的背景合作伙伴包括贝克尔骨科(特洛伊,密歇根州);密歇根大学矫形和假肢中心(安阿伯,密歇根州);和弗吉尼亚州安阿伯卫生系统(安阿伯,密歇根州)。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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