Designing a patient specific helmet

Abstract

Decompressive craniectomy is a lifesaving medical procedure, where a piece of the skull is removed leaving part of the cranium exposed. It is therefore important to wear a helmet during recovery period until either the original piece or an artificial replacement is inserted back. Due to various factors however, a standardized “one size fits all” helmet may not be an option. By utilizing digital design and reverse engineering techniques in combination with additive manufacturing, it is possible to manufacture a low-cost protective helmet tailored to the individual patient relatively quickly. To make this process more accessible, smartphone photogrammetry could potentially be used in creating a digital model of the patient’s head. In this work, a full helmet design process was performed for a volunteer mimicking a recovering patient. For this, a smartphone photogrammetry application was used to create a digital reconstruction of the patient’s head. The mesh was subsequently processed and cleaned, and was then imported into CAD software, where it was used as a reference for creating a CAD-model of the patient specific helmet.

Dekompressiivinen kraniektomia on toimenpide, jolla lasketaan potilaan kallonsisäistä painetta leikkaamalla pala kallosta pois. Toimenpide voidaan joutua suorittamaan esimerkiksi vakavan päävamman tai aivoinfarktin takia. Potilaan toivuttua riittävästi alkuperäinen tai luukorvikkeesta valmistettu pala asetetaan takaisin uudessa leikkauksessa. Toipuminen saattaa kuitenkin kestää kuukausia, ja potilaan aivot ovat tänä aikana erittäin alttiit vahingoittumiselle. Siksi on suositeltavaa, että potilas käyttäisi toipumisensa aikana kypärää. Johtuen ihmisten pään muotojen vaihtelusta sekä toimenpiteen yksityiskohtien kuten leikatun palan muodon ja sijainnin eroavaisuksista, standardimalli kypärästä ei sovi kaikille. Potilaalle räätälöidyn kypärän suunnittelu ja valmistus voi kuitenkin olla kallista ja viedä paljon aikaa. Yksi mahdollinen ratkaisu tähän ongelmaan on 3D-skannaus- ja tulostusteknologioiden hyödyntäminen yksilöllisten kypärien suunnittelussa ja valmistuksessa. Toipuvan potilaan pää skannataan ja siitä luodaan 3D-malli. Tätä mallia käytetään pohjana yksilöllisen kypärän digitaalisessa suunnittelussa. Kypärän kovat muoviosat valmistetaan lisäävän valmisuksen menetelmiä käyttäen, mikä tekee prosessista suhteellisen kustannustehokkaan. Lisäksi potilaan pään digitaalisessa mallintamisessa on mahdollista hyödyntää älypuhelinfotogrammetriaa, mikä lisää menetelmän saavutettavuutta, sillä tällöin erillistä 3D-skannauslaitteistoa ei tarvitse hankkia. Tässä työssä suoritettiin potilaskohtaisen kypärän suunnitteluprosessi alusta loppuun toipuvaa potilasta jäljittelevälle vapaaehtoiselle. Potilaan pää skannattiin käyttäen fotogrammetriaan pohjautuvaa älypuhelinsovellusta, jonka jälkeen malli puhdistettiin. Lopuksi STL-muodossa oleva malli tuotiin CAD-ohjelmistoon, missä sitä käytettiin pohjana potilaskohtaisen kypärän suunnittelussa.