Новые индивидуальные суставы, разработанные с помощью программного обеспечения искусственного интеллекта и 3D-принтера

Консорциум FingerKIt Института Фраунхофера использует ИИ для разработки персонализированных суставных имплантатов, напечатанных на 3D-принтере, чтобы при необходимости можно было заменить тонкие части пальцев. Консорциум FingerKIt, объединил пять институтов Фраунгофера: Институт аддитивных технологий производства (IAPT), Институт керамических технологий и систем (IKTS), Институт токсикологии и экспериментальной медицины (ITEM), Институт механики материалов (IWM) и Институт для цифровой медицины (MEVIS). Цель состоит в том, чтобы создать идеально подходящее решение, которое не соскальзывает с места и восстанавливает прежний уровень мобильности, пишет исследовательский институт в пресс-релизе.

Когда суставы пальцев становятся негибкими, например, после спортивной травмы или в результате ревматоидного артрита, это может серьезно ограничить чью-то жизнь и вызвать физическое и умственное напряжение. На данный момент, если сустав пальца теряет свою функцию в результате несчастного случая или травмы, методы лечения ограничены. В большинстве случаев проводится процедура спондилодеза. Этот процесс, также известный как артродез, обычно выполняется хирургическим путем. Во время процедуры поврежденный сустав выпрямляется вручную, хрящ удаляется, а кости стабилизируются на время, достаточное для их естественного срастания. Это приводит к тому, что палец не сгибается.

В будущем решение, разработанное несколькими научно-исследовательскими институтами Фраунгофера, может помочь восстановить подвижность пальцев с поврежденными или разрушенными суставами.

Автоматизированная технологическая цепочка позволит производить персонализированные имплантаты суставов пальцев из металлических или керамических материалов. Ученые Fraunhofer MEVIS начали с разработки программного обеспечения на основе искусственного интеллекта, которое способно преобразовывать двухмерные рентгеновские изображения в трехмерные модели костей пальцев и корректировать любое неправильное положение пальцев. Затем исследователи из Fraunhofer IAPT используют искусственный интеллект для создания индивидуального дизайна имплантата на основе модели пальца и отправки его на 3D-печать. Используется процесс струйной заливки металлического связующего для изготовления сменных соединений с высоким разрешением. Затем имплантаты проходят процесс спекания, где они затвердевают и уплотняются инженерами Fraunhofer IKTS. Затем часть, имеющую форму сетки, можно отправить на финишную обработку, чтобы уменьшить трение и обеспечить лучшее движение при имплантации пациенту.

В ходе этого проекта исследователи разработали ряд инноваций: «Расчет трехмерного дизайна имплантата на основе ИИ на основе 2D-шаблонов, таких как рентгеновские изображения, является совершенно новым и в настоящее время находится на рассмотрении патента», — сообщает доктор. Артур Зайбель, руководитель группы проектирования деталей Fraunhofer IAPT. Его коллега д-р Филипп Имгрунд, глава отдела квалификации аддитивных процессов в Fraunhofer IAPT, добавляет: «Инжиниринг технологических процессов тоже особенный. Поскольку структура стержня имплантата очень тонкая, мы решили использовать метод 3D-печати металлического связующего для титана. Этот метод позволяет очень точно производить небольшие сложные имплантаты, а также позволяет структурировать поверхность стержня таким образом, чтобы он более эффективно врастал в кость. Кроме того, это сводит к минимуму отделочные работы, необходимые для поверхностей стыков, которые должны быть максимально гладкими и без трения». 

Fraunhofer IKTS (группа керамики) также продемонстрировала использование керамических материалов для изготовления имплантатов, которые обрабатываются методом шликерного литья.

Группа Fraunhofer ITEM (группа токсикологии) занималась биосовместимостью материалов и сертификацией имплантатов, а группа Fraunhofer IWM (группа механики материалов) выполняла механическое моделирование деталей.

Инновации Fraunhofer означают, что в будущем можно будет обеспечить эффективное лечение даже в сложных случаях, таких как сильно искривленные пальцы, отсутствие частей кости или очень маленькие суставы. Кроме того, благодаря автоматизированному созданию модели и 3D-печати персонализированный производственный процесс также экономит время: согласно первоначальным расчетам исследователей, можно сэкономить до 60 процентов времени. 

Поскольку конструкция имплантата смоделирована по образцу оригинального сустава, достигнутый уровень подвижности намного выше, чем при использовании доступных в настоящее время решений.