Нові індивідуальні суглоби, розроблені за допомогою програмного забезпечення штучного інтелекту та 3D-принтера

Консорціум FingerKIt Інституту Фраунхофера використовує ШІ для розробки персоналізованих суглобових імплантатів, надрукованих на 3D-принтері, щоб за потреби можна було замінити тонкі частини пальців. Консорціум FingerKIt об'єднав п'ять інститутів Фраунгофера: Інститут адитивних технологій виробництва (IAPT), Інститут керамічних технологій та систем (IKTS), Інститут токсикології та експериментальної медицини (ITEM), Інститут механіки матеріалів (IWM) та Інститут для цифрової медицини (MEVIS). Мета полягає в тому, щоб створити ідеальне рішення, яке не зісковзує з місця і відновлює колишній рівень мобільності, пише дослідницький інститут у прес-релізі.

Коли суглоби пальців стають негнучкими, наприклад після спортивної травми або в результаті ревматоїдного артриту, це може серйозно обмежити чиєсь життя і викликати фізичну й розумову напругу. Зараз, якщо суглоб пальця втрачає свою функцію через нещасний випадок або травму, методи лікування обмежені. У більшості випадків проводиться процедура спондилодезу. Цей процес, також відомий як артродез, зазвичай виконується хірургічним шляхом. Під час процедури пошкоджений суглоб випрямляється вручну, хрящ видаляється, а кістки стабілізуються на час, достатній для їхнього природного зрощення. Це призводить до того, що палець не згинається.

У майбутньому рішення, розроблене кількома науково-дослідними інститутами Фраунгофера, може допомогти відновити рухливість пальців із пошкодженими чи зруйнованими суглобами.

Автоматизований технологічний ланцюжок дозволить виробляти персоналізовані імплантати суглобів пальців із металевих або керамічних матеріалів. Вчені Fraunhofer MEVIS розпочали з розробки програмного забезпечення на основі штучного інтелекту, яке здатне перетворювати двовимірні рентгенівські зображення на тривимірні моделі кісток пальців та коригувати будь-яке неправильне положення пальців. Потім дослідники з Fraunhofer IAPT використовують штучний інтелект для створення індивідуального дизайну імплантату на основі моделі пальця та відправки його на 3D-друк. Використовується процес струминного заливання металевого сполучного для виготовлення змінних з'єднань з високою роздільною здатністю. Потім імплантати проходять процес спікання, де вони твердіють та ущільнюються інженерами Fraunhofer IKTS. Потім частину, що має форму сітки, можна відправити на фінішну обробку, щоб зменшити тертя та забезпечити кращий рух при імплантації пацієнта.

У ході цього проєкту дослідники розробили низку інновацій: «Розрахунок тривимірного дизайну імплантату на основі ШІ на основі 2D-шаблонів, таких як рентгенівські зображення, є абсолютно новим і зараз перебуває на розгляді патенту», — повідомляє лікар. Артур Зайбель, керівник групи проєктування деталей Fraunhofer IAPT. Його колега д-р Філіп Імгрунд, голова відділу кваліфікації адитивних процесів у Fraunhofer IAPT, додає: «Інжиніринг технологічних процесів теж особливий. Оскільки структура стрижня імплантату дуже тонка, ми вирішили використати метод 3D-друку металевого сполучного для титану. Цей метод дозволяє дуже точно виробляти невеликі складні імплантати, а також дозволяє структурувати поверхню стрижня таким чином, щоб він ефективніше вростав у кістку. Крім того, це зводить до мінімуму оздоблювальні роботи, необхідні для поверхонь стиків, які мають бути максимально гладкими та без тертя».

Fraunhofer IKTS (група кераміки) також продемонструвала використання керамічних матеріалів виготовлення імплантатів, які обробляються методом шлікерного лиття.

Група Fraunhofer ITEM (група токсикології) займалася біосумісністю матеріалів та сертифікацією імплантатів, а група Fraunhofer IWM (група механіки матеріалів) виконувала механічне моделювання деталей.

Інновації Fraunhofer означають, що в майбутньому можна буде забезпечити ефективне лікування навіть у складних випадках, таких як сильно викривлені пальці, відсутність частин кістки або дуже невеликі суглоби. Крім того, завдяки автоматизованому створенню моделі та 3D-друку персоналізований виробничий процес також заощаджує час: згідно з початковими розрахунками дослідників, можна заощадити до 60 відсотків часу.

Оскільки конструкція імплантату змодельована на зразок оригінального суглоба, досягнутий рівень рухливості набагато вищий, ніж при використанні доступних нині рішень.