Немецкие ученые подключили искусственный интеллект к проектированию 3D-печатных протезов суставов

Проект носит название FingerKIt и реализуется консорциумом ученых пяти институтов общества Фраунгофера. Команда использует специально разработанное программное обеспечение для конвертации рентгеновских снимков в 3D-модели и проектирования персонализированных имплантатов, затем печатаемых на 3D-принтерах.

Нарушение подвижности суставов, например вследствие ревматоидного артрита или травм, может обернуться катастрофой для людей многих профессий. Группа исследователей из пяти институтов общества Фраунгофера — Исследовательского института аддитивного производства (IAPT), Института керамических технологий и систем (IKTS), Института токсикологии и экспериментальной медицины (ITEM), Института механики материалов (IWM) и Института цифровой медицины (MEVIS) — пытается решить эту проблему, разработав собственную методику восстановления подвижности с использованием аддитивных технологий и проектирования с применением искусственного интеллекта.

В настоящее время методы лечения ограничены. Если требуется эндопротез, доступны две опции — кастомизированные силиконовые имплантаты, быстро смещающиеся и требующие периодического повторного хирургического вмешательства, либо стандартные имплантаты, ограниченные в выборе размеров и только частично восстанавливающие подвижность. Цель исследователей, таким образом, заключалась в разработке метода, позволяющего создавать более эффективные эндопротезы — точно подогнанные и обеспечивающие полный диапазон движений.

Проект FingerKIt основан на максимально автоматизированной технологической цепочке. Искусственный интеллект, разработанный специалистами Института цифровой медицины и Исследовательского института аддитивного производства, преобразует двухмерные рентгеновские изображения в трехмерные модели костей пальцев, вносит необходимые поправки, а затем проектирует индивидуальные имплантаты. Аддитивное производство выполняется по технологии струйно-порошковой 3D-печати (Binder Jetting) с последующим спеканием в готовые изделия. Ввиду высокой точности процесса и возможности получения сложных геометрических форм 3D-печатные имплантаты почти не требуют постобработки.

«Технологические процессы здесь особенные. Поскольку структура стержней имплантатов очень тонкая, мы решили использовать метод струйно-порошковой 3D-печати титаном. Это позволяет очень точно производить небольшие сложные имплантаты, а также структурировать поверхности стержней таким образом, чтобы они более эффективно срастались с костями. Кроме того, это сводит к минимуму отделочные работы над соединяющими поверхностями, которые должны быть как можно более гладкими, чтобы сводить трение к минимуму», — рассказал доктор технических наук Филипп Имгрунд, руководитель отдела квалификации аддитивных производственных процессов IAPT.

Помимо металлических сплавов можно использовать и керамические порошки, хотя в таких случаях вместо 3D-печати используется шликерное литье — этим направлением занимаются ученые Института керамических технологий и систем. За исследования биологической совместимости отвечает Институт токсикологии и экспериментальной медицины, а за моделирование механических нагрузок — Институт механики материалов. Процесс автоматизированного проектирования имплантатов по рентгеновским снимкам с использованием искусственного интеллекта в настоящее время патентуется, а исследователи тем временем подыскивают партнеров для проведения клинических испытаний.

По расчетам ученых, автоматизированное проектирование и аддитивное производство кастомизированных имплантатов позволят добиваться существенной экономии времени — до 60% на полном цикле от диагноза до вживления. Другими словами, имплантат можно получить и установить за считанные дни, а это сократит время госпитализации и вытекающие расходы. Точная подгонка под индивидуальных пациентов, с другой стороны, означает повышенную эффективность в плане восстановления подвижности в сравнении с существующими решениями.

«FingerKIt может полностью изменить подход к лечению ревматоидного артрита. Персонализированные имплантаты могут стать золотым стандартом», — считает профессор Имгрунд.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.