2022年12月1日

人工智能实现更大的移动性:从3D打印机植入个性化手指关节

在需求驱动型患者护理领域，因疾病或受伤而受损的手指关节的重新组织是一个新兴市场。由夫劳恩霍夫五所研究所组成的FingerKIt联盟利用人工智能开发个性化的3d打印关节植入物，以便在必要时更换这些精致的手指部位。

例如，在运动事故或类风湿性关节炎之后，当手指关节变得僵硬时，它会严重限制一个人的生活，给他们带来身体和精神上的压力。对于某些职业，如音乐家、外科医生或手艺人，这甚至意味着他们职业生涯的结束。

在未来，夫琅和费添加剂制造技术研究所IAPT、夫琅和费陶瓷技术和系统研究所IKTS、夫琅和费毒理学和实验医学研究所ITEM、夫琅和费材料力学研究所IWM和夫琅和费数字医学研究所MEVIS开发的解决方案可以帮助恢复关节受损或损坏的手指的活动能力。

目前手指关节损伤的治疗方法

目前，如果手指关节因事故或受伤而失去功能，治疗方法是有限的。在大多数情况下，关节是融合的，但这严重限制了患者的日常生活。如果要使用植入体，目前市场上有两种选择:硅胶假体隆胸这类植入物通常很快就会松动，需要在另一种手术中重新植入，或者是基本的标准植入物，这种植入物只有特定的尺寸，不允许完全移动。

以确保最好的可能病人护理因此，目标应该是创建一个完美的合适的解决方案，它不会滑出位置，并恢复到以前的流动性水平。这是一种个性化的植入物。

FingerKIt项目:一个前瞻性产品的众多创新

多亏了FingerKIt项目内的五家夫琅和费研究所提出的一个概念，这一切现在成为可能:一个自动化流程链将允许用金属或陶瓷材料以快速、安全和经过认证的方式生产个性化的手指关节植入物。

夫琅和费MEVIS的科学家们首先开发了一款基于人工智能的软件，它能够将二维x射线图像转换为手指骨骼的三维模型，并纠正手指的任何错位。然后，夫琅和费IAPT的研究人员使用人工智能从手指模型中推导出单个植入体设计，并将其发送给3D打印。由于所涉及的结构非常精细和微妙，科学家们使用金属粘结剂喷射过程，一层一层地建立碎片。然后植入物经过烧结过程，这意味着它们被压实和固化。

在Fraunhofer IKTS，植入物的生产采用了接近净形状的制造方法，这一过程旨在创造尽可能接近最终形状的产品，减少后续加工工作的需要。由于夫琅和费IKTS的专业技术，也可以使用陶瓷材料，这些材料是通过滑移铸造的方式加工的，这是一种特殊的石膏模铸造工艺。夫琅和费项目负责处理关于植入物的生物相容性和认证的问题，而夫琅和费IWM则负责模拟机械负载。

在这个项目的过程中，研究人员已经开发了许多创新，“基于人工智能的计算三维种植体设计从二维模板，如x射线图像是全新的，现在正在申请专利，”Arthur Seibel博士透露，他是Fraunhofer IAPT的部件设计组的负责人。

他的同事Philipp Imgrund博士是Fraunhofer IAPT AM工艺认证部门的负责人，他补充说:“工艺工程也很特殊。由于植体轴的结构非常精细，钛我们选择了金属粘结剂喷射3D打印的方法。这种方法可以非常精确地生产出小而复杂的植体，也使我们能够以一种更有效地生长在骨头上的方式构造植体轴的表面。此外，这可以最大限度地减少接缝表面的加工工作，使其尽可能地光滑和无摩擦。”

病人护理的新标准?

FingerKIt项目的结果对于那些过去无法找到他们需要的帮助的患者来说是一个好消息。夫琅和费的创新意味着，在未来，它将有可能为复杂的病例提供有效的治疗，如严重弯曲的手指，缺失的骨头部分或非常小的关节。此外，由于模型的自动创建和3D打印，个性化生产过程也节省了时间:根据研究人员的初步计算，从确定植入物的需求到将其安装到患者身上，通常需要的时间可能节省高达60%。

这意味着这一过程可以在几天内完成，从而缩短住院时间，从而降低费用。不仅如此，因为植入物设计是模仿原来的关节，实现的移动水平比目前可用的解决方案要大得多。伊姆格兰德博士对该项目的总结如下:“例如，FingerKIt可以完全改变类风湿关节炎的治疗方法。个性化植入可能会成为黄金标准。”