Исследователи из Бирмингемского университета, работающие в партнерстве со специалистами по программному обеспечению Autodesk, Центром производственных технологий (Британский национальный центр аддитивного производства) и Университетскими больницами Бирмингема, использовали метод, называемый генеративным дизайном, для создания имплантата коленного сустава, который может быть использован для лечения остеоартрита.

Документ, подтверждающий концепцию, описывающий комплексный рабочий процесс детального проектирования и передовые производственные процессы для устройства для фиксации костей, разработанного специально для пациента, был опубликован в Прогресс в аддитивном производстве.

Генеративный дизайн использует искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение для проектирования деталей, которые могут быть изготовлены абсолютно оптимально для их использования по назначению. Например, для самолета или автомобиля это может быть компонент, который одновременно легче и прочнее, что приводит к повышению топливной эффективности и снижению выбросов CO₂ выбросы. Это исследование является первым известным применением генеративного дизайна к биомедицинскому имплантируемому устройству.

Возможность использования этой технологии в медицинских целях имеет несколько преимуществ. Например, современные коленные имплантаты для лечения артрита коленного сустава изготавливаются в ограниченном количестве форм и размеров. Хотя для изготовления имплантатов, адаптированных к форме конкретного пациента, начинают применяться новые методы 3D-печати, при этом не учитываются ограничения, налагаемые планированием операции, а также весом пациента или уровнем его активности. Это важные элементы для понимания того, как анатомия пациента и имплантат коленного сустава будут взаимодействовать, и они имеют решающее значение для проектирования имплантата и послеоперационной реабилитации.

Генеративный дизайн позволяет имплантатам быть биомеханически специфичными, поэтому имплантат адаптируется к нагрузке, которую он будет выдерживать. Это также позволяет конечному продукту быть более легким, менее заметным и минимально инвазивным, что означает, что пациент будет заживать быстрее, а также с меньшей вероятностью потребуется повторная операция.

В новом исследовании исследователи описывают, как дизайн, созданный с помощью программного обеспечения Autodesk, может быть изготовлен и переработан в функциональный прототип, включая то, насколько этот процесс может быть автоматизирован.

Аспирант и ведущий исследователь г-н Сандживан Канагалингам из Бирмингемского университета сказал: "Подход "один размер подходит всем", используемый в хирургии коленного сустава для лечения остеоартрита, может привести к серьезным осложнениям, в первую очередь из-за чрезмерно продуманных конструкций имплантатов, и, следовательно, ограничивает применение хирургических вмешательств и результаты лечения пациентов. Этот интегрированный с искусственным интеллектом интерфейс проектирования позволяет нам настраивать индивидуальные параметры планирования операции и учитывать личную биомеханическую информацию, а также синергически комбинировать ее со встроенным производственным интеллектом для моделирования титановых имплантатов медицинского класса, специфичных для каждого пациента ".

Главный исследователь и старший преподаватель, доктор Лорен Томас-Сил, также из Университета Бирмингема, добавила: "Сочетание академических, промышленных и клинических знаний команды, работающей над этим проектом, и обширных дизайнерских возможностей, предлагаемых Generative Design, позволило создать конструкции имплантатов, превосходящие все, что было замечено ранее. Такой подход, учитывая разнообразие проектной команды, позволил разработать процесс проектирования, который может учитывать множество различий между пациентами, например, разницу между массой тела мужчин и женщин".

Следующими шагами будет механическое тестирование устройств, чтобы увидеть, насколько сильно они изгибаются под нагрузками. В случае успеха команда в конечном итоге перейдет к клиническим испытаниям.

Канагалингам заключил: "Этот генеративный подход к проектированию не только повышает специфичность фиксации костей для конкретного пациента, но и служит новой универсальной основой при проектировании несущих имплантатов для конкретных пациентов для бедер, плеч и челюстно-лицевых операций".