FachartikelPeer Review

Inte­gra­ti­on von 3D-Scans ­mit­tels Smart­phonevi­deo und KI in den digi­ta­len Work­flow für die Her­stel­lung von 3D-­ge­druck­ten Orthesen

T. Jacobi
Die Einbindung von 3D-Scans mittels Smartphonevideo und Künstlicher Intelligenz in den digitalen Arbeitsablauf wird eine nachhaltige Transformation der Orthopädietechnik bewirken. Die Kombination von Smartphone-gestützten 3D-Scans und KI-Algorithmen ermöglicht eine schnellere und kosteneffizientere Herstellung von hochpräzisen, individuellen Orthesen. Die Künstliche Intelligenz optimiert nicht nur den Prozess der Modellierung, sondern überwacht auch den 3D-Druck, um die Qualität und Präzision zu optimieren. Diese Technologie ermöglicht eine patientenorientierte Betreuung, die anpassungsfähiger, effizienter und umweltverträglicher ist und somit neue Standards in der Orthopädie etabliert. Dieser Artikel beschreibt allgemeine technologische Entwicklungen und deren potenzielle Anwendungen in der Orthopädietechnik. Der Fokus liegt auf der Darstellung der Vorteile und Herausforderungen moderner 3D-Scan- und KI-Technologien, unabhängig von spezifischen Anbietern oder Produkten.

Ein­lei­tung

Die Digi­ta­li­sie­rung hat einen signi­fi­kan­ten Wan­del in der Ortho­pä­die­tech­nik eben­so wie in zahl­rei­chen ande­ren Berei­chen der Medi­zin und Tech­nik initi­iert. Ins­be­son­de­re 3D-Scan­tech­no­lo­gien, 3D-Model­lie­rung und 3D-Druck eröff­nen neue Mög­lich­kei­ten zur effi­zi­en­te­ren und prä­zi­se­ren Gestal­tung ortho­pä­di­scher Hilfs­mit­tel wie Orthe­sen und Pro­the­sen1. Tra­di­tio­nel­le Metho­den, die häu­fig zeit­auf­wän­dig und kos­ten­in­ten­siv sind, wer­den zuneh­mend durch digi­ta­le Arbeits­ab­läu­fe sub­sti­tu­iert, die beschleu­nig­te, per­so­na­li­sier­te und kos­ten­ef­fi­zi­en­te­re Lösun­gen ermöglichen.

Diver­se 3D-Scan­tech­ni­ken – von sta­tio­nä­ren Laser­scan­nern bis hin zu trag­ba­ren, hand­ge­führ­ten Gerä­ten – erlau­ben die Erstel­lung von hoch­prä­zi­sen digi­ta­len Abbil­dun­gen von Kör­per­tei­len. Die­se Scans stel­len die Basis für die nach­fol­gen­de drei­di­men­sio­na­le Model­lie­rung dar, bei der vir­tu­el­le Model­le von Orthe­sen oder Pro­the­sen prä­zi­se an die Ana­to­mie des Pati­en­ten ange­passt wer­den. Die­se Model­le kön­nen mit­tels spe­zia­li­sier­ter Soft­ware manu­ell oder auto­ma­ti­siert bear­bei­tet wer­den, um eine opti­ma­le Pass­form und Funk­tio­na­li­tät zu gewähr­leis­ten. In der nach­fol­gen­den Pha­se wird das vir­tu­el­le Modell durch den Ein­satz von 3D-Druck in ein phy­si­sches Pro­dukt trans­for­miert2. Ins­be­son­de­re hat sich das Schmelz­schicht­ver­fah­ren (FFF) als wirt­schaft­li­che Metho­de zur Pro­duk­ti­on indi­vi­dua­li­sier­ter medi­zi­ni­scher Pro­duk­te zuneh­mend etabliert.

Ein zen­tra­ler Aspekt bei der Aus­wahl und Ent­wick­lung neu­er Tech­no­lo­gien ist die Abgren­zung zu bestehen­den Lösun­gen auf dem Markt. Neue­re Sys­te­me set­zen auf web­ba­sier­te Soft­ware, die ohne High-end-Hard­ware aus­kom­men. Im Gegen­satz zu her­kömm­li­chen Ange­bo­ten, die oft teu­re Spe­zi­al­ge­rä­te oder leis­tungs­star­ke Com­pu­ter vor­aus­set­zen, ermög­licht die­se Tech­no­lo­gie die Nut­zung ein­fa­cher Smart­phones für prä­zi­se 3D-Scans. Gleich­zei­tig inte­grie­ren sie fort­schritt­li­che durch Künst­li­che Intel­li­genz (KI) gestütz­te Funk­tio­nen wie auto­ma­ti­sier­te Model­lie­rung und fer­ti­gungs­ge­rech­te Opti­mie­rung, wodurch Zeit, Mate­ri­al und Kos­ten gespart wer­den. Die­se Eigen­schaf­ten machen sie zuneh­mend zu einer pra­xis­ori­en­tier­ten Alter­na­ti­ve, die eine grö­ße­re Anwen­der­grup­pe errei­chen und die Ver­sor­gung mit indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­teln ver­bes­sern kann.

Die Bedeu­tung von KI in die­sen Pro­zes­sen nimmt ste­tig zu. Die Anwen­dung von KI-Algo­rith­men ermög­licht die auto­ma­ti­sier­te Erstel­lung und Modi­fi­ka­ti­on von 3D-Model­len. Sys­te­me, die auf Künst­li­cher Intel­li­genz basie­ren, erlau­ben eine effi­zi­en­te Ana­ly­se von Scan­da­ten, die Iden­ti­fi­zie­rung von Unre­gel­mä­ßig­kei­ten und die Erstel­lung von Kor­rek­tur­vor­schlä­gen. Dar­über hin­aus bie­tet Künst­li­che Intel­li­genz ein Poten­zi­al zur Über­wa­chung des 3D-Druck­ver­fah­rens, indem sie die Druck­qua­li­tät in Echt­zeit über­prüft und bei Abwei­chun­gen inter­ve­niert. Die­se Auto­ma­ti­sie­rung resul­tiert nicht nur in beschleu­nig­ten Arbeits­pro­zes­sen, son­dern auch in erhöh­ter Genau­ig­keit und Kon­sis­tenz in der Produktion.

Eine inno­va­ti­ve Metho­de, die die­se Tech­no­lo­gien wei­ter vor­an­bringt, ist der Ein­satz von 3D-Scans mit­tels Smart­phonevi­deo. Im Unter­schied zu kost­spie­li­gen Spe­zi­al­ge­rä­ten erlau­ben her­kömm­li­che Smart­phones, den betrof­fe­nen Kör­per­be­reich durch die Auf­zeich­nung eines ein­fa­chen 360-Grad-Vide­os zu scan­nen. Durch den Ein­satz von KI-unter­stütz­ter Soft­ware wer­den die­se Video­da­ten in exak­te 3D-Model­le trans­for­miert, die anschlie­ßend unmit­tel­bar zur Modi­fi­ka­ti­on von Orthe­sen genutzt wer­den kön­nen. Die­ser Vor­gang redu­ziert nicht nur die Aus­ga­ben und ver­bes­sert die Zugäng­lich­keit, son­dern beschleu­nigt auch den gesam­ten Arbeits­ab­lauf erheb­lich. Die auto­ma­ti­sier­te Model­lie­rung und Anpas­sung durch künst­li­che Intel­li­genz för­dert zusätz­lich die rasche und indi­vi­du­el­le Pro­duk­ti­on von Orthe­sen – ein fas­zi­nie­ren­der Fort­schritt in der Orthopädietechnik.

Opti­mie­rung von Tech­no­lo­gien für drei­di­men­sio­na­le Scans

Der 3D-Scan stellt die Basis für die digi­ta­le Erfas­sung ana­to­mi­scher Daten dar, die für die Pro­duk­ti­on indi­vi­du­el­ler Orthe­sen erfor­der­lich sind. In der Tech­nik der Ortho­pä­die exis­tie­ren diver­se Ver­fah­ren zur Erstel­lung prä­zi­ser 3D-Model­le von Kör­per­tei­len, die sich in ihrer Funk­ti­ons­wei­se, Prä­zi­si­on und Zugäng­lich­keit unter­schei­den3. Die Aus­wahl der Tech­no­lo­gie ist häu­fig von den Bedürf­nis­sen der Anwen­dung und den ver­füg­ba­ren Res­sour­cen abhängig.

Sta­tio­nä­re 3D-Scan­ner, die auf struk­tu­rier­tem Licht oder Laser­tech­nik beru­hen, zäh­len zu den prä­zi­ses­ten, jedoch auch anspruchs­volls­ten Sys­te­men. Bei struk­tu­rier­ten Licht­scan­nern wird ein Licht­mus­ter auf den Kör­per pro­ji­ziert und die Ver­zer­rung des Mus­ters ermög­licht die Ablei­tung der Form des gescann­ten Objekts4. Im Gegen­satz dazu nut­zen Laser­scan­ner einen Laser­strahl, um Ober­flä­chen prä­zi­se zu mes­sen. Die­se sta­tio­nä­ren Sys­te­me lie­fern detail­lier­te 3D-Model­le mit hoher Auf­lö­sung und Prä­zi­si­on, sind jedoch kost­spie­lig in der Anschaf­fung und ver­lan­gen, dass der Pati­ent wäh­rend des Scan­pro­zes­ses in einer fes­ten Posi­ti­on ver­bleibt. In der Pra­xis kann dies häu­fig unzweck­mä­ßig sein, ins­be­son­de­re bei unru­hi­gen Pati­en­ten oder bei der mobi­len Versorgung.

Hand­ge­führ­te Scan­ner, die auch struk­tu­rier­tes Licht oder Laser­tech­no­lo­gie nut­zen, stel­len eine fle­xi­ble­re Lösung dar. Sie bie­ten dem Ortho­pä­die­tech­ni­ker die Mög­lich­keit, den Scan­ner um den zu erfas­sen­den Kör­per­be­reich zu bewe­gen und somit den Scan­pro­zess zu regu­lie­ren. Dies erweist sich ins­be­son­de­re bei schwer erreich­ba­ren oder unre­gel­mä­ßig geform­ten Kör­per­tei­len als vor­teil­haft. Aller­dings blei­ben Hand­scan­ner nach wie vor rela­tiv kost­spie­lig und ver­lan­gen eine bestimm­te Übung im Umgang, um exak­te Resul­ta­te zu erzielen.

Die Imple­men­tie­rung von Smart­phones mit inte­grier­ten Tie­fen­sen­so­ren, wie sie bei­spiels­wei­se in der Apple-Tech­no­lo­gie vor­han­den sind, hat neue Mög­lich­kei­ten für den 3D-Scan eröff­net5. Die­se Gerä­te ver­wen­den Tie­fen­in­for­ma­tio­nen zur Erfas­sung der Struk­tur eines Objekts. Die Prä­zi­si­on die­ser Scans ist für zahl­rei­che Anwen­dun­gen hin­rei­chend, jedoch nicht so hoch wie bei spe­zia­li­sier­ten Gerä­ten. Dar­über hin­aus tritt häu­fig eine Ver­zer­rung des Umfangs von zylin­dri­schen Objek­ten auf. Die­se Tech­no­lo­gie erlaubt es den Nut­zern, mobi­le 3D-Scans durch­zu­füh­ren, jedoch ist der Ein­satz­be­reich häu­fig auf bestimm­te Gerä­te und Soft­ware beschränkt.

Eine wei­te­re, weit ver­brei­te­te Metho­de ist die Pho­to­gramm­me­trie, die aus einer Viel­zahl von zwei­di­men­sio­na­len Bil­dern ein drei­di­men­sio­na­les Modell gene­riert6 7. Die Erstel­lung eines detail­lier­ten 3D-Modells erfor­dert eine erheb­li­che Men­ge an Fotos aus diver­sen Per­spek­ti­ven. Obgleich die Anwen­dung der Pho­to­gramm­me­trie rela­tiv unkom­pli­ziert ist und kei­ne kost­spie­li­ge Spe­zi­al­hard­ware erfor­dert, zeigt sie im All­ge­mei­nen ver­län­ger­te Ver­ar­bei­tungs­zei­ten und eine redu­zier­te Prä­zi­si­on im Ver­gleich zu ande­ren Methoden.

Ein Ansatz der Fir­ma 3D-Med­ico (Ber­lin) stellt den Ein­satz von KI-gestütz­ten 3D-Scans mit­tels Smart­phonevi­deo dar. In die­sem Ver­fah­ren wird ein 360-Grad-Video des zu scan­nen­den Kör­per­be­reichs mit­hil­fe eines han­dels­üb­li­chen Smart­phones auf­ge­nom­men8. Die auf Künst­li­cher Intel­li­genz basie­ren­de Onlines­oft­ware unter­sucht das Full-HD-Video und kon­ver­tiert es in weni­gen Minu­ten in ein exak­tes 3D-Modell (Abb. 1). Die KI erkennt dabei basie­rend auf Trai­nings­da­ten die Kör­per­tei­le, redu­ziert die Bild­da­ten auf die nöti­gen Details für eine schnel­le­re und genaue­re Ver­ar­bei­tung und berei­nigt das 3D-Modell.

Die Genau­ig­keit von 3D-Scans mit­tels Smart­phonevi­deo zeig­te sich in ers­ten Ver­su­chen durch eine hohe Kon­sis­tenz sowohl bei der wie­der­hol­ten Ver­ar­bei­tung eines ein­zel­nen Vide­os als auch bei der Erstel­lung von Model­len aus ver­schie­de­nen Auf­nah­men des­sel­ben Objekts. Bei einer inter­nen Ana­ly­se eines Video-3D-Scan­pro­to­ty­pen, bei dem 20 Mal das­sel­be Video ger­en­dert wur­de, betrug die Stan­dard­ab­wei­chung nur 0,1 mm. Dies deu­tet auf eine bemer­kens­wer­te Zuver­läs­sig­keit und Prä­zi­si­on bei der Repro­duk­ti­on der 3D-Model­le hin. Bei der Ver­wen­dung von 20 ver­schie­de­nen Vide­os des­sel­ben Objekts lag die Stan­dard­ab­wei­chung bei 0,25 mm, was eben­falls eine gute Kon­sis­tenz belegt, jedoch gering­fü­gi­ge Abwei­chun­gen auf­grund nor­ma­ler Varia­tio­nen bei der Daten­er­fas­sung wider­spie­gelt. Die­se ers­ten Ergeb­nis­se bele­gen die Eig­nung für ortho­pä­di­sche Anwen­dun­gen. Um die Aus­sa­ge­kraft zu erwei­tern, plant 3D-Med­ico eine Zusam­men­ar­beit mit Uni­ver­si­tä­ten, um wei­te­re Stu­di­en und Ver­gleichs­tests durchzuführen.

Die­ser Ansatz weist eini­ge Vor­zü­ge auf: Er ist kos­ten­ef­fi­zi­ent, da er kei­ne kost­spie­li­gen Zusatz­ge­rä­te erfor­dert, und auf­grund der wei­ten Ver­brei­tung von Smart­phones ist er nahe­zu über­all anwend­bar. Zudem ermög­licht die Video­auf­nah­me eine intui­ti­ve und schnel­le Durch­füh­rung des Scan­pro­zes­ses, was die Effi­zi­enz im Arbeits­ab­lauf erhö­hen kann9.

Die Anwen­dung von Künst­li­cher Intel­li­genz im 3D-Scan­pro­zess ermög­licht eine effi­zi­en­te Ana­ly­se der auf­ge­nom­me­nen Daten, indem poten­zi­el­le Feh­ler früh­zei­tig erkannt und kor­ri­giert wer­den. Dies sorgt für eine prä­zi­se Anpas­sung der Scans an die ana­to­mi­schen Gege­ben­hei­ten des Pati­en­ten und redu­ziert gleich­zei­tig den manu­el­len Auf­wand erheb­lich. Durch die auto­ma­ti­sier­te Daten­be­rei­ni­gung und Opti­mie­rung des Modells gewähr­leis­tet die KI eine kon­stant hohe Qua­li­tät der erstell­ten Scans. Im Ver­gleich zu her­kömm­li­chen Ver­fah­ren, die oft zeit­in­ten­si­ve Nach­be­ar­bei­tun­gen erfor­dern, lie­fert die KI-gestütz­te Tech­no­lo­gie inner­halb kür­zes­ter Zeit exak­te und ver­wert­ba­re Ergeb­nis­se. Dabei trägt die Qua­li­tät der zugrun­de lie­gen­den Trai­nings­da­ten ent­schei­dend zur Prä­zi­si­on und Zuver­läs­sig­keit des Pro­zes­ses bei10.

Trotz der Vor­tei­le der KI-gestütz­ten 3D-Scan­tech­no­lo­gie gibt es auch eini­ge Nach­tei­le, die berück­sich­tigt wer­den müs­sen. Die Prä­zi­si­on der erstell­ten Model­le hängt stark von der Qua­li­tät des auf­ge­nom­me­nen Vide­os sowie der Leis­tung der ein­ge­setz­ten KI-Algo­rith­men ab. Fak­to­ren wie man­gel­haf­te Beleuch­tung oder unru­hi­ge Kame­ra­füh­rung kön­nen zu Abwei­chun­gen im Modell füh­ren, was die Genau­ig­keit und Ver­wend­bar­keit ein­schrän­ken kann. Zwar lässt sich dies teil­wei­se durch den Ein­satz von Scan­stof­fen kom­pen­sie­ren, jedoch ist die Tech­no­lo­gie auf Scans beschränkt, bei denen ent­we­der aus­rei­chend Struk­tur auf der Haut vor­han­den ist oder durch die­se Mate­ria­li­en künst­lich erzeugt wird (Abb. 2). Dadurch eig­net sich das Ver­fah­ren nicht für alle Krank­heits­bil­der oder Pati­en­ten­grup­pen. Zusätz­lich begrenzt die noch rela­tiv gerin­ge Men­ge an Trai­nings­da­ten­sät­zen die Prä­zi­si­on der KI, wodurch die Unter­stüt­zung in man­chen Sze­na­ri­en ein­ge­schränkt bleibt. Mit zuneh­men­der Men­ge und Qua­li­tät der Trai­nings­da­ten ist jedoch eine Ver­bes­se­rung der Zuver­läs­sig­keit zu erwarten.

Von der manu­el­len Gestal­tung zur KI-unter­stütz­ten Anpassung

Die Model­lie­rung von Orthe­sen stellt den ent­schei­den­den Pro­zess zwi­schen der Erfas­sung von 3D-Daten und der end­gül­ti­gen Pro­duk­ti­on dar. Tra­di­ti­ons­ge­mäß wird die Model­lie­rung mit­tels CAD-Soft­ware (Com­pu­ter-Aided Design) durch­ge­führt, bei der Ortho­pä­die­tech­ni­ker manu­ell 3D-Model­le gene­rie­ren oder bestehen­de Scan­da­ten modi­fi­zie­ren11. Die­ses Ver­fah­ren ver­langt weit­rei­chen­de Fach­kennt­nis­se sowie Genau­ig­keit und Erfah­rung im Umgang mit der Soft­ware. Obwohl manu­el­le Model­lie­rung Fle­xi­bi­li­tät bie­tet, ist sie zeit­in­ten­siv und anfäl­lig für mensch­li­che Feh­ler, ins­be­son­de­re bei der prä­zi­sen Nach­bil­dung kom­ple­xer ana­to­mi­scher Strukturen.

Ein alter­na­ti­ves Ver­fah­ren stellt die skript­ba­sier­te Model­lie­rung dar, bei der für bestimm­te Model­le vor­de­fi­nier­te Skrip­te oder Algo­rith­men genutzt wer­den12. In die­sem Zusam­men­hang kann die Soft­ware Model­le gene­rie­ren, die auf vor­de­fi­nier­ten Para­me­tern basie­ren und an stan­dar­di­sier­te Pati­en­ten­ty­pen ange­passt sind. Die­se Metho­dik führt zu einer Zeit­er­spar­nis, da ein­zel­ne Modi­fi­ka­tio­nen nicht manu­ell durch­ge­führt wer­den müs­sen. Jedoch sto­ßen skript­ba­sier­te Sys­te­me rasch an ihre Gren­zen, ins­be­son­de­re in Bezug auf die Berück­sich­ti­gung indi­vi­du­el­ler ana­to­mi­scher Beson­der­hei­ten oder spe­zi­fi­scher medi­zi­ni­scher Anfor­de­run­gen. Ein zusätz­li­ches Hin­der­nis ist die Behe­bung von Hal­tungs­feh­lern, die oft bei Pati­en­ten mit Fehl­stel­lun­gen auf­tre­ten. Die prä­zi­se Bestim­mung der kor­rek­ten Hal­tung und Anord­nung der Ex­tremitäten stellt eine Her­aus­for­de­rung dar, was zu unge­nau­en Model­len und sub­op­ti­ma­len Orthe­sen füh­ren kann.

An die­sem Punkt wird die Künst­li­che Intel­li­genz zuneh­mend in der Model­lie­rung von Orthe­sen zum Ein­satz kom­men. Einen inter­es­san­ten Ansatz von 3D-Med­ico stellt die KI-basier­te Kor­rek­tur der Hal­tung durch bio­me­cha­ni­sche 3D-Ske­lett­mo­del­le dar. Die Soft­ware ver­wen­det das erfass­te drei­di­men­sio­na­le Modell des Pati­en­ten und stellt es einem vir­tu­el­len bio­me­cha­ni­schen Ske­lett gegen­über, wel­ches die gegen­wär­ti­gen und opti­ma­len Kör­per­hal­tun­gen und Posi­tio­nen vor­schreibt (Abb. 3). Die Künst­li­che Intel­li­genz ist in der Lage, Feh­ler zu iden­ti­fi­zie­ren und das drei­di­men­sio­na­le Modell gemäß den gege­be­nen Direk­ti­ven zu kor­ri­gie­ren. Dies resul­tiert in einer signi­fi­kant genaue­ren Anpas­sung der Orthe­se an die tat­säch­li­che Kör­per­form und opti­miert die Funk­tio­na­li­tät und den Tra­ge­kom­fort erheblich.

Ein wei­te­rer inno­va­ti­ver Ansatz, wie er u. a. von 3D-Med­ico ver­folgt wird, ist die Ent­wick­lung von Orthe­sen­soft­ware, die auf Künst­li­cher Intel­li­genz basiert13. Die­se Soft­ware führt den Nut­zer durch den gesam­ten Pro­zess der Model­lie­rung, von der Säu­be­rung der Scan­da­ten bis zur abschlie­ßen­den Modi­fi­ka­ti­on des Modells. Die Soft­ware iden­ti­fi­ziert auto­ma­tisch ana­to­mi­sche Merk­ma­le und wesent­li­che Para­me­ter wie Gelenk­po­si­tio­nen mit­tels KI-Algo­rith­men. Die Benut­zer­schnitt­stel­le ist so kon­zi­piert, dass selbst ohne umfas­sen­des CAD-Ver­ständ­nis eine indi­vi­du­el­le Anpas­sung der Orthe­se durch­ge­führt wer­den kann.

Ein wesent­li­cher Vor­teil die­ser KI-gestütz­ten Model­lie­rungs­tech­ni­ken liegt in der erheb­li­chen Zeit­er­spar­nis und der Effi­zi­enz­stei­ge­rung. Wäh­rend die manu­el­le Model­lie­rung oft bis zu meh­re­re Stun­den in Anspruch nimmt, redu­ziert die Auto­ma­ti­sie­rung den Arbeits­auf­wand signi­fi­kant auf weni­ge Minu­ten. Zudem sorgt die KI für eine kon­sis­ten­te Hal­tungs­kor­rek­tur und eine prä­zi­se Anpas­sung des Modells, wodurch die Genau­ig­keit und die Funk­tio­na­li­tät der pro­du­zier­ten Orthe­sen gestei­gert wer­den. Dies ermög­licht eine schnel­le­re und indi­vi­du­el­le­re Patientenversorgung.

Gleich­zei­tig müs­sen jedoch auch die Ein­schrän­kun­gen sol­cher Sys­te­me berück­sich­tigt wer­den. Die Qua­li­tät und Prä­zi­si­on der Ergeb­nis­se hän­gen maß­geb­lich von der Güte der ein­ge­speis­ten Daten und der Trai­nings­al­go­rith­men ab. Dies bedeu­tet, dass Feh­ler in den Aus­gangs­da­ten oder unzu­rei­chend trai­nier­te Algo­rith­men zu unge­nau­en Model­len füh­ren kön­nen, ins­be­son­de­re bei kom­ple­xen ana­to­mi­schen Struk­tu­ren oder spe­zi­fi­schen Fehl­stel­lun­gen. In sol­chen Fäl­len ist häu­fig eine manu­el­le Nach­be­ar­bei­tung erfor­der­lich, um die Orthe­se den indi­vi­du­el­len Bedürf­nis­sen anzu­pas­sen. Zudem ist die Funk­tio­na­li­tät der Soft­ware durch die begrenz­te Men­ge an Trai­nings­da­ten bis­her ein­ge­schränkt. Um bei­spiels­wei­se Gelenk­po­si­tio­nen oder Hal­tungs­kor­rek­tu­ren zuver­läs­sig zu iden­ti­fi­zie­ren, sind umfang­rei­che, qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ge Daten­sät­ze erfor­der­lich. Aktu­ell sind die­se oft noch nicht aus­rei­chend, um alle mög­li­chen Anwen­dungs­fäl­le abzudecken.

Trotz die­ser Her­aus­for­de­run­gen bie­tet der Ansatz durch sei­ne Zeit­ef­fi­zi­enz und Prä­zi­si­on deut­li­che Vor­tei­le und stellt eine viel­ver­spre­chen­de Ergän­zung zu bestehen­den manu­el­len und skript­ba­sier­ten Model­lie­rungs­me­tho­den dar. Per­spek­ti­visch wird erwar­tet, dass die fort­schrei­ten­de Ent­wick­lung der Algo­rith­men und die Erwei­te­rung der zugrun­de lie­gen­den Trai­nings­da­ten die Anwen­dungs­brei­te und Zuver­läs­sig­keit der KI-gestütz­ten Model­lie­rung wei­ter verbessern.

3D-Druck: Pro­zess­über­wa­chung durch Künst­li­che Intelligenz

In den ver­gan­ge­nen Jah­ren hat der 3D-Druck eine zen­tra­le Rol­le in der Ortho­pä­die­tech­nik ein­ge­nom­men, ins­be­son­de­re für die Pro­duk­ti­on indi­vi­dua­li­sier­ter Orthe­sen14. Es exis­tie­ren unter­schied­li­che Ver­fah­ren für den 3D-Druck, die je nach Mate­ri­al, Anfor­de­run­gen und Kos­ten ange­wen­det wer­den kön­nen15. Die Ste­reo­li­tho­gra­fie (SLA), selek­ti­ves Laser­sin­tern (SLS) und das Fused Fila­ment Fabri­ca­ti­on (FFF), auch als Schmelz­schicht­ver­fah­ren bekannt, sind die gän­gigs­ten Ver­fah­ren16.

SLA-Dru­cker nut­zen flüs­si­ges Harz, das mit­tels spe­zi­fi­scher Licht­strah­len aus­ge­här­tet wird, um schicht­wei­se hoch­prä­zi­se Objek­te zu gene­rie­ren. Die­ses Ver­fah­ren ist durch sei­ne außer­or­dent­li­che Prä­zi­si­on und glat­te Ober­flä­chen gekenn­zeich­net, ist jedoch auf­grund der Mate­ri­al­kos­ten und der erfor­der­li­chen Nach­be­ar­bei­tung nicht immer opti­mal für den Ein­satz in der Ortho­pä­die­tech­nik geeignet.

SLS ope­riert mit pul­ver­ar­ti­gen Mate­ria­li­en, die mit­tels Laser­tech­no­lo­gie ver­bun­den wer­den. Die­ses Ver­fah­ren zeich­net sich durch hohe Fes­tig­keit und Mate­ri­al­viel­falt aus, ver­langt jedoch kost­spie­li­ge Maschi­nen und ist ins­be­son­de­re für indus­tri­el­le Anwen­dun­gen geeignet.

Das am häu­figs­ten ange­wand­te Ver­fah­ren ist jedoch das Fused Fila­ment Fabri­ca­ti­on (FFF), wel­ches ther­mo­plas­ti­sche Mate­ria­li­en in Schicht­struk­tur kon­stru­iert. Im Ver­gleich zu ande­ren Ver­fah­ren ist FFF kos­ten­ef­fi­zi­ent und viel­sei­tig, da es in der Lage ist, mit einer Viel­zahl von Mate­ria­li­en zu arbei­ten, ein­schließ­lich recy­cel­ba­rer und bio­lo­gisch abbau­ba­rer Kunst­stof­fe. Die­se Fle­xi­bi­li­tät des Mate­ri­als qua­li­fi­ziert FFF beson­ders für die Pro­duk­ti­on von Orthe­sen, die an die spe­zi­el­len Anfor­de­run­gen der Pati­en­ten ange­passt wer­den müssen.

Obwohl FFF zahl­rei­che Vor­tei­le auf­weist, exis­tie­ren den­noch eini­ge Her­aus­for­de­run­gen, die im Pro­duk­ti­ons­pro­zess in Betracht gezo­gen wer­den müs­sen. Typi­sche Schwie­rig­kei­ten umfas­sen Aus­wahl unge­eig­ne­ter Mate­ria­li­en, Schicht­ver­schie­bun­gen und Tem­pe­ra­tur­ab­wei­chun­gen, die zu Feh­lern im End­pro­dukt füh­ren kön­nen. Die­se Feh­ler sind oft schwer vor­her­seh­bar und kön­nen die Qua­li­tät und Pass­ge­nau­ig­keit der gedruck­ten Orthe­sen beein­träch­ti­gen. Dar­über hin­aus erfor­dert der Druck­pro­zess bei FFF eine prä­zi­se Steue­rung von Druck­pa­ra­me­tern wie der Extru­si­ons­tem­pe­ra­tur, der Schicht­hö­he und der Druck­ge­schwin­dig­keit, um opti­ma­le Resul­ta­te zu erzielen.

Die Ein­bin­dung von Künst­li­cher Intel­li­genz lie­fert inno­va­ti­ve Lösun­gen zur Über­wa­chung und Opti­mie­rung des 3D-Druck­pro­zes­ses. Sys­te­me, die auf Künst­li­cher Intel­li­genz basie­ren, ana­ly­sie­ren den Druck­pro­zess in Echt­zeit und sind in der Lage, Abwei­chun­gen früh­zei­tig zu iden­ti­fi­zie­ren17. Ein wei­te­res zen­tra­les Anwen­dungs­ge­biet der Künst­li­chen Intel­li­genz ist in die­sem Kon­text die Unter­su­chung der Schicht­qua­li­tät. Die kon­ti­nu­ier­li­che Über­prü­fung jeder gedruck­ten Schicht ermög­licht es der Künst­li­chen Intel­li­genz, die gleich­mä­ßi­ge Appli­ka­ti­on des Mate­ri­als zu gewähr­leis­ten und dabei Schicht­ver­schie­bun­gen oder Lücken zu ver­mei­den. Dies resul­tiert in einer erheb­lich erhöh­ten Genau­ig­keit und Kon­sis­tenz, ins­be­son­de­re bei (ana­to­misch) kom­ple­xen Model­len, die in der Ortho­pä­die­tech­nik oft­mals erfor­der­lich sind. Bis­her wer­den Druck­feh­ler jedoch ledig­lich iden­ti­fi­ziert und bei erheb­li­chen Feh­lern wird der Anwen­der dar­über infor­miert oder der Druck auto­ma­tisch abgebrochen.

Die Vor­tei­le der Pro­zess­über­wa­chung durch Künst­li­che Intel­li­genz im FFF-Ver­fah­ren sind offen­sicht­lich: Durch die Auto­ma­ti­sie­rung der Qua­li­täts­kon­trol­le und die Ver­bes­se­rung der Druck­pa­ra­me­ter wird der Aus­schuss redu­ziert und die Pro­duk­ti­ons­zeit ver­kürzt. Dies ist ins­be­son­de­re in der Ortho­pä­die­tech­nik von Bedeu­tung, in der indi­vi­dua­li­sier­te Orthe­sen häu­fig unter Zeit­druck pro­du­ziert wer­den müs­sen, um die Ver­sor­gung der Pati­en­ten zügig zu gewährleisten.

Es exis­tie­ren jedoch auch Schwie­rig­kei­ten bei der Inte­gra­ti­on von Künst­li­cher Intel­li­genz in den Druck­pro­zess. Die KI-Sys­te­me erfor­dern eine erheb­li­che Daten­men­ge, um ihre Ver­läss­lich­keit zu gewähr­leis­ten. Dies impli­ziert, dass weit­rei­chen­de Prü­fun­gen und Kali­brie­run­gen not­wen­dig sind, bevor die Tech­no­lo­gie in der Pra­xis flä­chen­de­ckend ange­wen­det wer­den kann. Dar­über hin­aus ist die Imple­men­tie­rung sol­cher Sys­te­me mit zusätz­li­chen Aus­ga­ben ver­bun­den, die sich jedoch auf­grund der Effi­zi­enz­stei­ge­run­gen und der Qua­li­täts­ver­bes­se­rung lang­fris­tig ren­tie­ren kön­nen18.

Fazit

Die Inte­gra­ti­on von 3D-Scan­tech­no­lo­gien, KI-gestütz­ter Model­lie­rung und 3D-Druck bie­tet bedeu­ten­de Mög­lich­kei­ten zur Wei­ter­ent­wick­lung der Ortho­pä­die­tech­nik, wobei jedoch sowohl die Stär­ken als auch die Gren­zen der Tech­no­lo­gien zu beach­ten sind. Die Anwen­dung von Künst­li­cher Intel­li­genz erlaubt eine Auto­ma­ti­sie­rung zen­tra­ler Pro­zes­se, was zu einer deut­li­chen Effi­zi­enz­stei­ge­rung und ver­bes­ser­ten Genau­ig­keit bei der Pro­duk­ti­on indi­vi­du­el­ler Orthe­sen führt. Beson­ders die Kom­bi­na­ti­on aus Smart­phone-basier­ten 3D-Scans und KI-gesteu­er­ter Model­lie­rung erleich­tert den Zugang zu qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­gen, pati­en­ten­spe­zi­fi­schen Lösun­gen und macht die­se Tech­no­lo­gie einer brei­te­ren Anwen­der­grup­pe zugänglich.

Gleich­zei­tig zeigt sich, dass der Erfolg die­ser Tech­no­lo­gien stark von der Qua­li­tät der ein­ge­speis­ten Daten, den ein­ge­setz­ten Algo­rith­men und der spe­zi­fi­schen Anwen­dungs­si­tua­ti­on abhängt. So kön­nen unzu­rei­chen­de Trai­nings­da­ten oder feh­ler­haf­te Aus­gangs­da­ten zu Abwei­chun­gen in den Ergeb­nis­sen füh­ren, was teil­wei­se manu­el­le Nach­be­ar­bei­tun­gen erfor­der­lich macht.

Die durch Künst­li­che Intel­li­genz unter­stütz­te Kon­trol­le des 3D-Druck­ver­fah­rens trägt dazu bei, Feh­ler zu redu­zie­ren und die Kon­sis­tenz der End­pro­duk­te zu ver­bes­sern. Dies führt nicht nur zu einer gestei­ger­ten Qua­li­tät, son­dern auch zu ver­kürz­ten Pro­duk­ti­ons­zei­ten. Trotz der bestehen­den Her­aus­for­de­run­gen und Ein­schrän­kun­gen bie­ten die­se Tech­no­lo­gien lang­fris­tig erheb­li­che Vor­tei­le, dar­un­ter eine effi­zi­en­te­re, prä­zi­se­re und nach­hal­ti­ge­re Versorgung.

Mit zuneh­men­der Ver­füg­bar­keit hoch­wer­ti­ger Trai­nings­da­ten und wei­te­ren Fort­schrit­ten in der Ent­wick­lung der KI-Algo­rith­men wird erwar­tet, dass die Anwen­dungs­brei­te und Zuver­läs­sig­keit die­ser Tech­no­lo­gien wei­ter zuneh­men. Ins­ge­samt stel­len sie eine viel­ver­spre­chen­de Ergän­zung zu bestehen­den Ver­fah­ren dar und set­zen neue Stan­dards in der pati­en­ten­zen­trier­ten Orthopädietechnik.

 

Inter­es­sen­kon­flikt:
Der Autor ist Grün­der und Geschäfts­füh­rer von 3D-Medico.


Der Autor:
Tino Jaco­bi
3D-Medico
Teu­to­nen­str. 74
12524 Berlin
Tel.: 0152 3665 2844
info@3d-medico.de
www.3d-medico.de

 

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Jaco­bi T. Inte­gra­ti­on von 3D-Scans mit­tels Smart­phonevi­deo und KI in den digi­ta­len Work­flow für die Her­stel­lung von 3D-gedruck­ten Orthe­sen. ­Ortho­pä­die Tech­nik, 2025; 76 (1): 32–37

 

 

Quel­len­ver­zeich­nis

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  2. Klep­pe PS, Rek­dals­bak­ken W. Auto­ma­tic pro­duc­tion of pati­ent-adapt­ed ortho­pae­dic braces using 3D-model­ling tech­no­lo­gy. ECMS, 2020. https://www.scs-europe.net/dlib/2020/ecms2020acceptedpapers/0161_mct_ecms2020_0047.pdf (Zugriff am 15.10.2024)
  3. Groß­mann F, Kerkhoff A. Der digi­ta­le Ver­sor­gungs­pro­zess für die unte­ren Extre­mi­tä­ten Teil 1: 3D-Scan­nen – Tech­ni­sche Mög­lich­kei­ten und prak­ti­sche Umset­zung. ­Ortho­pä­die Tech­nik, 2023; 74 (4): 36–43
  4. Koneva V. Indi­vi­du­ell und schnell gefer­tigt: ­Kor­setts aus dem 3D-Scan­ner. Device­Med, 2023. ­https://www.devicemed.de/orthopaedie-3d-scanner-a-493d16302b295a89bb66b840c4fd90d0/ (Zugriff am 15.10.2024)
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  8. 3D-Med­ico. Video-3D-Scan. https://3d-medico.de/3d-scan.html (Zugriff am 15.10.2024)
  9. 3D-Med­ico. Video-3D-Scan. https://3d-medico.de/3d-scan.html (Zugriff am 15.10.2024)
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  13. 3D-Med­ico. 3D-Soft­ware. https://3d-medico.de/3d-software.html (Zugriff am 15.10.2024)
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