Imaging and digital design for medical applications of additive manufacturing

Abstract

Since their inception in the late 80s, additive manufacturing (AM) technologies have contributed largely in the paradigm change of production engineering. A focal area where these processes offer exceptional contemporary applications and future potential is the medical milieu; low production volumes, high degree of customization, and complexity of required shapes are strong drivers leading towards digital fabrication.

Medical applications of additive manufacturing are classified to span five distinct categories: medical models, external prostheses and guides, surgical tools, inert implants, and biomanufacturing. The primary aim for this dissertation is to develop the five-step process for medical applications of AM: medical imaging, digital design, fabrication, post-processing, and clinical application.

In the center of a successful clinical AM application lies the digital design phase. The results of this dissertation present optimization framework for medical imaging in order to ensure quality of source material for the designs. Subsequently, the design step is enhanced by developing and presenting practical and computational methods for design automation and conversion techniques into efficient clinical applications.

The research focusing on the critical steps of the process is complemented with a holistic view on the complete process. Apart from the technical solutions offered, the collaborative needs, and information and communication flows within the process are essential for successful medical application of additive manufacturing. Critical future research topics required in the research area include novel material and software development as well as more efficient utilization of existing technologies.

Ainetta lisäävä valmistus (additive manufacturing, AM) on ollut noin kolmen vuosikymmenen ajan merkittävä tekijä valmistustekniikan paradigman muutoksessa. Lääketiede ja terveydenhoito ovat näille tekniikoille erityisen kiinnostava sovelluskohde; matalat tuotantovolyymit, korkea kustomoinnin aste, sekä vaadittujen rakenteiden kompleksisuus ovat tekijöitä, jotka ajavat kohti digitaalista tuotantoa.

Ainetta lisäävän valmistuksen lääketieteelliset sovellukset ovat järjestettävissä viiteen luokkaan: lääketieteelliset mallit, kehon ulkopuoliset proteesit ja ohjurit, kirurgiset työkalut, kehonsisäiset implantit, sekä biovalmistus. Tämän väitöstutkimuksen päätavoite on ainetta lisäävän valmistuksen lääketieteellisten sovellusten viisivaiheisen prosessin kehittäminen: lääketieteellinen kuvantaminen, digitaalinen suunnittelu, valmistus, jälkikäsittely, ja kliininen sovellus.

Onnistuneen kliinisen AM-sovelluksen toteuttamisessa kriittinen vaihe on digitaalinen suunnittelu. Tämän väitöstutkimuksen tulokset muodostavat rungon lääketieteellisen kuvantamisen optimoimiseen, jotta suunnittelussa tarvittava lähdemateriaalin laatu turvataan. Suunnitteluvaihetta tehostetaan kehittämällä käytännöllisiä ja laskennallisia menetelmiä suunnitteluautomaatioon ja konversioon kohti tehokasta, onnistunutta kliinistä applikaatiota.

Prosessin kriittisten vaiheiden tutkimusta täydennetään koko prosessin yleiskuvauksella. Tässä tutkimuksessa tuotettujen teknisten ratkaisujen ohella yhteistyö sekä informaatio- ja kommunikaatiovuot prosessin ja verkoston osien välillä ovat tärkeitä. Tulevaisuuden tutkimuskohteista tällä alueella tärkeimpiä ovat uusien materiaalien sekä ohjelmistojen kehitys, ja olemassaolevien tekniikoiden tehokkaampi hyödyntäminen.