第1章组织设想
1.1 创业背景
随着家养宠物数量的增加，人们对宠物福利和护理的关注程度也增加了。人们更加重视宠物的健康、营养、行为训练和医疗保健等方面，提供更好的生活条件和照顾。相关的宠物市场也得到了极大的发展。宠物医疗保健行业有更多的商机和就业机会产生。而家用宠物由于营养不良、过度生长、遗传因素、缺乏运动、外伤和意外伤害、老龄化等原因，易产生骨骼上的疾病如骨骼畸形、骨关节炎、滑膜炎、骨质疏松症、骨肿瘤、骨缺损。因此，迫切需要一种改善骨移植物成骨和减少自体骨量的方法。而用于骨组织工程的3D打印多孔陶瓷技术，极大地推动了骨再生的研究和发展[1]。
在宠物骨骼移植术后，我们会给宠物配上一个可穿戴设备用于术后监测，该设备通过多传感器融合技术和AI算法对宠物进行全方位的指标探察和术后分析，分析结果可以反馈到前端进行骨骼材料的改进，并且通过FPGA的并行计算能力，可以大幅提高AI算法运行速度和处理性能。
在为宠物提供优质的医疗服务的同时，企业需要确保客户的隐私数据得到充分保护。这不仅能够树立企业的良好口碑，还能够在激烈的市场竞争中占据有利地位。保护隐私数据对于维护客户隐私权益至关重要。一旦客户的个人信息或宠物的医疗信息泄露，可能给客户带来不必要的困扰甚至损失。因此，通过采取严格的数据加密措施、完善的数据管理制度以及合规的数据传输和存储方式，确保客户隐私数据的安全，对于企业而言是一项重要的职责。
此外，许多潜在客户对于隐私保护可能持观望态度[2][3]。他们对于提供个人信息以及宠物医疗信息可能会有所顾虑，担心数据安全问题。企业若能展示出对隐私保护的重视和实力，以及采取有效的措施确保客户数据的安全性，将有助于打消潜在客户的疑虑，吸引更多的客户选择企业的服务。
1.2 公司名称和定位
公司名称：New Born动物医疗器械股份有限公司。
公司定位：专注于研发和销售3D宠物骨骼打印及相关健康检测产品的高新技术企业，主要体现为高技术材料。
机构性质：高新技术企业。
机构的愿景：通过创新的技术和解决方案改善动物医疗领域。
机构的目标：提供个性化的3D打印多孔陶瓷动物骨骼和动物骨骼手术术后智能检测可穿戴设备，以支持兽医师和动物的健康和康复。
机构的价值观：诚信、创新、生态和谐、人文关怀。
机构的使命：倡导和践行保护关爱动物，平等看待动物的生命和健康问题，关爱生态环境，勇于创新，倡导人与自然、人与动物和谐共生。
1.3 主要业务类型
AI优化的个性化3D打印多孔陶瓷动物骨骼和动物骨骼手术术后智能检测可穿戴设备。
1.4 组织运作模式
（1）产品开发和生产：公司将聘请专业团队进行研发和设计，开发3D打印多孔陶瓷动物骨骼和动物骨骼手术术后智能检测可穿戴设备。
（2）供应链管理：建立供应链合作伙伴关系，确保材料的供应、生产的及时交付和质量控制。
（3）销售与营销：开展市场调研，制定销售策略，与兽医诊所、动物医院等合作伙伴建立合作关系，并通过线上线下渠道推广和销售产品。
（4）售后服务：提供客户支持和售后服务，包括产品的维修、技术咨询和培训。
第2章研究现状
2.1 3D打印陶瓷技术的现状
2.1.1 3D打印陶瓷技术的特点和方法
陶瓷部件的加工极其困难，通常需要使用金刚石工具或激光加工，此外，由于陶瓷材料的断裂韧性低，硬加工会导致产品质量下降，因为可能会出现切屑或裂纹。因此，我们迫切需要一种高效、准确、无损的陶瓷成型方法[4]。而3D打印陶瓷作为一种先进的增材制造技术，具有近净成形、无模具制造、可定制性和快速成型的特点[5][6][7]，在定制手术工具、个体专用假肢、支架、牙科瓷器和多孔陶瓷过滤器制造等方面具有广泛的前景[8]。3D打印陶瓷的方法主要有喷墨打印（IJP）、直接墨水书写（DIW）如图1所示；光固化（SLA）如图2所示；选择性激光烧结（SLS）如图3所示；层压物体制造（LOM）如图4所示；粘合剂喷射（3DP）如图5所示[1]。
2.1.2 3D打印陶瓷在动物医疗领域的应用
3D打印多孔陶瓷在动物医疗领域具有广泛的应用和潜在作用。多孔陶瓷最具前景的应用之一是在骨组织工程中。例如，合成的羟基磷灰石（HA）骨支架可用于修复长骨的节段性缺损[9]。氧化石墨烯（GO）修饰的生物陶瓷支架由于诱导的高温显著抑制了肿瘤细胞的增殖，明显促进了肿瘤细胞的凋亡如图6所示，故可用于骨肿瘤治疗[10]。3D打印多孔陶瓷硅掺杂羟基磷灰石和明胶（HASi/G）复合支架用于递送药物万古霉素[11]。
2.1.3 生物陶瓷的优势和种类
多孔生物陶瓷结构的3D打印可能为该每个动物个体的骨骼形状和结构都不同的问题提供良好的解决方案。
生物陶瓷是指一类具有特定生物或生理功能的陶瓷材料。生物陶瓷可直接用于人体或与人体相关的应用，并用于生物、医学、生化等研究领域。生物陶瓷具有生物相容性、机械相容性、优异的表面相容性、抗血栓作用、杀菌作用、良好的物理化学稳定性等诸多有利性能。常用的生物陶瓷材料分为生物活性陶瓷和生物惰性陶瓷。生物活性陶瓷主要包括磷酸三钙（TCP）、硫酸钙（CaSO4）、羟基磷灰石（HA）、阿克曼石、透辉石（MgCaSi2O6）和生物玻璃（BGs）；常见的生物惰性陶瓷包括氧化铝(Al2O3)和氧化锆(Zr2O3) [1]。
2.2 宠物术后监测的现状
2.2.1 可穿戴设备硬件部分现状
移动通信、图像技术、人工智能等技术的不断发展及创新融合，可穿戴设备发展如火如荼。尤其在数字化健康的驱动下，医疗可穿戴设备日益增多[12]。物联网可穿戴设备[13][14][15]极大影响和改善了我们的生活，促进了形式多样的软硬结合产品的诞生与发展，旨在设计全面的智能健康监测系统，提高宠物的健康水平。但目前的健康监测系统[12][16][17]监测的指标不够全面，大部分聚集在血压、心率、血糖等常见指标，且主要着重于软件层面的实现，对硬件部分没有改进和创新。夏恒炀提出了一种面向可穿戴设备的呼吸率检测算法和设计了可穿戴呼吸率检测芯片的SoC系统架构[18]，但只涉及呼吸率一个指标，也是缺乏完善的检测指标。
2.2.2 数据隐私和安全部分现状
在当前的宠物数据监测领域，研究主要集中于通过传感器收集宠物的生理和行为数据，以便为宠物主人提供更优质的宠物护理与监测预警服务。然而，现有研究中主要缺失的方面包括数据隐私保护、去中心化存储以及激励机制。
目前，许多宠物监测项目依赖于中心化服务器进行数据存储，缺乏充分的隐私保护措施，导致数据安全性不足[19][20]。在健康数据监测领域，传统方法主要关注通过传感器收集生理和行为数据以提供更好的护理服务。例如，Dammak等人[19]设计了一个基于物联网的健康数据监测系统，通过监测活动、位置和生理等参数，为用户提供实时监测信息等功能。然而，这类研究往往忽视了数据隐私和安全问题。例如，Haleem等人[20]指出，在宠物监测系统中，用户的数据隐私问题容易被忽视，可能导致敏感信息泄露。
第3章研究问题及解决方案
3.1 3D打印陶瓷的技术在动物医疗领域实际存在的问题
3D打印技术制备陶瓷接头前驱体后，需要后续的聚合和烧结两个步骤，这两者都会导致陶瓷接头的收缩甚至断裂。因此，会导致植入陶瓷难以精确匹配手术部位。故易碎和不规则收缩是该领域内存在且有待解决的问题。
3.1.1 现有的解决方法
目前的研究中，有学者以兔股骨为实验对象，氧化锆（Zr2O3）为打印材料，通过通过优化反应条件和选择性面积反演补偿，如图7所示，有效缩小了3D打印陶瓷易碎和烧结引起的不规则收缩，这两个固有技术问题易碎和烧结引起的不规则收缩[21]。有学者使用UV固化柔性环氧树脂(UV Cure 60-7156，EPOXIES，USA)浸渍涂覆印刷陶瓷样品，如图8所示，在表面上形成保形薄涂层，使得样品的强度和韧性有了成倍的提高[22]。有学者通过研究烧结过程中的基于立体光刻技术的 3D 打印氧化铝陶瓷保温时间，得到了保温90min，收缩率最小的结果[23]。
3.2 基于AIGC的3D打印陶瓷的收缩率预测法
3.2.1 AIGC技术在生物医疗领域的优势
随着AIGI技术的发展，其在生物医疗领域的应用也越来越广泛。AIGC技术可以根据患者的临床数据和医学图像，生成病例报告和诊断辅助信息。它可以分析患者的病历资料，结合医学知识和模型，生成有关疾病诊断、治疗建议和预后预测的内容，为医生提供决策支持。AIGC技术可以根据个体的基因组数据，生成个性化医学建议和治疗方案。它可以分析大规模的基因组数据，预测患者的疾病风险、药物反应和治疗效果，生成个性化的医学指导和建议。AIGC技术可以根据质量控制标准和合规要求，生成质量控制和合规报告。它可以自动收集和整理相关数据，生成符合标准和要求的报告，帮助企业监督和管理医疗器械的质量和合规性。
3.2.2 AIGC技术在动物骨骼医疗领域的应用
AIGC技术对基因序列信息的分析和预测可用于预测动物骨骼的特征，可以通过调整模型的参数来控制生成序列的多样性和个体实用性。AIGC技术在材料分子结构上可用于分析材料的分子结构信息，以达到预测材料的生物相容性，材料是否会引起炎症反应、细胞黏附和生物降解性能等目的。AIGC技术在3D空间结构领域，可通过获取动物的多模态数据，实现重建动物的解剖结构，包括骨骼、关节、血管等组织的准确三维模型等目的[24][25]。AIGC技术与化学原子结构相结合，通过分析材料的原子组成、键的类型和键长等信息，以达到选择合适的材料，并优化其化学结构，满足骨骼支架的需求等目的。
3.2.3 3D打印多孔陶瓷收缩率的预测
我们采用多尺度建模+机器学习+高性能计算的方法研发一种基于反演法的3D打印多孔陶瓷收缩率的预测模型。
（1）数据收集和预处理：收集陶瓷材料的成分、烧结温度、时间、压力以及对应的收缩率数据，同时进行三维重建，将数据转化为适合AI模型处理的形式。
（2）AI模型训练：利用经过预处理的数据，训练适用于生成陶瓷骨骼结构的AIGC模型。在模型训练过程中，考虑陶瓷材料的成分、烧结条件和骨骼结构的力学要求，模型将学习生成适合特定动物的陶瓷骨骼结构的方法。
（3）结构生成和优化：利用训练好的AI模型，输入动物的基因序列、医学影像数据和其他多模态信息，生成适合动物的陶瓷骨骼结构设计。生成的结构可以根据特定动物的骨骼状况、治疗需求和陶瓷材料特性进行进一步的优化和调整。
（4）3D打印和后处理：将生成并优化的陶瓷骨骼结构设计转化为适合陶瓷3D打印的文件格式。选择适当的陶瓷3D打印技术和材料，将设计加载到打印机中进行打印。完成打印前，对陶瓷材料的成分和烧结条件进行陶瓷结构的收缩率预测，以确保陶瓷骨骼结构具备所需的物理特性和生物相容性。
3.3 宠物医疗监测领域的问题和局限
（1）监测指标不完善和缺乏硬件改进：对于3D打印宠物骨骼领域，目前的健康监测系统监测的指标不够全面，大部分聚集在血压、心率、血糖等常见指标，难以为该领域提供强有力的检测支撑，且主要着重于软件层面的实现，对硬件部分的性能没有改进和创新。
（2）缺乏数据隐私保护、去中心化存储以及激励机制：许多宠物监测项目依赖于中心化服务器进行数据存储，缺乏充分的隐私保护措施，导致数据安全性不足；在健康数据监测领域，传统方法主要关注通过传感器收集生理和行为数据以提供更好的护理服务，却往往忽视了数据隐私和安全问题；在宠物数据领域，目前尚缺乏关于信息共享激励机制的研究。
3.4 宠物医疗监测领域的解决方案
通过设计FPGA多传感器软硬件装置，我们对不完善的监测和硬件装置进行了改进，主要包括三点：
（1）多传感器融合技术：应用FPGA其低延时与高并发特点，通过严格的自定义逻辑设计，配合高精度和高稳定性的石英晶体，可将系统逻辑时延控制在ns级别的水平，同时以GPS的秒脉冲与NMEA数据对系统时间进行校准，可以确保系统时钟达到us级别的同步精度，使得所有传感器使用同一种硬件同时发布触发采集命令，实现各传感器采集、测量的时间同步，做到同一时刻采集相同的信息。
（2）AI检测模块：FPGA数据接口采集到多传感器的数据后，将数据清洗处理后传递到AI算法模块进行检测分析，并与训练好的模型进行比对，若数据存在异常，则发送告警，若数据正常，则将其反馈进行模型优化。
（3）FPGA设计：传感器采集的数据经通信协议转化为可以由FPGA处理的数字信号，在实现AI算法时，FPGA具有可编程性强、高并行计算能力和低延时等优势，能够提供高效、实时、可靠的算法计算。
在项目的隐私安全与保护上，在用户加密层面，通过使用助记词与ECC加密算法对用户数据进行保护，通过非同态加密确保用户隐私安全；在数据存储层面，通过使用IPFS的内容寻址和分布式哈希表技术实现去中心化的数据存储和基于智能合约的权限管理系统，提高数据的高可用性和安全性；在鉴权层面，应用基于zk-SNARKS的零知识证明技术确保数据在每次调用时的安全可靠性。
3.5 阶段性目标与时间规划
表1 阶段性目标与时间规划
目标 数据收集和预处理 3D打印陶瓷AI训练 结构生成和优化 3D打印和活体实验
完成FPGA模块与传感器集成研发 FPGA模块AI模型训练
完成软件研发 去中心化身份与非同态加密算法研发 完成zk-SNARKS与IPFS兼容并完成隐私保护实验
时间 2023年12月01日-2024年02月28日 2024年3月01日-2024年5月31日 2023年6月01日-2024年8月31日 2023年9月01日-2024年10月31日
参 考 文 献
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