醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件如何助力定制化3D打印植入物設(shè)計？

魔猴君  行業(yè)資訊   2103天前

醫(yī)學(xué)影像的三維重建是通過計算機對二維數(shù)字斷層圖像序列形成的三維體數(shù)據(jù)進行處理，將其變換為具有直觀立體效果的圖像，來展示人體組織的三維形態(tài)。市場上常用醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件包括：Materialise 公司的Mimics, Synopsys 的Simpleware, Able Software 公司的3D-Doctor 等。

醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件在個性化醫(yī)療器具設(shè)計開發(fā)中起到日益重要的作用，結(jié)合仿真模擬技術(shù)、3D打印技術(shù)在醫(yī)療器具制造中的應(yīng)用發(fā)展，這些技術(shù)為醫(yī)療器具，特別是訂制化醫(yī)療器具的設(shè)計開發(fā)提供了高效的解決方案。本期魔猴網(wǎng)將分享Corin Group，360 Knee Systems等骨科醫(yī)療器具公司使用醫(yī)學(xué)圖像三維重建軟件開發(fā)訂制化植入物的應(yīng)用案例。

圖片來源：Simpleware Product Group

使病人得到長期的舒適度，是骨科植入手術(shù)的關(guān)鍵目標(biāo)。手術(shù)時，植入物能否被準(zhǔn)確放置，是影響舒適度和是否會產(chǎn)生翻修手術(shù)的重要因素。在骨科治療中，有些使用標(biāo)準(zhǔn)化植入物沒有辦法治療、修復(fù)的病例需要通過個性化訂制植入物進行治療，醫(yī)生和工程師可以為病人訂制設(shè)計任何所需的個性化植入物，并作出合適的手術(shù)決策。

訂制化植入物設(shè)計和術(shù)前規(guī)劃領(lǐng)域出現(xiàn)了大量技術(shù)應(yīng)用趨勢，包括：拓撲優(yōu)化，有限元分析（FEA），復(fù)合材料/材料測試，逆向工程，3D打印和法規(guī)遵從。一些公司正在使用基于3D圖像建模軟件，以非侵入的方式設(shè)計和測試植入物的性能。

Corin Group，360 Knee Systems等醫(yī)療器具公司通過應(yīng)用醫(yī)學(xué)掃描影像、影像三維重建軟件、3D打印技術(shù)和激光引導(dǎo)手術(shù)，展示了成功和可重復(fù)的工作流程。以下案例概述了用基于醫(yī)學(xué)影像的技術(shù)解決種植體設(shè)計挑戰(zhàn)的步驟，同時強調(diào)了與開發(fā)和使用該技術(shù)相關(guān)的一些關(guān)鍵問題。

CT、MRI 等醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，是從掃描中捕獲病人的逼真幾何形狀，使用這些病人特異性解剖結(jié)構(gòu)，手術(shù)過程和植入物設(shè)計都能夠基于個體需要和病理進行訂制。在設(shè)計訂制化植入物時，研究人員和臨床醫(yī)生需要考慮到個體化差異，而不是對醫(yī)療設(shè)備設(shè)計采取一般化的方法。

骨科治療中對于訂制化治療方案的需求，增加了對計算機仿真模擬的需求，這是降低手術(shù)失敗風(fēng)險的手段。骨科醫(yī)療器具制造商以及醫(yī)療器具監(jiān)督管理部門（如：FDA）越來越多的探索的一種方法是使用由醫(yī)學(xué)影像產(chǎn)生的FE模型的計算模擬技術(shù)。這些模型將復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)分解為數(shù)值表示，從而可以對不同的場景進行實際分析。

FDA 認識到計算機模擬是制造商驗證醫(yī)療設(shè)備的一部分，該技術(shù)減輕了傳統(tǒng)物理測試的負擔(dān)。計算機虛擬測試技術(shù)也可以用于測試3D打印/3D打印的植入物的性能。除了計算機虛擬測試，在手術(shù)前依據(jù)個性化植入物原型進行真實測試，也將使醫(yī)生和制造商檢查潛在的錯誤，并得到更多的數(shù)據(jù)。

基于醫(yī)學(xué)影像進行植入物個性化設(shè)計是具有挑戰(zhàn)的，例如，通過3D醫(yī)學(xué)影像來識別感興趣區(qū)并準(zhǔn)備高質(zhì)量的仿真模擬模型是個費時的過程；從醫(yī)學(xué)掃描到3D計算或有限元模型的工作流程可能會因確保輸出模型質(zhì)量（包括3D打印/3D打印設(shè)計模型）而中斷。

除此之外，從掃描數(shù)據(jù)建造設(shè)計迭代通常需要重復(fù)工作來測試植入物原型的多種變化。與臨床前規(guī)劃方案一致的高效工作流程，要求模型具有準(zhǔn)確性。一些醫(yī)療器具制造商和研究人員正在嘗試通過特定軟件，簡化基于醫(yī)學(xué)圖像技術(shù)的工作流程，從而解決這些挑戰(zhàn)。

病人病人特異性建造解決方案側(cè)重于連接醫(yī)學(xué)掃描，處理生成圖像數(shù)據(jù)，以及導(dǎo)出用于仿真模擬和3D打印/3D打印的三維模型。中國3D打印網(wǎng)了解到骨科醫(yī)療器具制造商Corin Group就建立了穩(wěn)健、可重復(fù)的工作流程，Corin Group 的優(yōu)化定位系統(tǒng)（OPS）技術(shù)使用Synopsys Simpleware軟件工具幫助外科醫(yī)生進行全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)（THA）的規(guī)劃。

全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)通常依賴于文獻的“安全區(qū)”來定義acetabu-lar植入物組件的最好位置。然而，這種近似不能解釋病人的多樣性，臨床研究顯示高達50％的髖關(guān)節(jié)手術(shù)未達到其目標(biāo)定向。對于病人來說，這意味著舒適性將受到影響，并存在植入物脫位和需要翻修手術(shù)的風(fēng)險。因此，Corin Group采用針對病人的仿真模擬技術(shù)來提高準(zhǔn)確性，降低這些風(fēng)險。

Corin Group 的OPS 系統(tǒng)使用CT 或X射線醫(yī)學(xué)影像設(shè)備捕獲的病人解剖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)被導(dǎo)入Synopsys Simpleware軟件，并由工程師處理，將髖關(guān)節(jié)放置在所需區(qū)域。在此階段，將標(biāo)志物放置在骨架上以進行種植體植入。這些步驟可能非常費時，但是通過Simpleware軟件的半自動分割工具以及通過生成可重復(fù)結(jié)果的腳本工具加快了這些步驟。

當(dāng)生成病人特異性模型之后，Corin Group 的OPS系統(tǒng)將模型用于分析常規(guī)生理活動中的不同類型的運動和定向。這一分析旨在確定骨盆旋轉(zhuǎn)期間髖臼杯的最好位置。工程師可以將CAD 植入物模型導(dǎo)入病人數(shù)據(jù)中，并建造3D打印手術(shù)導(dǎo)板。

植入物放置位置的虛擬仿真測試，對于減少物理實驗和對于文獻的依賴，以實現(xiàn)最好結(jié)果是具有價值的。在手術(shù)期間，3D打印手術(shù)導(dǎo)板將與激光引導(dǎo)對準(zhǔn)系統(tǒng)相結(jié)合使用，以輔助植入物定位。

類似技術(shù)還可以應(yīng)用在膝關(guān)節(jié)植入手術(shù)中。360 Knee Group 公司使用醫(yī)學(xué)掃描數(shù)據(jù)在Simpleware軟件中建造膝關(guān)節(jié)模型，以確定膝關(guān)節(jié)植入物 的最好植入位置。與上述髖關(guān)節(jié)植入手術(shù)的應(yīng)用一樣，該技術(shù)能夠?qū)⒉∪?D解剖模型與虛擬手術(shù)規(guī)劃和手術(shù)導(dǎo)板設(shè)計聯(lián)系起來，降低手術(shù)的風(fēng)險，提高植入物的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的研究人員也將此類技術(shù)應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)翻修手術(shù)的研究中。股骨和脛骨組件的次優(yōu)取向可導(dǎo)致長期病人問題，包括疼痛和磨損。 UCL 對檢索數(shù)據(jù)和CT 臨床數(shù)據(jù)進行了研究，以評估材料損傷。他們使用Simpleware 軟件對數(shù)據(jù)進行分割，并建造適合于將修復(fù)前植入物定位與失效植入物植入后微CT掃描結(jié)果進行比較的表面模型。

該方法能夠更好地理解種植體取向和磨損模式之間的相關(guān)性，從而在未來減少減少訂制化植入物設(shè)計中存在的問題。

基于病人醫(yī)學(xué)影像的三維重建技術(shù)，不僅可以應(yīng)用在骨科訂制化植入物設(shè)計、手術(shù)規(guī)劃領(lǐng)域，還可以應(yīng)用在更廣泛的訂制化醫(yī)療器具設(shè)計領(lǐng)域，例如可用于設(shè)計神經(jīng)調(diào)節(jié)設(shè)備和輪椅等器械，工程師通過該技術(shù)能夠?qū)_的病人身體3D模型和器械的CAD 設(shè)計模型進行分析，從而評估病人的適用性。醫(yī)療監(jiān)督管理機構(gòu)也逐漸認識到對醫(yī)學(xué)三維模型進行仿真，作為驗證工具正在創(chuàng)造一種對于臨床醫(yī)生來說可靠、快速、準(zhǔn)確的方法。

但是該技術(shù)的應(yīng)用是存在挑戰(zhàn)的，包括臨床醫(yī)學(xué)掃描數(shù)據(jù)的可用性，以及放射科醫(yī)生或其他用戶對于醫(yī)學(xué)影像處理和模型生成技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線。除此之外，此類技術(shù)解決方案需要能夠滿足臨床治療所要求的緊迫交期，也需要使工作流程直觀、可重復(fù)，足以得到可用的結(jié)果。

隨著醫(yī)學(xué)影像處理軟件的應(yīng)用，臨床醫(yī)生、研究人員得到了更為強大的基準(zhǔn)測試方法。結(jié)合3D打印/3D打印技術(shù)在醫(yī)療器具制造中的應(yīng)用發(fā)展，病人特異性/訂制化植入物設(shè)計方案將更加優(yōu)化，這些技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展為訂制化醫(yī)療器具制造帶來了很大潛力。