本文原刊登于Ansys Blog：《Repairing Bone Loss with Simulation-Generated, Patient-Specific Implants》

作者：Tim Palucka

因事故或疾病導(dǎo)致骨骼結(jié)構(gòu)受損后，盡快修復(fù)患者受損的骨骼顯得極為重要。例如下頜（下巴）這樣的機(jī)械關(guān)節(jié)的貼合度，決定了植入產(chǎn)品的性能和患者的后期生活質(zhì)量。通常，外科醫(yī)生只能從已有的不同尺寸鈦金屬或塑料植入物中進(jìn)行選擇，而這些植入體尺寸對(duì)于不同患者來說可能并不完美。

如今，佛羅里達(dá)州代托納比奇市的Techfit Digital Surgery公司已研發(fā)出一種針對(duì)患者專用的3D打印醫(yī)療設(shè)備方法，該方法采用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）與磁共振成像（MRI）掃描患者，以確定每個(gè)植入物的最佳幾何形狀。通過使用Ansys Discovery 3D設(shè)計(jì)軟件快速研發(fā)植入物的最佳設(shè)計(jì)，然后著手生產(chǎn)植入物，主要采用金屬或塑料增材制造，并在10個(gè)工作日內(nèi)實(shí)現(xiàn)交付，用于外科手術(shù)。

Techfit創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)auricio Toro表示：“借助Discovery軟件，我們了解到數(shù)字模型在生理學(xué)和物理學(xué)上的表現(xiàn)，與患者一致。這使我們能夠非常快速地進(jìn)行迭代，改善手術(shù)產(chǎn)品和手術(shù)效果。”

采集數(shù)據(jù)

手術(shù)植入過程的第1步是采集數(shù)據(jù)，包括獲取受手術(shù)影響區(qū)域的CT和MRI掃描。這些掃描為設(shè)計(jì)提供初始幾何結(jié)構(gòu)。但是每位工程師清楚地知道，要充分發(fā)揮幾何結(jié)構(gòu)的作用，就必須對(duì)其進(jìn)行清理和修改。

Toro面臨的第一個(gè)重大挑戰(zhàn)是尋找一款合適的軟件。該軟件不僅可以輸入從掃描創(chuàng)建的STL文件，還可以幫助編輯幾何結(jié)構(gòu)。最終他們選擇了Ansys SpaceClaim，并獲得了良好的結(jié)果，隨后不久，又開始使用Ansys Discovery。

Toro表示：“Ansys Discovery可以說是一款完美契合我們需求的軟件，因?yàn)樗粌H能處理STL文件（并非每一款CAD軟件都能做到），而且還能對(duì)幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和進(jìn)行近乎實(shí)時(shí)的修改。Discovery的GPU求解器能在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)完成設(shè)計(jì)，無需花費(fèi)數(shù)天或數(shù)周。患者都非常焦急地等著這個(gè)植入物，所以我們時(shí)間緊迫。”

共創(chuàng)與驗(yàn)證

流程的第2步，是從與醫(yī)生的溝通開始。Toro和他的團(tuán)隊(duì)與外科醫(yī)生會(huì)面，了解醫(yī)生對(duì)特定患者的要求。這個(gè)環(huán)節(jié)中他們經(jīng)常會(huì)用到Discovery這款軟件——向外科醫(yī)生展示基于掃描的初步設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上做出修改。

Toro表示：“與外科醫(yī)生會(huì)面時(shí)我會(huì)使用Discovery來調(diào)整模型，尤其在我對(duì)骨骼或植入物的機(jī)械行為不確定的情況下。” 他解釋說，任何一項(xiàng)植入物設(shè)計(jì)都需要在可用空間和植入物的機(jī)械屬性間取得折衷方法。在眾多非生物應(yīng)用中，可以直接添加更多材料來提升安全系數(shù)，但是對(duì)于人體植入物而言，封裝要求非常嚴(yán)格。

他說：“因此，能夠與外科醫(yī)生共同開展現(xiàn)場(chǎng)仿真，并在一個(gè)非常快速的反饋回應(yīng)中與其進(jìn)行交互，從而了解介于結(jié)構(gòu)性能與產(chǎn)品外觀間的理想平衡點(diǎn)，這是獲得最佳結(jié)果的關(guān)鍵。”Toro認(rèn)為這種快速的仿真結(jié)果反饋極其重要，他表示：“常言道 ‘熟能生巧’，但如果沒有及時(shí)的反饋，不僅在實(shí)際操作中會(huì)出錯(cuò)，而且還會(huì)一錯(cuò)再錯(cuò)。因此我們寧愿說 ‘迭代生巧’。”

制造階段

目前，Techfit在代托納比奇的公司總部生產(chǎn)全部的植入物。他們不僅擁有常規(guī)制造所需的全部標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床，還具備生產(chǎn)形狀較為罕見植入物的增材制造能力。鈦合金是金屬植入物最常使用的材料。塑料植入物對(duì)承載應(yīng)用使用聚醚醚酮（PEEK），對(duì)關(guān)節(jié)替換等重視摩擦和磨損的摩擦表面，使用超高分子量聚乙烯。每個(gè)植入物都附帶一份機(jī)械驗(yàn)證分析報(bào)告，因此外科醫(yī)生可對(duì)手術(shù)效果樹立極大的信心。

正如Toro暢想的那樣，在未來，Techfit將打造一個(gè)全球增材制造網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)建這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要?jiǎng)右蚴羌涌熘踩胛锏慕桓端俣取oro解釋道：“設(shè)想一下，如果要在美國(guó)為遠(yuǎn)在沙特的患者生產(chǎn)植入物，光運(yùn)輸就需要2天，清關(guān)還得2天。假設(shè)從CT掃描到正式開始手術(shù)的時(shí)間是10天，這意味著我們已經(jīng)花掉了4天，或者說我們的實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)間被縮減到了6天。” 而通過發(fā)送STL文件，就能在世界各地的機(jī)器上打印成品，因此這至關(guān)重要。”

現(xiàn)在，Techfit已為數(shù)千名患者提供了定制專屬的植入物。Toro說：“在我們的幫助下，一些不可思議的手術(shù)圓滿完成。” 其中包括：半下頜骨切除手術(shù)（患者因腫瘤或事故失去半個(gè)頜骨）、胸骨替換手術(shù)（用鈦板將塑料植入物固定在肋骨上）、以及最為常見的顱骨重構(gòu)手術(shù)（眾多案例中患者因摩托車事故、腫瘤或頭部創(chuàng)傷造成）。 

Techfit還在醫(yī)學(xué)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文，在會(huì)議上展示研究成果，甚至每年舉辦自己的數(shù)字化手術(shù)大會(huì)。Toro表示：“定制手術(shù)實(shí)際上是一個(gè)全新領(lǐng)域，不僅包括如何制作植入物，還涉及如何倡導(dǎo)和確保采用這類技術(shù)。讓世界各地的每一位患者都享有定制治療服務(wù)，并使之成為新標(biāo)準(zhǔn)，這是我們所追求的目標(biāo)。”

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的過程中，Ansys仿真將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。Toro表示：“在我們的工作流程中，Ansys Discovery實(shí)現(xiàn)了更高效地驗(yàn)證產(chǎn)品，從而幫助患者更快接受手術(shù)、更快恢復(fù)。最令人欣慰的事情莫過于看到患者的生活正在逐步改善。”