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

作者：Tim Palucka

因事故或疾病導致骨骼結構受損后，盡快修復患者受損的骨骼顯得極為重要。例如下頜（下巴）這樣的機械關節的貼合度，決定了植入產品的性能和患者的后期生活質量。通常，外科醫生只能從已有的不同尺寸鈦金屬或塑料植入物中進行選擇，而這些植入體尺寸對于不同患者來說可能并不完美。

如今，佛羅里達州代托納比奇市的Techfit Digital Surgery公司已研發出一種針對患者專用的3D打印醫療設備方法，該方法采用計算機斷層掃描（CT）與磁共振成像（MRI）掃描患者，以確定每個植入物的最佳幾何形狀。通過使用Ansys Discovery 3D設計軟件快速研發植入物的最佳設計，然后著手生產植入物，主要采用金屬或塑料增材制造，并在10個工作日內實現交付，用于外科手術。

Techfit創始人兼首席執行官Mauricio Toro表示：“借助Discovery軟件，我們了解到數字模型在生理學和物理學上的表現，與患者一致。這使我們能夠非常快速地進行迭代，改善手術產品和手術效果。”

采集數據

手術植入過程的第1步是采集數據，包括獲取受手術影響區域的CT和MRI掃描。這些掃描為設計提供初始幾何結構。但是每位工程師清楚地知道，要充分發揮幾何結構的作用，就必須對其進行清理和修改。

Toro面臨的第一個重大挑戰是尋找一款合適的軟件。該軟件不僅可以輸入從掃描創建的STL文件，還可以幫助編輯幾何結構。最終他們選擇了Ansys SpaceClaim，并獲得了良好的結果，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，因為它不僅能處理STL文件（并非每一款CAD軟件都能做到），而且還能對幾何結構進行網格劃分和進行近乎實時的修改。Discovery的GPU求解器能在幾個小時內完成設計，無需花費數天或數周。患者都非常焦急地等著這個植入物，所以我們時間緊迫。”

共創與驗證

流程的第2步，是從與醫生的溝通開始。Toro和他的團隊與外科醫生會面，了解醫生對特定患者的要求。這個環節中他們經常會用到Discovery這款軟件——向外科醫生展示基于掃描的初步設計，并在此基礎上做出修改。

Toro表示：“與外科醫生會面時我會使用Discovery來調整模型，尤其在我對骨骼或植入物的機械行為不確定的情況下。” 他解釋說，任何一項植入物設計都需要在可用空間和植入物的機械屬性間取得折衷方法。在眾多非生物應用中，可以直接添加更多材料來提升安全系數，但是對于人體植入物而言，封裝要求非常嚴格。

他說：“因此，能夠與外科醫生共同開展現場仿真，并在一個非常快速的反饋回應中與其進行交互，從而了解介于結構性能與產品外觀間的理想平衡點，這是獲得最佳結果的關鍵。”Toro認為這種快速的仿真結果反饋極其重要，他表示：“常言道 ‘熟能生巧’，但如果沒有及時的反饋，不僅在實際操作中會出錯，而且還會一錯再錯。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全部的植入物。他們不僅擁有常規制造所需的全部標準機床，還具備生產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。塑料植入物對承載應用使用聚醚醚酮（PEEK），對關節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。每個植入物都附帶一份機械驗證分析報告，因此外科醫生可對手術效果樹立極大的信心。

正如Toro暢想的那樣，在未來，Techfit將打造一個全球增材制造網絡。構建這個網絡的主要動因是加快植入物的交付速度。Toro解釋道：“設想一下，如果要在美國為遠在沙特的患者生產植入物，光運輸就需要2天，清關還得2天。假設從CT掃描到正式開始手術的時間是10天，這意味著我們已經花掉了4天，或者說我們的實際設計時間被縮減到了6天。” 而通過發送STL文件，就能在世界各地的機器上打印成品，因此這至關重要。”

現在，Techfit已為數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圓滿完成。” 其中包括：半下頜骨切除手術（患者因腫瘤或事故失去半個頜骨）、胸骨替換手術（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手術（眾多案例中患者因摩托車事故、腫瘤或頭部創傷造成）。 

Techfit還在醫學期刊上發表學術論文，在會議上展示研究成果，甚至每年舉辦自己的數字化手術大會。Toro表示：“定制手術實際上是一個全新領域，不僅包括如何制作植入物，還涉及如何倡導和確保采用這類技術。讓世界各地的每一位患者都享有定制治療服務，并使之成為新標準，這是我們所追求的目標。”

實現這一目標的過程中，Ansys仿真將繼續發揮重要作用。Toro表示：“在我們的工作流程中，Ansys Discovery實現了更高效地驗證產品，從而幫助患者更快接受手術、更快恢復。最令人欣慰的事情莫過于看到患者的生活正在逐步改善。”