醫(yī)學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 2164天前
醫(yī)學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)學圖像三維重建軟件開發(fā)訂制化植入物的應用案例。
圖片來源:Simpleware Product Group
用于手術(shù)規(guī)劃、仿真分析、植入物設(shè)計…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。手術(shù)時,植入物能否被準確放置,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,有些使用標準化植入物沒有辦法治療、修復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)應用趨勢,包括:拓撲優(yōu)化,有限元分析(FEA),復合材料/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)療器具公司通過應用醫(yī)學掃描影像、影像三維重建軟件、3D打印技術(shù)和激光引導手術(shù),展示了成功和可重復的工作流程。以下案例概述了用基于醫(yī)學影像的技術(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。
在開發(fā)訂制化植入物中的應用CT、MRI 等醫(yī)學影像數(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)學影像產(chǎn)生的FE模型的計算模擬技術(shù)。這些模型將復雜的解剖結(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。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)。
生成3D解剖模型的主要挑戰(zhàn)基于醫(yī)學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)學影像來識別感興趣區(qū)并準備高質(zhì)量的仿真模擬模型是個費時的過程;從醫(yī)學掃描到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)學圖像技術(shù)的工作流程,從而解決這些挑戰(zhàn)。
醫(yī)療器具商和研究機構(gòu)的應用病人病人特異性建造解決方案側(cè)重于連接醫(yī)學掃描,處理生成圖像數(shù)據(jù),以及導出用于仿真模擬和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)的風險。因此,Corin Group采用針對病人的仿真模擬技術(shù)來提高準確性,降低這些風險。
Corin Group 的OPS 系統(tǒng)使用CT 或X射線醫(yī)學影像設(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結(jié)果的腳本工具加快了這些步驟。
當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 植入物模型導入病人數(shù)據(jù)中,并建造3D打印手術(shù)導板。
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)導板將與激光引導對準系統(tǒng)相結(jié)合使用,以輔助植入物定位。
類似技術(shù)還可以應用在膝關(guān)節(jié)植入手術(shù)中。360 Knee Group 公司使用醫(yī)學掃描數(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)導板設(shè)計聯(lián)系起來,降低手術(shù)的風險,提高植入物的準確性和可重復性。
倫敦大學學院(UCL)的研究人員也將此類技術(shù)應用于膝關(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。
總結(jié)基于病人醫(yī)學影像的三維重建技術(shù),不僅可以應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、準確的方法。
但是該技術(shù)的應用是存在挑戰(zhàn)的,包括臨床醫(yī)學掃描數(shù)據(jù)的可用性,以及放射科醫(yī)生或其他用戶對于醫(yī)學影像處理和模型生成技術(shù)的學習曲線。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,足以得到可用的結(jié)果。
隨著醫(yī)學影像處理軟件的應用,臨床醫(yī)生、研究人員得到了更為強大的基準測試方法。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)的應用發(fā)展為訂制化醫(yī)療器具制造帶來了很大潛力。
文章來源:(3D科學谷) 轉(zhuǎn)載免責聲明: 本網(wǎng)站轉(zhuǎn)載的文章,其版權(quán)均歸原作者所有,如其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)下載使用,請在轉(zhuǎn)載有關(guān)文章時務必尊重該文章的著作權(quán),保留本網(wǎng)注明的“本文來源”,并自負版權(quán)等法律責任