医疗 | 定制外科植入物,仿真助力修复患者骨缺损


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

作者:Tim Palucka

 

因事故或疾病导致骨骼结构受损后,尽快修复患者受损的骨骼显得极为重要。例如下颌(下巴)这样的机械关节的贴合度,决定了植入产品的性能和患者的后期生活质量。通常,外科医生只能从已有的不同尺寸钛金属或塑料植入物中进行选择,而这些植入体尺寸对于不同患者来说可能并不完美。

如今,佛罗里达州代托纳比奇市的Techfit Digital Surgery公司已研发出一种针对患者专用的3D打印医疗设备方法,该方法采用计算机断层扫描(CT)与磁共振成像(MRI)扫描患者,以确定每个植入物的最佳几何形状。通过使用Ansys Discovery 3D设计软件快速研发植入物的最佳设计,然后着手生产植入物,主要采用金属或塑料增材制造,并在10个工作日内实现交付,用于外科手术。


Techfit创始人兼首席执行官Mauricio Toro表示:“借助Discovery软件,我们了解到数字模型在生理学和物理学上的表现,与患者一致。这使我们能够非常快速地进行迭代,改善手术产品和手术效果。”

 

 

3D打印医疗设备的3步流程


#1

采集数据

 

手术植入过程的第1步是采集数据,包括获取受手术影响区域的CT和MRI扫描。这些扫描为设计提供初始几何结构。但是每位工程师清楚地知道,要充分发挥几何结构的作用,就必须对其进行清理和修改。

Toro面临的第一个重大挑战是寻找一款合适的软件。该软件不仅可以输入从扫描创建的STL文件,还可以帮助编辑几何结构。最终他们选择了Ansys SpaceClaim,并获得了良好的结果,随后不久,又开始使用Ansys Discovery。


Toro表示:“Ansys Discovery可以说是一款完美契合我们需求的软件,因为它不仅能处理STL文件(并非每一款CAD软件都能做到),而且还能对几何结构进行网格划分和进行近乎实时的修改。Discovery的GPU求解器能在几个小时内完成设计,无需花费数天或数周。患者都非常焦急地等着这个植入物,所以我们时间紧迫。”


#2

共创与验证


流程的第2步,是从与医生的沟通开始。Toro和他的团队与外科医生会面,了解医生对特定患者的要求。这个环节中他们经常会用到Discovery这款软件——向外科医生展示基于扫描的初步设计,并在此基础上做出修改。

Toro表示:“与外科医生会面时我会使用Discovery来调整模型,尤其在我对骨骼或植入物的机械行为不确定的情况下。” 他解释说,任何一项植入物设计都需要在可用空间和植入物的机械属性间取得折衷方法。在众多非生物应用中,可以直接添加更多材料来提升安全系数,但是对于人体植入物而言,封装要求非常严格。


他说:“因此,能够与外科医生共同开展现场仿真,并在一个非常快速的反馈回应中与其进行交互,从而了解介于结构性能与产品外观间的理想平衡点,这是获得最佳结果的关键。”Toro认为这种快速的仿真结果反馈极其重要,他表示:“常言道 ‘熟能生巧’,但如果没有及时的反馈,不仅在实际操作中会出错,而且还会一错再错。因此我们宁愿说 ‘迭代生巧’。”



#3

制造阶段


目前,Techfit在代托纳比奇的公司总部生产全部的植入物。他们不仅拥有常规制造所需的全部标准机床,还具备生产形状较为罕见植入物的增材制造能力。钛合金是金属植入物最常使用的材料。塑料植入物对承载应用使用聚醚醚酮(PEEK),对关节替换等重视摩擦和磨损的摩擦表面,使用超高分子量聚乙烯。每个植入物都附带一份机械验证分析报告,因此外科医生可对手术效果树立极大的信心。

正如Toro畅想的那样,在未来,Techfit将打造一个全球增材制造网络。构建这个网络的主要动因是加快植入物的交付速度。Toro解释道:“设想一下,如果要在美国为远在沙特的患者生产植入物,光运输就需要2天,清关还得2天。假设从CT扫描到正式开始手术的时间是10天,这意味着我们已经花掉了4天,或者说我们的实际设计时间被缩减到了6天。” 而通过发送STL文件,就能在世界各地的机器上打印成品,因此这至关重要。”

 

为世界各地的患者带来福音


现在,Techfit已为数千名患者提供了定制专属的植入物。Toro说:“在我们的帮助下,一些不可思议的手术圆满完成。” 其中包括:半下颌骨切除手术(患者因肿瘤或事故失去半个颌骨)、胸骨替换手术(用钛板将塑料植入物固定在肋骨上)、以及最为常见的颅骨重构手术(众多案例中患者因摩托车事故、肿瘤或头部创伤造成)。 

Techfit还在医学期刊上发表学术论文,在会议上展示研究成果,甚至每年举办自己的数字化手术大会。Toro表示:“定制手术实际上是一个全新领域,不仅包括如何制作植入物,还涉及如何倡导和确保采用这类技术。让世界各地的每一位患者都享有定制治疗服务,并使之成为新标准,这是我们所追求的目标。”

实现这一目标的过程中,Ansys仿真将继续发挥重要作用。Toro表示:“在我们的工作流程中,Ansys Discovery实现了更高效地验证产品,从而帮助患者更快接受手术、更快恢复。最令人欣慰的事情莫过于看到患者的生活正在逐步改善。”