研究人員發(fā)布免費(fèi)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件以生產(chǎn)3D打印顱骨植入物
魔猴君 行業(yè)資訊 1595天前
格拉茨工業(yè)大學(xué)（TU Graz）和奧地利格拉茨醫(yī)科大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種用于顱骨植入（或顱骨成形術(shù)）設(shè)計(jì)的自動(dòng)化系統(tǒng)。該程序已集成到TU Graz的Studierfenster基于云的平臺(tái)中，該程序使用深度學(xué)習(xí)算法自動(dòng)恢復(fù)頭骨的缺失部分。通過從已完成的頭骨中減去有缺陷的頭骨，可以概括生成針對(duì)患者特定植入物的STL文件。此過程允許在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行3D打印植入物，并大大減少了用于常規(guī)手術(shù)的植入物的現(xiàn)有交付周期，此外還減輕了患者的痛苦和不適感。
3D打印顱骨植入物
顱骨缺損通常是頭部外傷，先前與顱骨畸形矯正或腦瘤切除術(shù)相關(guān)的外科手術(shù)所致，在此期間，外科醫(yī)生需要切除一部分顱骨才能進(jìn)入大腦。為了修復(fù)這種損害，通常會(huì)使用鈦或生物相容性聚合物來制造合成替代物，因?yàn)樵嫉墓趋澜Y(jié)構(gòu)過于受損或受污染而無法重復(fù)使用。
當(dāng)前用于顱骨成形術(shù)的生產(chǎn)過程主要依賴于高質(zhì)量的植入物設(shè)計(jì)和專業(yè)公司制造的顱骨植入物，這既昂貴又耗時(shí)。執(zhí)行該過程所需的高級(jí)專業(yè)知識(shí)，加上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化所需的商業(yè)軟件，將使這些成本更高。此外，該程序的人力成本也值得考慮。在目前的過程中，患者至少需要進(jìn)行兩項(xiàng)手術(shù)：顱骨切開術(shù)和顱骨成形術(shù)，這使他們?cè)馐芨嗤纯?。這可能要花費(fèi)幾天的時(shí)間，所有這些患者的頭骨都是不完整的。
盡管生物3D打印技術(shù)的進(jìn)步加速了醫(yī)療植入設(shè)備的制造，但仍然需要一種快速，低成本的替代產(chǎn)品。例如，在研究人員參考的一個(gè)案例研究中，一名西班牙患者必須等待植入物使用多種軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)并在英國(guó)制造，然后才能進(jìn)行手術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)使用這樣的實(shí)例將現(xiàn)有的植入物設(shè)計(jì)過程確定為當(dāng)前臨床工作流程中的主要瓶頸。
奧地利的研究人員開發(fā)了一種自動(dòng)化流程，允許用戶設(shè)計(jì)顱骨植入物。圖片來自格拉茨工業(yè)大學(xué)。
格拉茨工業(yè)大學(xué)的在線平臺(tái)
降低生產(chǎn)過程中的成本和交貨時(shí)間的一種方法是開發(fā)用于顱骨植入物設(shè)計(jì)的臨時(shí)免費(fèi)CAD軟件。這仍然需要設(shè)計(jì)和操作的高水平專業(yè)知識(shí)，因此研究人員得出結(jié)論，低成本的全自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和制造軟件是理想的解決方案。而且，設(shè)計(jì)自動(dòng)化仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。 3D打印的植入物需要精確地適合頭骨的缺損區(qū)域，并提供其前任所做的對(duì)大腦的保護(hù)。如果不能完美地重建植入物的邊界，厚度和形狀一致性，則該部件可能使患者容易遭受輕傷。
兩名格拉茨大學(xué)的學(xué)生啟動(dòng)了Studierfenster網(wǎng)站。一個(gè)基于云的開放科學(xué)平臺(tái)，用于醫(yī)學(xué)圖像處理，可以通過任何Web瀏覽器訪問該軟件。自最初發(fā)布以來，該平臺(tái)已添加了許多功能，例如從2D圖像重建3D面部，修復(fù)和修復(fù)主動(dòng)脈夾層，自動(dòng)主動(dòng)脈界標(biāo)檢測(cè)和自動(dòng)顱骨植入物設(shè)計(jì)。這些交互式功能背后的大多數(shù)算法都在服務(wù)器上運(yùn)行，并且可以使用通用的瀏覽器界面輕松訪問它們，從而使該平臺(tái)可以在計(jì)算能力較低的小型設(shè)備上使用。
從其早期開發(fā)階段開始，Studierfenster的自動(dòng)顱骨植入物設(shè)計(jì)系統(tǒng)就已集成到該軟件中，并從那時(shí)起進(jìn)行了迭代式優(yōu)化。該程序通過在開顱手術(shù)前后將患者的CT掃描上傳到軟件中來工作，該軟件通過計(jì)算兩個(gè)頭骨之間的差異來生成植入物。這將產(chǎn)生一個(gè)表面模型，該模型將在醫(yī)院現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)進(jìn)行3D打印，從而消除了額外的交貨時(shí)間和外部制造成本。此外，該程序能夠從重建的顱骨體積中減去有缺陷的顱骨，從而使該過程能夠自動(dòng)進(jìn)行，這與以前的工作不同。
研究小組得出結(jié)論，他們的用于自動(dòng)顱骨植入物設(shè)計(jì)的在線系統(tǒng)可以大大改善當(dāng)前顱骨成形術(shù)的臨床常規(guī)。該平臺(tái)有缺點(diǎn)，其有效性在某種程度上仍然取決于硬件和互聯(lián)網(wǎng)，而將顱骨體積轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格的速度可能很慢。盡管如此，研究人員仍然相信，盡管該軟件目前已用于教育和研究目的，但它有可能在未來的臨床環(huán)境中使用。
研究小組的新自動(dòng)程序允許制造和設(shè)計(jì)完全與患者在同一家醫(yī)院進(jìn)行
研究小組的新自動(dòng)程序允許制造和設(shè)計(jì)完全與患者在同一家醫(yī)院進(jìn)行。圖片來自格拉茨工業(yè)大學(xué)。
增材制造中的顱骨創(chuàng)新
在過去的幾年中，3D打印一直被用于輔助顱骨重建手術(shù)。例如，來自西北大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校（UIC）的研究人員使用3D打印的超彈性骨骼來再生大鼠的顱骨缺損。該研究可能會(huì)導(dǎo)致開發(fā)出一種具有成本效益的顱面骨移植解決方案。
得克薩斯州A＆M大學(xué)的研究人員將3D打印，生物材料工程學(xué)和干細(xì)胞生物學(xué)相結(jié)合，以創(chuàng)建新型，更高效，可定制的骨移植材料?？茖W(xué)家使用這種技術(shù)生產(chǎn)了3D打印的高成骨支架，該支架可促進(jìn)骨細(xì)胞生長(zhǎng)，并作為定制形狀的骨骼再生的堅(jiān)固平臺(tái)。
英國(guó)的北曼徹斯特總醫(yī)院（NMGH）使用其3D打印實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了DCIA骨移植物，用于重建癌癥患者的上頜或下頜。該過程為醫(yī)院節(jié)省了大量時(shí)間和成本。
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