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人工膝關節(jié)、髖關節(jié)或肩關節(jié)的制造正變得越來越便捷、快速并更具個性化。利用西門子推出的新技術，可以把來自診斷成像的數(shù)據(jù)與制造指令相結合，由此開啟自動化生產定制人造假體的大門。

“從成像到植入物”技術，有望根據(jù)醫(yī)學影像自動生成個性化假體。

位于新澤西州普林斯頓的西門子美國研究院的研究人員攜手西門子工業(yè)自動化集團PLM軟件業(yè)務部門、西門子運動控制以及主要整形植入物制造商，共同開發(fā)出一種被稱為“從成像到植入物”的工藝，可根據(jù)計算機斷層掃描（CT）成像和磁共振（MR）成像，自動生產出用于替代膝蓋、臀部、肩部或其他關節(jié)的個性化假體。這項新技術有望大幅縮短關節(jié)置換手術的準備時間，同時提高相關制造工藝的精度。

以膝關節(jié)置換術為例，據(jù)調查公司Global Data稱，美國每年有超過72萬人進行人造膝關節(jié)置換術。英國國民醫(yī)療管理局（NHS）估算，英國每年執(zhí)行7萬多例同類手術。其他人工關節(jié)置換術的情況也差不多，數(shù)量與日俱增。

不論置換的是膝關節(jié)、肩關節(jié)、髖關節(jié)還是其他關節(jié)，骨科手術都要求植入物盡可能緊密貼合目標部位。為了實現(xiàn)這一目標，醫(yī)生首先對目標部位進行三維CT或MR掃描，這是假體植入手術計劃的*步。（相比于MR，CT的速度更快，價格更低，但MR可以揭示出軟組織的更多細節(jié)，而且沒有輻射。）

不過，這樣的醫(yī)療成像本身僅有助于描繪骨骼與軟組織之間的分界。西門子美國研究院成像分析研究組組長S. Kevin Zhou博士表示：“我們的軟件比之更進一步的是，它具備自動化圖像分割功能，可以識別圖像內容，準確標出骨骼邊界。”Zhou解釋道，在此之前，都是人工執(zhí)行這樣的分割，這是一項艱辛的工作，因為技術人員必須沿相關骨骼的邊緣逐點標記，以精確地勾畫出骨骼邊界。西門子美國研究院超聲成像分割專家Michal Sofka補充道：“不過，得益于我們的軟件，整個過程已縮短至一分鐘左右。”

類似于Zhou開發(fā)的其他軟件應用，他的骨骼識別系統(tǒng)基于機器學習。利用數(shù)千張經專家注釋的圖像，軟件程序通過訓練學會了標識出所謂的“標記點”，也就是所有目標實例的共同特征。Zhou說：“我們從患者的診斷圖像入手。讓系統(tǒng)學習各個關節(jié)模型，直至理解每張圖像與其組織結構之間的關系。然后，為了保證其學到正確的知識，我們利用新的圖像對其進行測驗。這個程序所做的是自動執(zhí)行三維成像分割。換句話說，它在三維空間內將骨骼與軟組織相分離，并以小至約0.5毫米的粒度生成三維骨骼視圖，如三維網格圖。”他指出，其結果“表明，這個系統(tǒng)的分割質量幾乎可以與人工分割的質量相媲美。不過，既然它是一個學習型系統(tǒng)，我們認為，隨著時間的推移，它將日益完善。”

自動生成手術計劃。事實上，這款新軟件的分割結果已經非常準確，以至于可以無縫將之發(fā)送給第二個應用，用以設計定制手術切割導向裝置——從根本上講，這個裝置是一個立體手術夾具，可供醫(yī)生用于為將要接受修復術的骨骼做準備。譬如，這個手術夾具上可能帶有若干小孔，以便精確確定螺絲的安裝位置和角度，從而幫助以方式植入假體。然而，在開始生產這個手術夾具之前，“軟件將生成一份手術計劃以供骨科醫(yī)生審查，這份報告包含了在為修復術做準備工作時將要切割的骨骼的測定數(shù)據(jù)。”西門子美國研究院資深研究員Tong Fang博士如是道。Fang是一位制造技術專家，他的研發(fā)成果為虛擬自動組裝助聽器創(chuàng)造了條件。Fang說：“待這個軟件實現(xiàn)商用之后，用戶將能驗證這個系統(tǒng)設計的每一個步驟。不過，一段時間之后，當用戶熟悉了這個軟件，程序將能自動完成所有這一切。”

手術計劃獲得骨科醫(yī)生批準之后，數(shù)據(jù)就會被轉換成制造指令，以生產出為患者量身定制的手術夾具。將采用一種名為“增材制造”——亦稱“三維打印”的新穎技術進行生產。這項技術是在高溫高壓下一層又一層地噴射極小的塑料微粒，生產出異常精確而又復雜的構件。利用這項技術，可以又快又廉價地生產出個性化手術夾具。

在這整個過程中，關鍵步驟之一是創(chuàng)建一系列三維CAD模型作模板，以采用快速成型制造技術生產定制的塑料手術夾具，或采用五軸電腦數(shù)控機床生產金屬植入物。利用NX——西門子PLM軟件開發(fā)的一款計算機輔助設計、制造和工程分析（CAD/CAM/CAE）軟件，可以生成這些模型。不僅如此，NX還可以自動模擬相關的機床軌跡，以便制造出與患者組織結構最匹配的植入物。然后，為了獲得*的表面質量，同時最大限度地縮短加工時間，將把數(shù)控程序發(fā)送至銑床。

Fang說：“關節(jié)一經打開，醫(yī)生將立即把與患者匹配的夾具放到將要安置假體的骨頭上。這個夾具有若干引導開孔，以便正好在合適的位置切割骨頭。所有步驟都在虛擬世界里模擬并優(yōu)化，以排除在手術臺上出錯的可能性。”

當然，依Fang和Zhou所見，關節(jié)置換術的個性化趨勢最終必將包含假體本身。但這是將由骨科植入物制造商作出的商業(yè)抉擇。目前，還是會在一定的尺寸范圍內生產金屬植入物。Fang說：“不過，正如我們的技術即將用于實現(xiàn)自動生產定制外科手術夾具一樣，這項技術也能同樣輕而易舉地被用于自動量身定制人造骨骼。”

從工業(yè)應用到醫(yī)療應用。從患者的診斷成像，到制定外科手術計劃和生產與患者匹配的夾具，再到植入假體，這貫通診斷和治療領域的道路正變得越來越短，越來越快，所包含的數(shù)據(jù)也越來越豐富。隨著醫(yī)療成像技術與*制造技術的融合日益增強，一種相比于醫(yī)院通常更多見于工業(yè)生產環(huán)境的“按訂單設計”技術，有助于將所有這些點串聯(lián)起來——這就是Teamcenter。西門子PLM軟件提供的Teamcenter是一個統(tǒng)一平臺，允許通過“按訂單設計”流程*管理患者病案。Fang說：“診斷圖像將被發(fā)送至這個平臺，分割結果也保存在這個平臺中。此外，這個平臺還保存了外科手術計劃，包括與患者匹配的手術夾具的設計定稿，以及手術報告。醫(yī)生可以登錄這個平臺調閱患者病歷。簡而言之，這個平臺是數(shù)字世界與構建這個數(shù)字世界所需數(shù)據(jù)之間的界面。”

現(xiàn)在，許多醫(yī)療器械制造商都在使用Teamcenter，它不僅有助于精簡當前產品生命周期管理流程，而且必將為以下整個過程的自動化推波助瀾：根據(jù)患者診斷圖像，采用快速成型制造技術，生產出與患者匹配的手術夾具，直至最終生產出個性化植入物。

隨著世界各國人口日益趨向老齡化，“從成像到植入物”工藝以及與之有關的NX和Teamcenter技術將正好符合需求。