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

“從成像到植入物”技術(shù)，有望根據(jù)醫(yī)學(xué)影像自動(dòng)生成個(gè)性化假體。

位于新澤西州普林斯頓的西門子美國(guó)研究院的研究人員攜手西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)PLM軟件業(yè)務(wù)部門、西門子運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）成像和磁共振（MR）成像，自動(dòng)生產(chǎn)出用于替代膝蓋、臀部、肩部或其他關(guān)節(jié)的個(gè)性化假體。這項(xiàng)新技術(shù)有望大幅縮短關(guān)節(jié)置換手術(shù)的準(zhǔn)備時(shí)間，同時(shí)提高相關(guān)制造工藝的精度。

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

不論置換的是膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)還是其他關(guān)節(jié)，骨科手術(shù)都要求植入物盡可能緊密貼合目標(biāo)部位。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，醫(yī)生首先對(duì)目標(biāo)部位進(jìn)行三維CT或MR掃描，這是假體植入手術(shù)計(jì)劃的*步。（相比于MR，CT的速度更快，價(jià)格更低，但MR可以揭示出軟組織的更多細(xì)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(guó)研究院成像分析研究組組長(zhǎng)S. Kevin Zhou博士表示：“我們的軟件比之更進(jìn)一步的是，它具備自動(dòng)化圖像分割功能，可以識(shí)別圖像內(nèi)容，準(zhǔn)確標(biāo)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(xiàng)艱辛的工作，因?yàn)榧夹g(shù)人員必須沿相關(guān)骨骼的邊緣逐點(diǎn)標(biāo)記，以精確地勾畫出骨骼邊界。西門子美國(guó)研究院超聲成像分割專家Michal Sofka補(bǔ)充道：“不過，得益于我們的軟件，整個(gè)過程已縮短至一分鐘左右。”

類似于Zhou開發(fā)的其他軟件應(yīng)用，他的骨骼識(shí)別系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)。利用數(shù)千張經(jīng)專家注釋的圖像，軟件程序通過訓(xùn)練學(xué)會(huì)了標(biāo)識(shí)出所謂的“標(biāo)記點(diǎn)”，也就是所有目標(biāo)實(shí)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(xué)習(xí)各個(gè)關(guān)節(jié)模型，直至理解每張圖像與其組織結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。然后，為了保證其學(xué)到正確的知識(shí)，我們利用新的圖像對(duì)其進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。這個(gè)程序所做的是自動(dòng)執(zhí)行三維成像分割。換句話說，它在三維空間內(nèi)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(wǎng)格圖。”他指出，其結(jié)果“表明，這個(gè)系統(tǒng)的分割質(zhì)量幾乎可以與人工分割的質(zhì)量相媲美。不過，既然它是一個(gè)學(xué)習(xí)型系統(tǒng)，我們認(rèn)為，隨著時(shí)間的推移，它將日益完善。”

自動(dòng)生成手術(shù)計(jì)劃。事實(shí)上，這款新軟件的分割結(jié)果已經(jīng)非常準(zhǔn)確，以至于可以無縫將之發(fā)送給第二個(gè)應(yīng)用，用以設(shè)計(jì)定制手術(shù)切割導(dǎo)向裝置——從根本上講，這個(gè)裝置是一個(gè)立體手術(shù)夾具，可供醫(yī)生用于為將要接受修復(fù)術(shù)的骨骼做準(zhǔn)備。譬如，這個(gè)手術(shù)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(chǎn)這個(gè)手術(shù)夾具之前，“軟件將生成一份手術(shù)計(jì)劃以供骨科醫(yī)生審查，這份報(bào)告包含了在為修復(fù)術(shù)做準(zhǔn)備工作時(shí)將要切割的骨骼的測(cè)定數(shù)據(jù)。”西門子美國(guó)研究院資深研究員Tong Fang博士如是道。Fang是一位制造技術(shù)專家，他的研發(fā)成果為虛擬自動(dòng)組裝助聽器創(chuàng)造了條件。Fang說：“待這個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)商用之后，用戶將能驗(yàn)證這個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)步驟。不過，一段時(shí)間之后，當(dāng)用戶熟悉了這個(gè)軟件，程序?qū)⒛茏詣?dòng)完成所有這一切。”

手術(shù)計(jì)劃獲得骨科醫(yī)生批準(zhǔn)之后，數(shù)據(jù)就會(huì)被轉(zhuǎn)換成制造指令，以生產(chǎn)出為患者量身定制的手術(shù)夾具。將采用一種名為“增材制造”——亦稱“三維打印”的新穎技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。這項(xiàng)技術(shù)是在高溫高壓下一層又一層地噴射極小的塑料微粒，生產(chǎn)出異常精確而又復(fù)雜的構(gòu)件。利用這項(xiàng)技術(shù)，可以又快又廉價(jià)地生產(chǎn)出個(gè)性化手術(shù)夾具。

在這整個(gè)過程中，關(guān)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(shù)生產(chǎn)定制的塑料手術(shù)夾具，或采用五軸電腦數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)金屬植入物。利用NX——西門子PLM軟件開發(fā)的一款計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、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(dòng)模擬相關(guān)的機(jī)床軌跡，以便制造出與患者組織結(jié)構(gòu)匹配的植入物。然后，為了獲得*的表面質(zhì)量，同時(shí)大限度地縮短加工時(shí)間，將把數(shù)控程序發(fā)送至銑床。

Fang說：“關(guān)節(jié)一經(jīng)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(gè)夾具有若干引導(dǎo)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(shù)臺(tái)上出錯(cuò)的可能性。”

當(dāng)然，依Fang和Zhou所見，關(guān)節(jié)置換術(shù)的個(gè)性化趨勢(shì)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(huì)在一定的尺寸范圍內(nèi)生產(chǎn)金屬植入物。Fang說：“不過，正如我們的技術(shù)即將用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生產(chǎn)定制外科手術(shù)夾具一樣，這項(xiàng)技術(shù)也能同樣輕而易舉地被用于自動(dòng)量身定制人造骨骼。”

從工業(yè)應(yīng)用到醫(yī)療應(yīng)用。從患者的診斷成像，到制定外科手術(shù)計(jì)劃和生產(chǎn)與患者匹配的夾具，再到植入假體，這貫通診斷和治療領(lǐng)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(shù)與*制造技術(shù)的融合日益增強(qiáng)，一種相比于醫(yī)院通常更多見于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的“按訂單設(shè)計(jì)”技術(shù)，有助于將所有這些點(diǎn)串聯(lián)起來——這就是Teamcenter。西門子PLM軟件提供的Teamcenter是一個(gè)統(tǒng)一平臺(tái)，允許通過“按訂單設(shè)計(jì)”流程*管理患者病案。Fang說：“診斷圖像將被發(fā)送至這個(gè)平臺(tái)，分割結(jié)果也保存在這個(gè)平臺(tái)中。此外，這個(gè)平臺(tái)還保存了外科手術(shù)計(jì)劃，包括與患者匹配的手術(shù)夾具的設(shè)計(jì)定稿，以及手術(shù)報(bào)告。醫(yī)生可以登錄這個(gè)平臺(tái)調(diào)閱患者病歷。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)平臺(tái)是數(shù)字世界與構(gòu)建這個(gè)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(jiǎn)當(dāng)前產(chǎn)品生命周期管理流程，而且必將為以下整個(gè)過程的自動(dòng)化推波助瀾：根據(jù)患者診斷圖像，采用快速成型制造技術(shù)，生產(chǎn)出與患者匹配的手術(shù)夾具，直至終生產(chǎn)出個(gè)性化植入物。

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