增材制造和仿真强化个性化植入物

作者:Ashwani Harkara,英国北安普敦VOLMO总经理

为了给需要植入的患者提供有效治疗, 初创公司VOLMO率先研发了一款可将患者个人信息数据转换成计算机模型的软件工具。这一过程依靠ANSYS Mechanical在增材制造之前仿真和虚拟测试模型。增材制造可创建能改善患者生活品质并能降低整体医疗成本的个性化植入物,这可能将是一场改变医疗市场竞争格局的变革。

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pelvis xray

“患者可使用定制植入物,这将带来更好的手术效果,感染几率更低,康复速度更快。”

ImageSim image

在该过程的第一阶段,将患者的CT扫描数据导入VOLMO的ImageSim软件, 其可显示位于耻骨联合之上的软骨肉瘤肿瘤。

 

我们的身体都具有唯一性。我们的基因特征、器官大小、骨骼结构以及我们的内部构造的诸多方面都因人而异,然而当前医疗很大程度上仍然基于“一刀切”的方法。但随着医疗技术的不断发展,个性化医疗的发展步伐正在加快。在未来,诊断、治疗和临床决策都将根据患者的个性化信息数据进行定制。

VOLMO成立于2012年,正在通过使用计算机建模技术推动患者定制医疗的发展。计算机建模虽然在其它产业早已得到广泛使用,但在医疗行业还不完善。该公司主要采用其专有3D图像处理及建模软件平台ImageSim设计与患者解剖结构完全匹配的新型植入物、支架和固定板。在ImageSim中,一旦将患者扫描数据(CT/MRI)转换成虚拟模型, ANSYS Mechanical仿真即可测试该模型。这种虚拟患者测试(电脑模拟)可帮助临床医生、制造商和工程师在通过增材制造技术进行实际制造之前,更深入地理解植入物或支架在患者体内的表现形式。这种3D打印技术可在植入患者体内之前用于术前规划和进一步的临床试用。

将仿真和增材制造进行完美结合,患者可获得与自己的需求完全吻合的植入物,从而可简化术后护理,提高生活质量并降低整体医疗成本。

创建定制的骨盆植入物

VOLMO的长期目标是将ImageSim变成一款完整的3D仿真器,用于术前规划以及患者专用植入物的设计与优化。该公司目前的工作重点是确立和证明其流程的价值。

在近期的一项案例研究中,一位医生找到了VOLMO,他想了解这一技术如何帮助治疗软骨肉瘤患者。软骨肉瘤是一种典型的骨癌,而且在本实例中, 肿瘤位于耻骨联合上,即左右耻骨间的第二软骨关节上。

VOLMO为该咨询医生创建了一个定制骨盆植入物,提供了演示这一流程的绝佳机会。该医生使用这个术前模型,在进入手术室为患者实际切除肿瘤之前,更深入地了解了骨中 肿瘤的确切位置和范围。

resected model

实际上肿瘤被切除后,会形成一个切除的骨盆模型

 

pelvis with implant

将切除的骨盆和新的骨盆植入物导入ImageSim CAD环境中,在这里可以对其进行定位和装配。

 

设计植入物

根据所提供的数据集,在与咨询医生讨论并获得咨询医生的一些指导后, VOLMO制定了设计流程。流程的第一步是将患者的计算机断层扫描(CT)数据导入ImageSim,在此使用该工具中的高级各向异性过滤功能对其进行过滤。 然后对过滤后的影像进行分段并保存为骨盆STL模型。将这一模型带入计算机辅助设计(CAD)环境,对该骨骼进行必要的切除手术移除肿瘤。工程师使用 ImageSim中的功能采集切除骨骼的形状及拓扑数据,以创建植入物。切除的根据所提供的数据集,在与咨询医生讨论并获得咨询医生的一些指导后, VOLMO制定了设计流程。流程的第一步是将患者的计算机断层扫描(CT)数据导入ImageSim,在此使用该工具中的高级各向异性过滤功能对其进行过滤。然后对过滤后的影像进行分段并保存为骨盆STL模型。将这一模型带入计算机辅助设计(CAD)环境,对该骨骼进行必要的切除手术移除肿瘤。工程师使用 ImageSim中的功能采集切除骨骼的形状及拓扑数据,以创建植入物。切除骨盆和新创建的骨盆植入物随后带回CAD环境进行装配。

VOLMO工程师将CAD数据导入ANSYS Mechanical,在全面装配的模型上进行有限元分析(FEA)。本案例的研究重点是静态FEA,因此在ANSYS仿真环境中进行了各种结构测试。在髋关节上施加约束,在骶骨顶端手动施加载荷。施加80kg的患者体重,以便为该患者专门定制虚拟测试。

structural simulation

使用ANSYS Mechanical在重建的模型上进行大量结构测试,这可确保植入后的可靠性。

 

这一虚拟测试有助于该团队确保新植入物在特定负载条件下不会产生不利应力或形变。了解植入物在这样一个虚拟环境中的行为,有助于进一步优化设计。

接下来是仿真,工程师使用数字设计文件通过增材制造创建物理骨盆植入物。因为在本案例中,它是一个参考模型,而不是要植入患者体内的真正植入物,因此制造材料使用塑料替代金属。最终产品使该咨询医生深信这一技术将非常实用,具有巨大的未来应用 潜力。

“监管审批流程可能非常耗时,而计算机仿真临床试验则有助于加快这一流程。”

仿真为医疗带来巨大效益

骨盆植入物等案例研究正在帮助培养和建立通过VOLMO的计算建模与仿真流程所能实现的成效的意识。在模型完成虚拟测试后,下一步是通过金属3D打印完成实体植入物的设计。然后在植入患者体内前对这些设计进行实体测试。不过,在ANSYS Mechanical中彻底完成模型测试后,所需的实体测试台测试会大幅减少,最终可节省时间和资金。

AM implant

最终的骨盆植入物通过增材制造产生。

 

美国食品药物管理局(FDA)、其他监管部门和政策制定部门目前鼓励采用计算机建模与仿真技术加快产品的研发进程。监管审批流程可能非常耗 时,而计算机仿真临床试验则有助于加快这一流程。

随着个性化医疗的发展,时间及成本的节省程度将超越产品的研发过程。临床医生现在拥有具体患者的治疗信息,因此他们可从术前规划中获益。患者可使用定制植入物,这将带来更好的手术效果,感染几率更低,康复速度更快。患者在手术室停留的时间更短,从而可降低住院成本。此外,更多的患者将获得医疗服务,而等待治疗的人数将相应减少。

个性化医疗的远景

VOLMO选择在其流程中使用ANSYS软件,是因为ANSYS软件是经过严格验证的业界领先工具。VOLMO可通过ANSYS初创公司计划获得全面使用ANSYS仿真解决方案的权限。此外,ANSYS团队提供的支持帮助VOLMO拓展了业务,推动了其实现现代个性化医疗的远景。

VOLMO现在迫切希望扩大应用范围,让更多用户从这种患者定制解决方案中获益。

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