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

“從成像到植入物”技術(shù)，有望根據醫學(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(mén)子美國研究院的研究人員攜手西門(mén)子工業(yè)自動(dòng)化集團PLM軟件業(yè)務(wù)部門(mén)、西門(mén)子運動(dòng)控制以及主要整形植入物制造商，共同開(kāi)發(fā)出一種被稱(chēng)為“從成像到植入物”的工藝，可根據計算機斷層掃描（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)節的個(gè)性化假體。這項新技術(shù)有望大幅縮短關(guān)節置換手術(shù)的準備時(shí)間，同時(shí)提高相關(guān)制造工藝的精度。

以膝關(guān)節置換術(shù)為例，據調查公司Global Data稱(chēng)，美國每年有超過(guò)72萬(wàn)人進(jìn)行人造膝關(guān)節置換術(shù)。英國國民醫療管理局（NHS）估算，英國每年執行7萬(wàn)多例同類(lèi)手術(shù)。其他人工關(guān)節置換術(shù)的情況也差不多，數量與日俱增。

不論置換的是膝關(guān)節、肩關(guān)節、髖關(guān)節還是其他關(guān)節，骨科手術(shù)都要求植入物盡可能緊密貼合目標部位。為了實(shí)現這一目標，醫生首先對目標部位進(jìn)行三維CT或MR掃描，這是假體植入手術(shù)計劃的*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節，而且沒(méi)有輻射。）

不過(guò)，這樣的醫療成像本身僅有助于描繪骨骼與軟組織之間的分界。西門(mén)子美國研究院成像分析研究組組長(cháng)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，都是人工執行這樣的分割，這是一項艱辛的工作，因為技術(shù)人員必須沿相關(guān)骨骼的邊緣逐點(diǎn)標記，以精確地勾畫(huà)出骨骼邊界。西門(mén)子美國研究院超聲成像分割專(zhuān)家Michal Sofka補充道：“不過(guò)，得益于我們的軟件，整個(gè)過(guò)程已縮短至一分鐘左右。”

類(lèi)似于Zhou開(kāi)發(fā)的其他軟件應用，他的骨骼識別系統基于機器學(xué)習。利用數千張經(jīng)專(zhuān)家注釋的圖像，軟件程序通過(guò)訓練學(xué)會(huì )了標識出所謂的“標記點(diǎn)”，也就是所有目標實(shí)例的共同特征。Zhou說(shuō)：“我們從患者的診斷圖像入手。讓系統學(xué)習各個(gè)關(guān)節模型，直至理解每張圖像與其組織結構之間的關(guān)系。然后，為了保證其學(xué)到正確的知識，我們利用新的圖像對其進(jìn)行測驗。這個(gè)程序所做的是自動(dòng)執行三維成像分割。換句話(huà)說(shuō)，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(wǎng)格圖。”他指出，其結果“表明，這個(gè)系統的分割質(zhì)量幾乎可以與人工分割的質(zhì)量相媲美。不過(guò)，既然它是一個(gè)學(xué)習型系統，我們認為，隨著(zhù)時(shí)間的推移，它將日益完善。”

自動(dòng)生成手術(shù)計劃。事實(shí)上，這款新軟件的分割結果已經(jīng)非常準確，以至于可以無(wú)縫將之發(fā)送給第二個(gè)應用，用以設計定制手術(shù)切割導向裝置——從根本上講，這個(gè)裝置是一個(gè)立體手術(shù)夾具，可供醫生用于為將要接受修復術(shù)的骨骼做準備。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(kāi)始生產(chǎn)這個(gè)手術(shù)夾具之前，“軟件將生成一份手術(shù)計劃以供骨科醫生審查，這份報告包含了在為修復術(shù)做準備工作時(shí)將要切割的骨骼的測定數據。”西門(mén)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(shù)專(zhuān)家，他的研發(fā)成果為虛擬自動(dòng)組裝助聽(tīng)器創(chuàng )造了條件。Fang說(shuō)：“待這個(gè)軟件實(shí)現商用之后，用戶(hù)將能驗證這個(gè)系統設計的每一個(gè)步驟。不過(guò)，一段時(shí)間之后，當用戶(hù)熟悉了這個(gè)軟件，程序將能自動(dòng)完成所有這一切。”

手術(shù)計劃獲得骨科醫生批準之后，數據就會(huì )被轉換成制造指令，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(chēng)“三維打印”的新穎技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。這項技術(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)出異常精確而又復雜的構件。利用這項技術(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(guò)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，或采用五軸電腦數控機床生產(chǎn)金屬植入物。利用NX——西門(mén)子PLM軟件開(kāi)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(dòng)模擬相關(guān)的機床軌跡，以便制造出與患者組織結構匹配的植入物。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，將把數控程序發(fā)送至銑床。

Fang說(shuō)：“關(guān)節一經(jīng)打開(kāi)，醫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)夾具有若干引導開(kāi)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)臺上出錯的可能性。”

當然，依Fang和Zhou所見(jiàn)，關(guān)節置換術(shù)的個(gè)性化趨勢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生產(chǎn)金屬植入物。Fang說(shuō)：“不過(guò)，正如我們的技術(shù)即將用于實(shí)現自動(dòng)生產(chǎn)定制外科手術(shù)夾具一樣，這項技術(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)應用到醫療應用。從患者的診斷成像，到制定外科手術(shù)計劃和生產(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(lái)越短，越來(lái)越快，所包含的數據也越來(lái)越豐富。隨著(zhù)醫療成像技術(shù)與*制造技術(shù)的融合日益增強，一種相比于醫院通常更多見(jiàn)于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的“按訂單設計”技術(shù)，有助于將所有這些點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)——這就是Teamcenter。西門(mén)子PLM軟件提供的Teamcenter是一個(gè)統一平臺，允許通過(guò)“按訂單設計”流程*管理患者病案。Fang說(shuō)：“診斷圖像將被發(fā)送至這個(gè)平臺，分割結果也保存在這個(gè)平臺中。此外，這個(gè)平臺還保存了外科手術(shù)計劃，包括與患者匹配的手術(shù)夾具的設計定稿，以及手術(shù)報告。醫生可以登錄這個(gè)平臺調閱患者病歷。簡(jiǎn)而言之，這個(gè)平臺是數字世界與構建這個(gè)數字世界所需數據之間的界面。”

現在，許多醫療器械制造商都在使用Teamcenter，它不僅有助于精簡(jiǎn)當前產(chǎn)品生命周期管理流程，而且必將為以下整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化推波助瀾：根據患者診斷圖像，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(zhù)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(guān)的NX和Teamcenter技術(shù)將正好符合需求。