新思科技, 引领万物智能

 

心脏也可以打印?AI驱动的3D打印技术让医疗数字化更进一步

作者:Kerim Genc, Ph.D., Staff Business Development Manager

3D打印技术已有近40年的历史了,目前3D打印技术在医学中的多个领域都有实践,从备受关注的连体双胞胎分离手术到手术规划、患者咨询、学生教育等等,而其中最常见的应用则是构建特定患者的人体解剖学3D打印模型,通常称为即时医疗(Point-of-Care)3D打印,这一技术已帮助过成千上万的患者进行了有效治疗。

即时医疗3D打印是将患者的磁共振成像(MRI)或CT扫描结果转换为3D表面重建(通常为STL或3Mf),然后发送至3D打印机打印出来,打印这一操作可以在医院完成,也可以由第三方机构或医院经营的托管公司来完成。医院普及即时医疗3D打印的驱动因素有很多,但基本上都离不开以下几点:

  • 改善治疗效果,节约时间和成本
  • 拓展解剖学知识
  • 提升外科医生信心
  • 提高手术准确性

如果外科医生拿到患者的精确解剖模型,则可以根据模型进行术前规划、沟通和培训,从而提高手术精准性,缩短手术时间,为医院节约成本。现在,越来越多的医生开始信任并希望采用3D模型。

 

即时医疗3D打印软件

新思科技早在20多年前就推出了Simpleware™软件,致力于简化将DICOM图像数据转换为3D打印模型的过程。近年来,新思科技收集了大量来自临床医生和客户的反馈,并基于这些反馈,投入了大量精力和资源对手动工作流程的用户界面/体验进行了全新升级。

新思科技已将行业领先的计算资源充分投入到自动化和AI技术中,并推出了Simpleware ScanIP Medical和3D打印工具包功能。通过使用Simpleware软件,开发者们在制备3D打印DICOM数据时无需再切换不同的软件程序,同时还可以:

  • 在Simpleware ScanIP Medical已获FDA许可和CE认证的软件环境内工作,并使用Stratasys、Formlabs、HP和Rize 3D打印机进行3D打印
  • 对目标区域进行分割解剖学扫描,如骨骼、肌肉和其他组织
  • 使用多种工具切割、镂空、压印文本、创建接头、构建模型平台以及制作针脚和接头
  • 使用来自CT图像数据或壁厚的灰度值,将彩图应用于骨密度的3D模型中
  • 应用彩色打样并检查印刷适应性,第一时间获得精准模型
  • 导出STL、3MF、OBJ等所有标准3D打印格式

下图为用Simpleware生成的3D模型示例(左)和医院用等效3D打印模型(右)。图1为用Simpleware AS Ortho自动分割的半个骨盆,表面显示骨密度。图2为用支撑结构组合成的下颅骨及下颌骨模型。图3为用Simpleware AS Cardio自动分割房室和血管的心脏模型。

▲图1
▲图2
▲图3

即时医疗3D打印现已从临床条件苛刻、依赖手动方法的稀有技术演化为需要扩展工作流程的公认技术。然而,手动和缓慢的图像分割仍是技术发展的主要瓶颈。尽管如此,Simpleware在3D打印自动化各类应用中仍有出色表现:

  • 在软件界面以Python和C#编写脚本,通过API、宏命令和log转换轻松创建脚本,为重复任务自定义工具集和工作流程
  • 使用现成的AI自动分割和标记工具Simpleware AS Ortho和Simpleware AS Cardio附加模块。这些工具适用于心脏、肩、髋、膝、踝等部位,且会不断增加
  • 部署Simpleware Custom Modeler附件。这是新思科技与客户共同开发、完全自定义的AI自动分割解决方案,旨在提供针对需求的优化解决方案

 

案例分析

美国佛罗里达州心血管外科高级项目实验室(APL)曾使用3D解剖学模型规划手术、培训同事并为患者提供咨询服务。APL已经创建了包括心脏、大脑、脊椎、四肢及其他器官等500多个模型。此外,该医院还利用Simpleware AI工具实现了常规工作流程的自动化。

▲Simpleware软件中3D打印就绪模型的侧视图(A1)和横向视图(B1),以及用Stratasys J750 Digital Anatomy打印机生成的3D打印最终解剖学模型(A2、B2),橙色区域为病理学部分。

 

上图所示是医院为一名16岁的患者创建的左冠状动脉异常起源模型。Simpleware ScanIP Medical载入患者心脏CT数据后,由自动分割模块Simpleware AS Cardio进行一键分割并标记数据,同时用Simpleware 3D打印工具包完成其他3D打印准备工作。通过这一方法,处理数据的时间大幅缩短,两小时的生物医学工程步骤变为15分钟。最后,Stratasys J750 Digital Anatomy 3D打印机生成了最终模型,并使用不同颜色表示心脏的不同区域,协助手术完成。

在这一案例中,医院打造的患者心脏比例模型对手术的规划和实施帮助极大,这也充分肯定了新思科技的Simpleware平台所提供的先进即时医疗解决方案的价值。

 

3D打印的未来

3D打印技术在医学领域的应用(如3D解剖学模型)已经越来越广泛,且被越来越多的医疗机构和患者所接受。这一技术的优势非常明显,尽管3D医疗打印技术的前期投入成本会很高,但它仍可以帮助医院提高盈利能力,且可以帮助医生更好的研究患者特异性。

新思科技的Simpleware AI工具为手动分割和标记这一主要挑战提供了灵活的解决方案,帮助医院更好地采用3D打印,改善治疗效果。