Simpleware 用於照護點 3D 列印的文獻綜述

 

照護點（POC）3D 列印領域正在快速發展，該技術正變得越來越廣泛，並能夠應對複雜的解剖學挑戰，越來越多的醫院和其他臨床機構也都設置了 3D 列印中心，或是與 3D 列印中心進行合作，這表示現在可以快速有效地將 3D 影像轉化為可用模型， 隨著 Simpleware 軟體在臨床 3D 列印工作流程中的廣泛應用，我們整理了一組新的文獻，將重點介紹一些最引人注目的醫學案例。

 

3D 列印脊椎模型在脊椎手術中，用於複雜青少年特定脊椎側彎 (AIS) 手術前規劃的準確性

• 研究背景

青少年特定脊椎側彎（AIS）是成人和青少年族群中一種明顯的脊椎畸形，在大多數情況下，治療的黃金標準是手術干預，而醫學影像和 3D 列印技術的進步徹底改變了脊椎外科醫生的手術前規劃和手術中決策，然而該技術對複雜脊椎手術規劃的適用性卻鮮少有人體實驗紀錄。

本研究的目的是評估 40 度至 95 度 Cobb 角的 3D 列印模型，對於複雜脊椎畸形的準確性，這是一項回顧性隊列研究，對 AIS 患者的五次 CT 掃描進行分割和 3D 列印，以評估準確性，該研究考慮了 CT 掃描數據集患者間和採集設備的差異，以了解其對開發的 CAD 模型，真實性和準確性的影響，並對開發的解剖模型進行重新掃描，分析定量的表面偏差，來評估 3D 列印脊椎模型的準確性。

結果顯示，五個 3D 列印模型與使用 CT 掃描所開發的虛擬模型之間的均方根誤差（RMSE）平均值為 0.5 ± 0.07 毫米，根據 RMSE 可以得出以下結論，3D 列印的工作流程足夠精確，可用於複雜青少年脊椎側彎的術前規劃， 影像擷取、後處理參數，以及 3D 列印技術類型在獲得手術所需的精確度方面發揮關鍵作用。

• Simpleware 軟體的使用

患者脊椎側彎的 3D 實體模型是透過 Simpleware ScanIP 的影像分析軟體套件生成，製作過程包括以下步驟，根據皮質骨的 Hounsfield 單位對 CT 掃描圖像進行分割（HU 100-2000）、製作遮罩、使用手動分割對每個切片的輪廓進行平滑處理，以及根據遮罩製作脊椎實體模型，接著檢查分割和表面網格品質是否有不規則、孔洞和重疊邊緣，每個脊椎資料的分割形成了相應 3D 列印模型分割的真實情況比較，可用來評估 3D 列印工作流程的準確性，最後從患者 CT 掃描資料中建立的 3D 表面模型以 STL 檔案格式匯出，即可用於 3D 列印脊椎模型。

影像擷取和分割是決定列印模型準確性的關鍵，影像擷取需要透過醫學軟體來完成，本研究使用的是 Simpleware ScanIP 軟體，其中的自動分割技術對大多數骨骼分割很有幫助，但複雜結構還是需要手動分割，人體解剖學知識有助於理解解剖結構，從而進行複雜的分割，例如 AIS 的手術，而人工檢查自動分割是否有任何不準確之處，並進行修正，可以確保複雜脊椎解剖結構分割過程的準確性。

• 結果和影響

這項工作嚴格檢驗了患者特定的 3D 列印脊椎模型，在複雜脊椎側彎手術，Cobb 角為 40 度至 95 度的應用能力，研究顯示，基於 FFF 的 3D 列印工作流程可用於複雜青少年脊椎側彎患者的手術前規劃，這為手術規劃和螺絲置入提供了臨床上可接受的精確度，螺絲放置的精確度要在 0.5 毫米以內，這表示該技術有望為複雜的 AIS 進行更安全的手術規劃。如果要更廣泛地使用 3D 列印模型，還需要進一步評估其對患者和醫護人員的優點和缺點，以及長期臨床療效和安全性，這就需要更大的患者群體和長期研究來調查這個不斷擴展的臨床領域。

文獻資料: Dutta, A., Singh, M., Kumar, K., Navarro, A.D., Santiago, R., Kaul, R.P., Patil, S., Kalaskar, D.M., 2023. Bahl, J. S., Arnold, J. B., Saxby, D. J., Taylor, M., Solomon, L. B., Thewlis, D., 2023. Accuracy of 3D printed spine models for pre-surgical planning of complex adolescent idiopathic scoliosis (AIS) in spinal surgeries: a case series. Annals of 3D Printed Medicine, 11, 100117.
 

Simpleware 應用於積層製造的客製化膝關節植入物設計

• 研究背景

這項工作旨在從傳統全膝關節置換手術的術前規劃入手，利用患者 CT 掃描中提取的形態解剖參數，開發一種客製化的膝關節植入物，膝關節植入物的客製化模型是利用 3D 虛擬術前規劃方法製作的，類似於外科醫生進行的傳統術前規劃， 使用特定演算法對患者的 CT 掃描影像進行分割，提取構成膝關節的骨組織，然後將獲得的模型匯入 CAD 軟體，並在評估工具的幫助下，確定患者股骨和脛骨的所有標記，再根據這些形態解剖標記，建立膝關節植入物的 3D 模型，並將其用於原型的積層製造。

• Simpleware 軟體的使用

骨分割技術可以使用 CT 掃描來改善診斷、疾病表徵和治療監測，有許多軟體應專門透過直接提取骨組織和影像處理的演算法，來自動進行骨分割，本研究使用的 Simpleware ScanIP 軟體是一款專門處理醫學影像的軟體，除此之外，該軟體還具有複雜影像處理演算法的基礎，因此可以獲得更好的表面和更完整的模型，而骨骼分割首先要將 DICOM 檔案匯入影像處理軟體，本研究案例中使用的 DICOM 檔案集包含一名 43 歲男性的 1563 張全身 CT 掃描影像。

基於閾值的技術可以利用 CT 掃描中較高的 HU 值，將骨組織與軟組織區分開來，其他研究發現，骨骼的 HU 值介於 150HU 和 3000HU 之間，所以我們為直方圖中識別出的灰階，設定下限和上限閾值，下限值為 200HU，上限值為 2000HU，設定閾值後，就可以選擇感興趣的區域來進行實際的骨骼分割。上圖顯示了在 Simpleware ScanIP 軟體的所有 MPR 視窗中選擇右股骨的情況，為了將股骨與骨盆分開，我們使用 "分割區域 "功能，透過該功能可以創建不同的遮罩，還可以手動選擇感興趣的區域，使分割更加精確，在本研究中，為骨盆（藍色）和股骨（紫色）分別創建一個遮罩。

在對區域進行明確定義後，接著要移除與骨盆相對應的遮罩，只留下與股骨相對應的遮罩，現在股骨的分割已完成，但在軸向平面的觀察視窗中我們可以看到縫隙，必須將其刪除，因為它們會影響後續的測量，我們使用 "閾值繪製 "工具來覆蓋骨組織，最後模型可以 stl 或 step 為檔名進行匯出，隨後可應用在 CAD 軟體中，創建虛擬模擬或為積層製造準備表面，而脛骨和髕骨的分割步驟也是一樣。

解剖表面具有高度複雜的不規則幾何形狀，這不僅會影響 CAD 模型的處理時間和分析，還會影響對電腦效能的要求，為了避免解剖表面的缺點，Simpleware ScanIP 軟體在處理 CT 影像時會對模型進行簡化，以優化分析和處理時間，這可以透過降低模型幾何形狀的複雜性來達成。

• 結果和影響

本研究的主要目的是在虛擬手術前規劃的幫助下，利用形態解剖參數設計全膝關節植入物，從而減少因植入物幾何形狀和部件方向引起的術後併發症，根據患者的形態解剖參數定制膝關節植入物的原型設計過程，與從不同尺寸的植入物中，直接選擇使用植入物相比是一個漫長的過程。

雖然全膝關節植入物的原型製作看起來很困難，因為需要用到不同的軟體，還需要有這方面能力的工程師，但透過開發醫學影像處理軟體，這些過程大多可以實現自動化或半自動化，在軟體中可以自動測量患者的解剖參數，然後根據所需參數將其轉換為可編輯的幾何模型。

文獻資料: Stanca, V., Braileanu, P.I., 2023. Custom Knee Prosthesis Design for Additive Manufacturing. Academic Journal of Manufacturing Engineering, 21(1), 72-77.

 

使用積層製造和生物相容性智慧材料客製化肱骨關節植入物

• 研究背景

根據個別解剖標誌對植入物部件進行個性化設計，可以延長植入物的使用壽命，還可以減少因植入物幾何形狀不符合患者解剖結構而導致的術後併發症，本研究旨在介紹一種透過醫學和技術研究，優化肩關節植入物的方法，在此基礎上根據患者的標記設計出客製化的原型，有鑑於此，我們開發了一種電腦輔助方法，可針對肩關節植入物的術前規劃，並從骨科醫生使用的傳統規劃，以及確定相關肱骨參數的原則出發， 起初我們使用了一組 DICOM 和CT患者掃描數據，來推測患者盂肱關節骨折，需要進行肩關節置換，這些數據會被傳輸到醫學影像處理軟體中，並指定用於重建患者肩部幾何結構的影像處理演算法，來進行骨骼分割，在這個階段獲得的肱骨3D模型會被匯入到CAD軟體中，來建立肱骨解剖標記，並根據患者的需求設計合適的植入物，該植入物是使用生物相容材料，透過積層技術所製造的"。

• Simpleware 軟體的使用          

為了重建骨骼的幾何結構，並隨後獲得肱骨的 CAD 模型，骨骼分割過程是使用 Simpleware ScanIP 軟體來進行的，這是一款專為醫學影像處理而設計的軟體，Simpleware 軟體為使用者提供了一系列複雜的處理演算法，可應用在 CT 掃描，以獲得相關區域的實體3D模型，從而加快和最佳化手術前規劃方法，除此之外，Simpleware 軟體在進行虛擬分析，以及準備用於積層製造的模型方面發揮著至關重要的作用。

• 結果和影響

總而言之，這項工作涉及對盂肱關節解剖結構的詳細研究，分析導致肩關節植入物的原因和病理，以及與目標關節相關的自由度，研究的目的是證明醫學工程對改善病患生活品質的有益影響，除此之外，這項研究也強調了每個人體相的獨特性概念，強調需要根據每位患者特定的肱骨解剖參數，對植入物組件進行客製化設計的必要性，這樣做的目的是延長植入物的使用壽命，以減少翻修手術，尤其是肩關節嚴重受損的年輕患者。

除此之外，在現有商業解決方案的基礎上，這項工作選擇使用 CAD 軟體開發一種簡化幾何模型的植入物系統，與更先進的肱骨植入物一樣，肱骨組件的傾斜角度可變化正負15度，然而完全解剖的設計旨在提供適當的關節生物力學，以確保植入物的穩定性，並增加患者的活動範圍。在未來的研究中，我們希望調整肱骨植入物原型的簡化設計，以獲得具有可變幾何形狀的複雜3D模型，從而更精確地恢復肱骨關節的活動度，這種方法可以在不影響植入物固定的情況下，提高關節穩定性，增加活動範圍，在組件製造過程中，採用了 3D 列印技術，使用 FDM 3D 列印機和 SmartFil Medical 生物相容性 ABS 材料，該材料經過科學認證，可與人體短期接觸。

該領域的未來趨勢旨在優化肱骨內植入物的形態和功能，密切模仿盂肱關節的解剖和生物力學，這包括使用 Python 程式語言中的 VTK 庫，透過開發用於肩關節置換手術前規劃的專業醫療軟體，來改進骨分割和虛擬原型製作，未來也將進行虛擬有限元分析模擬，模擬客製化肱骨內植入物的機械行為，並與標準化植入物進行比較研究，找出薄弱區域並進一步改善原型，這些額外研究工作的價值在於，可以透過設計高精確度的3D模型，避免重建正常肩關節時出現的誤差，來獲得與患者解剖結構和形態非常相似的客製化肩關節植入物。

文獻資料: Manole, C.S.T.M., Braileanu, P.I., Dobrescu, T.G., Chiscop, F., 2023. Custom Humeral Joint Prostheses Using Additive Manufacturing and Biocompatible Smart Materials. Materiale Plastice, 60(3), 19-30.

 

Simpleware 於製造患者特定的 3D 列印鑽孔導板，來治療股骨頭缺血性壞死的應用

• 研究背景

股骨頭缺血性壞死（AVN），即股骨頭組織因缺乏血液供應而壞死，是導致非老年患者接受全髖關節置換手術的主要原因，而股骨頭減壓術（CD）是重建 AVN 患者血流的有效治療方法，旨在提高其療效的技術是一個正在積極研究的領域，我們建議使用 3D 列印鑽孔導板來精確引導 CD 的治療設備。

我們使用股骨鋸骨、影像處理軟體和3D建模軟體，創建一個具有預定鑽孔軌蹟的客製化裝置，並測試將 3D 列印鑽孔導板用於 CD 的可行性，一名受過研究員訓練的骨科醫生使用鑽孔導板將一個 8ga、230 毫米長的減壓裝置放置在三個合成股骨中，並對帶有鑽孔導板和減壓裝置的鋸骨進行 CT 掃描，接著將 CT 掃描在 3D 建模軟體中進行處理，把測量角度偏差和針尖偏差的描述性統計，與原始虛擬規劃模型進行比較。

結果發現與原始 3D 模型相比，試驗的平均位移為1.440 ±1.03 毫米，平均角度偏差為1.093 ±0.749 度，實驗證明，鑽孔導板能沿著預定的鑽孔軌跡準確引導減壓裝置，精確度透過與文獻報告值的比較和考慮 AVN 病變的大小進行評估， 這項研究證明了使用 3D 列印技術來提高 CD 技術療效的潛力。

• Simpleware 軟體的使用

使用光速 VCT GE 醫療系統 CT 掃描儀掃描泡棉皮質外殼股骨，切片厚度為 0.625 毫米，電壓為 80 kVp，接著使用 Synopsys Simpleware ScanIP 軟體對 CT 掃描影像進行分割，建立 3D 股骨模型，為了表示壞死病灶，我們在 3D 股骨模型的頭部定位了一個虛擬病灶，該虛擬病灶是根據先前文獻中描述的病灶而確定的。

使用 Simpleware ScanIP 影像處理軟體，將泡棉股骨 CT 掃描影像渲染為 3D 模型遮罩，精確度測試中的 3D 模型遮罩被單獨疊加到具有理想鑽孔軌蹟的原始模型股骨上。 Simpleware ScanIP 測量工具可以發現理論鑽孔軌跡和實驗鑽孔軌跡之間的位置偏差和角度偏差，位置偏差是透過測量理想鑽頭軌跡與實驗鑽頭軌跡之間鑽尖位置的差異來確定的，而角度偏差是透過測量導絲與理想鑽頭軌跡從皮質進入點之間的角度來進行確定，並對角度偏差和針尖偏差進行了描述性統計。

• 結果和影響

我們的 3D 列印鑽導原型被確定為準確可靠，與傳統技術相比，在手術過程中使用這種技術可以提供多種優勢，例如縮短時間，從而減少 CD 手術中的感染風險，並降低手術成本，雖然 3D 列印鑽孔導板有可能提高核心減壓手術的準確性，但仍需要進一步研究，以全面評估其在手術環境中的有效性和可行性。

文獻資料: Bell, C.E., Feizi, A., Roytman, G.R., Ramji. A.F., Tommasini, S.M., Wiznia, D.H., 2023. Fabricating Patient-Specific 3D Printed Drill Guides to Treat Femoral Head Avascular Necrosis. Research Square, Preprint.

 

資料來源: Simpleware 官網

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