Ansys Discovery 大幅加快下顎植入物的設計流程

2024.07.29

當一個人因為意外或疾病而失去骨骼結構時，對於外科醫生來說，快速重建失去的骨骼是最重要的。然而直到最近，外科醫生可能都只有幾種不同尺寸的鈦合金或塑膠植入物可以做選擇，即使尺寸不理想，他們也必須讓這些植入物發揮作用。對於下顎骨等機械關節來說，良好的適配性將決定患者的生活機能和品質。

現在，位於佛羅里達州代托納比奇的 Techfit Digital Surgery 醫療設備公司已開發出一種針對患者的 3D 列印醫療設備方法，他們使用患者的電腦斷層掃描 (CT) 和核磁共振 (MRI) 掃描影像來確定每個植入物的完美幾何形狀，並使用 Ansys Discovery 3D 設計軟體來快速開發植入物的最佳設計，最後透過金屬或塑膠 3D 列印技術來製造植入物，整個工作流程可在 10 個工作天內完成，以便醫師進行植入物手術。

Techfit 聯合創始人兼首席執行官 Mauricio Toro 表示：「透過 Ansys Discovery，我們有信心數位模型將在解剖學和機械性能上與患者的實際情況相符，這使我們能夠進行非常快速的設計迭代，從而改進手術產品和手術結果。」

設計患者特定植入物只需要三大步驟

1. 生成患者特定模型

植入物設計的第一步是獲取數據並生成患者特定模型，透過 Simpleware 3D 醫學影像處理軟體，可將患者特定的 DICOM 掃描影像轉換為 3D 解剖模型，協助醫生進行更準確的植入物設計。而針對顱面掃描影像，Simpleware 軟體具備 AI 自動分割功能，可一鍵自動進行影像分割並標記出顱面的各個部位，讓醫生可專注於其他高價值的任務當中。

生成後的患者特定 3D 解剖模型可直接匯入 CAD 軟體中進行植入物設計，這是設計團隊面臨的另一個重大挑戰，找到可以輸入且透過 DICOM 掃描影像創建的 STL 檔案，並能夠編輯幾何形狀的軟體，首先 Techfit 團隊使用了 Ansys SpaceClaim，並取得了良好的效果，但隨後 Ansys Discovery 問世了。

Toro 說:「Ansys Discovery 完美地符合我們的需求，因為它可以處理 STL 檔案，這並非每個 CAD 軟體都能夠做到，且 Discovery 可以對幾何形狀進行網格劃分和近乎時實地進行修改。此外，Discovery 的求解器可以在數小時內就生成設計結果，而不是幾天或幾週，這對我們來說非常重要，因為患者正在等待植入物。」

2. 共同創造和驗證

第二步則是從醫生開始，Toro 和他的團隊會與外科醫生會面，以了解他們對特定患者的需求，他們通常會帶上 Ansys Discovery 參加這些會議來向外科醫生展示基於掃描影像的初步設計，並在此基礎上進行修改。

Toro 說:「尤其是當我們不確定骨頭或植入物的機械行為時，在與外科醫生的會議中就可以使用 Ansys Discovery 實時調整模型。」他解釋說任何植入物設計始終是空間和植入物機械性能之間的折衷，在許多非生物應用，我們只需要增加更多材料即可提高安全係數，但是當我們要在人體內植入東西時，你的設計要求就必須非常嚴謹。

「因此能夠與外科醫生一起即時進行模擬，並在非常快速的反饋循環中與醫生互動，以了解機械性能和設計之間的最佳平衡點，是提供可實現最佳結果的關鍵。」Toro 認為這種快速的反饋循環非常重要。「雖然俗話說熟能生巧，但是如果沒有良好的反饋循環，實際上可能會重複做著錯誤的事情，並變得非常擅長做錯誤的事情，這就是為什麼我們更願意說『迭代造就完美。』」

3. 製造

Techfit 目前在佛羅里達州的公司總部生產所有植入物。他們擁有傳統製造所需的所有標準機床，以及用於更複雜植入物設計的 3D 列印能力。金屬植入物最常使用的材質為鈦合金，塑膠植入物則使用 PEEK 材料來承受負荷，並使用超高分子量聚乙烯用於關節置換等摩擦表面，其中摩擦和磨損可能會是一個問題，因此每個植入物均附有機械驗證的分析報告，讓外科醫生可以對手術結果充滿信心。

正如 Toro 所想，Techfit 未來的製造將包括一個遍佈在世界各地的 3D 列印網路，這種網路能夠更快地交付植入物，Toro 解釋說:「如果我們在美國為沙烏地阿拉伯的患者製造植入物，那麼運輸會浪費兩天，海關清關又浪費兩天，如果從 CT 掃描到植入物手術有 10 天的時間，這意味著我們已經晚了四天，或是說植入物的設計時間被壓縮剩 6 天，因此透過發送 STL 檔案來了解植入物能否在世界各地的機器上列印是至關重要的。」

Ansys Discovery 改變傳統的植入物設計流程

迄今為止，Techfit 已為數千名患者提供植入物。Toro 說: 「我們在一些非常令人難以置信的手術中提供了幫助，其中包括半下顎骨切除手術，即患者因腫瘤或事故失去了一半的下顎；使用塑料植入物進行的胸骨置換，該植入物透過鈦合金板固定在肋骨上；而最常見的是數千例由於摩托車事故、腫瘤或頭部外傷而需要進行的顱骨重建手術。」

除此之外，Techfit 還在醫學期刊上發表論文，也在醫學會議上展示研究結果，甚至每年都會舉辦自己的數位手術會議。Toro 說:「客製化手術實際上是一個新的領域，這不僅是製造植入物的問題，還涉及推廣和確保技術的普及，而我們的目標是讓客製化治療成為全球每位患者的標準。」

Ansys 的模擬技術將繼續在實現這一目標的過程中發揮重要作用！

「在我們的工作流程中加入 Ansys Discovery 可以讓我們快速地驗證產品，進而幫助人們更快地進行手術並康復。」Toro 說「最讓人感到欣慰的事情之一是，我們可以看到人們的生活每次都變得更好。」

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