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

中年少女心思多

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。