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人工膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)或肩關(guān)節(jié)的制造正變得越來越便捷、快速并更具個性化。利用西門子推出的新技術(shù)，可以把來自診斷成像的數(shù)據(jù)與制造指令相結(jié)合，由此開啟自動化生產(chǎn)定制人造假體的大門。

“從成像到植入物”技術(shù)，有望根據(jù)醫(yī)學(xué)影像自動生成個性化假體。

位于新澤西州普林斯頓的西門子美國研究院的研究人員攜手西門子工業(yè)自動化集團(tuán)PLM軟件業(yè)務(wù)部門、西門子運動控制以及主要整形植入物制造商，共同開發(fā)出一種被稱為“從成像到植入物”的工藝，可根據(jù)計算機(jī)斷層掃描（CT）成像和磁共振（MR）成像，自動生產(chǎn)出用于替代膝蓋、臀部、肩部或其他關(guān)節(jié)的個性化假體。這項新技術(shù)有望大幅縮短關(guān)節(jié)置換手術(shù)的準(zhǔn)備時間，同時提高相關(guān)制造工藝的精度。

以膝關(guān)節(jié)置換術(shù)為例，據(jù)調(diào)查公司Global Data稱，美國每年有超過72萬人進(jìn)行人造膝關(guān)節(jié)置換術(shù)。英國國民醫(yī)療管理局（NHS）估算，英國每年執(zhí)行7萬多例同類手術(shù)。其他人工關(guān)節(jié)置換術(shù)的情況也差不多，數(shù)量與日俱增。

不論置換的是膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)還是其他關(guān)節(jié)，骨科手術(shù)都要求植入物盡可能緊密貼合目標(biāo)部位。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，醫(yī)生首先對目標(biāo)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，價格更低，但MR可以揭示出軟組織的更多細(xì)節(jié)，而且沒有輻射。）

不過，這樣的醫(yī)療成像本身僅有助于描繪骨骼與軟組織之間的分界。西門子美國研究院成像分析研究組組長S. Kevin Zhou博士表示：“我們的軟件比之更進(jìn)一步的是，它具備自動化圖像分割功能，可以識別圖像內(nèi)容，準(zhǔn)確標(biāo)出骨骼邊界。”Zhou解釋道，在此之前，都是人工執(zhí)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)骨骼的邊緣逐點標(biāo)記，以精確地勾畫出骨骼邊界。西門子美國研究院超聲成像分割專家Michal Sofka補充道：“不過，得益于我們的軟件，整個過程已縮短至一分鐘左右。”

類似于Zhou開發(fā)的其他軟件應(yīng)用，他的骨骼識別系統(tǒng)基于機(jī)器學(xué)習(xí)。利用數(shù)千張經(jīng)專家注釋的圖像，軟件程序通過訓(xùn)練學(xué)會了標(biāo)識出所謂的“標(biāo)記點”，也就是所有目標(biāo)實例的共同特征。Zhou說：“我們從患者的診斷圖像入手。讓系統(tǒng)學(xué)習(xí)各個關(guān)節(jié)模型，直至理解每張圖像與其組織結(jié)構(gòu)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。這個程序所做的是自動執(zhí)行三維成像分割。換句話說，它在三維空間內(nèi)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(jié)果“表明，這個系統(tǒng)的分割質(zhì)量幾乎可以與人工分割的質(zhì)量相媲美。不過，既然它是一個學(xué)習(xí)型系統(tǒng)，我們認(rèn)為，隨著時間的推移，它將日益完善。”

自動生成手術(shù)計劃。事實上，這款新軟件的分割結(jié)果已經(jīng)非常準(zhǔn)確，以至于可以無縫將之發(fā)送給第二個應(yīng)用，用以設(shè)計定制手術(shù)切割導(dǎo)向裝置——從根本上講，這個裝置是一個立體手術(shù)夾具，可供醫(yī)生用于為將要接受修復(fù)術(shù)的骨骼做準(zhǔn)備。譬如，這個手術(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，在開始生產(chǎn)這個手術(shù)夾具之前，“軟件將生成一份手術(shù)計劃以供骨科醫(yī)生審查，這份報告包含了在為修復(fù)術(shù)做準(zhǔn)備工作時將要切割的骨骼的測定數(shù)據(jù)。”西門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)專家，他的研發(fā)成果為虛擬自動組裝助聽器創(chuàng)造了條件。Fang說：“待這個軟件實現(xiàn)商用之后，用戶將能驗證這個系統(tǒng)設(shè)計的每一個步驟。不過，一段時間之后，當(dāng)用戶熟悉了這個軟件，程序?qū)⒛茏詣油瓿伤羞@一切。”

手術(shù)計劃獲得骨科醫(yī)生批準(zhǔn)之后，數(shù)據(jù)就會被轉(zhuǎn)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“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(fù)雜的構(gòu)件。利用這項技術(shù)，可以又快又廉價地生產(chǎn)出個性化手術(shù)夾具。

在這整個過程中，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(shù)控機(jī)床生產(chǎn)金屬植入物。利用NX——西門子PLM軟件開發(fā)的一款計算機(jī)輔助設(shè)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還可以自動模擬相關(guān)的機(jī)床軌跡，以便制造出與患者組織結(jié)構(gòu)匹配的植入物。然后，為了獲得*的表面質(zhì)量，同時大限度地縮短加工時間，將把數(shù)控程序發(fā)送至銑床。

Fang說：“關(guān)節(jié)一經(jīng)打開，醫(yī)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。這個夾具有若干引導(dǎo)開孔，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(dāng)然，依Fang和Zhou所見，關(guān)節(jié)置換術(shù)的個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，還是會在一定的尺寸范圍內(nèi)生產(chǎn)金屬植入物。Fang說：“不過，正如我們的技術(shù)即將用于實現(xiàn)自動生產(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量身定制人造骨骼。”

從工業(yè)應(yīng)用到醫(yī)療應(yīng)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越短，越來越快，所包含的數(shù)據(jù)也越來越豐富。隨著醫(yī)療成像技術(shù)與*制造技術(shù)的融合日益增強(qiáng)，一種相比于醫(yī)院通常更多見于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的“按訂單設(shè)計”技術(shù)，有助于將所有這些點串聯(lián)起來——這就是Teamcenter。西門子PLM軟件提供的Teamcenter是一個統(tǒng)一平臺，允許通過“按訂單設(shè)計”流程*管理患者病案。Fang說：“診斷圖像將被發(fā)送至這個平臺，分割結(jié)果也保存在這個平臺中。此外，這個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(shè)計定稿，以及手術(shù)報告。醫(yī)生可以登錄這個平臺調(diào)閱患者病歷。簡而言之，這個平臺是數(shù)字世界與構(gòu)建這個數(shù)字世界所需數(shù)據(jù)之間的界面。”

現(xiàn)在，許多醫(yī)療器械制造商都在使用Teamcenter，它不僅有助于精簡當(dāng)前產(chǎn)品生命周期管理流程，而且必將為以下整個過程的自動化推波助瀾：根據(jù)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)出個性化植入物。

隨著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。