用模拟生成的患者特异性植入物修复骨丢失

当一个人因事故或疾病而失去骨骼结构时，外科医生能够尽快重建失去的骨骼是很重要的。直到最近，外科医生可能会有一些不同尺寸的钛或塑料植入物可供选择，他们必须让它们工作，即使尺寸不理想。对于像下颌骨这样的机械关节，良好的配合决定了患者的功能和生活质量。

现在，佛罗里达州代托纳海滩的Techfit数字外科公司已经开发出一种针对患者的3d打印医疗设备的方法，该方法使用计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)扫描患者，以确定每个植入物的完美几何形状。他们使用Ansys Discovery 3D设计软件快速开发植入物的最佳设计。然后，他们制造植入物，主要使用金属或塑料增材制造，并在10个工作日内将其交付给手术。

Techfit的联合创始人兼首席执行官毛里西奥•托罗表示:“有了Discovery，我们知道我们的数字模型将在解剖学和机械上表现得像病人一样。”“它允许我们进行非常快速的迭代，并改进手术产品和手术结果。”

3D打印医疗设备的3步流程

1.获取数据

手术植入过程的第一步是获取数据，包括获得受影响区域的CT和MRI扫描。这些扫描是设计的起始几何。但正如每个工程师都知道的那样，几何图形必须经过清理和修改才能发挥作用。

托罗的第一个重大挑战是找到一种软件，可以输入扫描生成的STL文件，并使他能够编辑几何形状。他首先开始使用Ansys spacecclaim，并取得了良好的效果。但随后出现了Ansys Discovery。

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Toro说:“Ansys Discovery是一个完美的选择，因为它可以处理STL文件，这不是每个CAD软件包都能处理的，它可以对几何形状进行网格化，并在接近实时的情况下进行修改。”“发现号的机械解算器可以在几小时内完成设计，而不是几天或几周，而我们没有这样的时间，因为病人正在等待植入物。”

2.共同创造和验证

这个过程的第二步从医生开始。托罗和他的团队与外科医生会面，了解他或她对特定病人的需求。他们经常带着“发现”号参加这些会议，向外科医生展示他们基于扫描结果的初步设计，并在此基础上进行修改。

托罗说:“特别是如果我有一个病例，我不确定骨头或植入物的机械行为，在与外科医生的会面中，我可以开始使用Discovery来调整模型。”他解释说，任何植入物的设计都是在植入物的空间和机械性能之间做出妥协。在许多非生物应用中，你可以添加更多的材料来增加安全系数。但是当你把东西植入人体时，你的包装要求是非常严格的。

他说:“因此，能够与外科医生进行实时模拟，并在一个非常快速的反馈循环中与他们互动，以了解机械性能和包装之间的最佳点在哪里，这是提供最佳结果的关键。”

托罗发现这种快速反馈循环至关重要。

“俗话说‘熟能生巧’，”他说。“但如果没有良好的反馈循环，你实际上可能会练习错误的事情，并变得非常擅长做错误的事情。”这就是为什么我们更愿意说‘迭代创造完美’。”

3.制造业

Techfit目前在代托纳海滩的公司总部生产所有的植入物。他们拥有传统制造所需的所有标准机床，以及用于更奇特植入物形状的增材制造能力。钛合金是最常用的金属植入物。塑料植入物使用PEEK用于承重应用，超高分子量聚乙烯用于关节置换等摩擦学表面，其中摩擦和磨损可能是一个问题。每个植入物都有一份机械验证分析报告，因此外科医生对手术结果有最大的信心。

正如Toro所设想的那样，Techfit的未来制造业将包括一个分布在世界各地的增材制造网络。建立这种网络的一个主要原因是为了更快地传递植入物。托罗解释说，如果你在美国为沙特阿拉伯的病人做一个植入物，那就要浪费两天的运输时间和另外两天的清关时间。“如果从CT扫描到手术有10天的时间，这意味着我们已经晚了4天，或者我们的设计时间被压缩到6天。通过发送STL文件来了解打印将在世界各地的机器上工作将是至关重要的。”

治愈世界各地的人

迄今为止，Techfit已经为数千名患者提供了植入物。

托罗说:“我们帮助了一些非常不可思议的手术。其中包括半下颌切除术，患者因为肿瘤或事故失去了一半的下颌;用钛板将塑料植入物固定在肋骨上的胸骨置换术;最常见的是，由于摩托车事故、肿瘤或头部创伤，需要成千上万的颅骨重建。

Techfit还在医学期刊上发表论文，在会议上展示成果，甚至每年举行自己的数字外科会议。

托罗说:“定制手术实际上是一个新的领域，所以不仅是制作植入物的问题，也是传播和确保技术采用的问题。”“我们的目标是让定制治疗成为全球每位患者的新标准。”

Ansys仿真将继续在实现这一目标方面发挥重要作用。

Toro表示:“在我们的工作流程中加入Ansys Discovery可以让我们更快地验证产品，帮助患者更快地完成手术，并帮助他们更快地恢复。“最有意义的事情之一是，你可以看到人们的生活一次比一次好。”

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