中南大學(xué)教授廖勝輝《智能化三維手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)與3D打印應(yīng)用》

2018年10月26日，由上海市人民政府指導(dǎo)、上海市經(jīng)濟(jì)和信息化委員會支持、上海市增材制造協(xié)會主辦的第三屆SAMA國際論壇暨2018世界3D打印年會在上海盛大開幕。吸引了來自中國、美國、英國、法國、德國、荷蘭、比利時、新西蘭、加拿大、日本、韓國、瑞典、埃及、土耳其、烏克蘭、瑞士、以色列等來自全球30余國近100位全球頂級專家以及近1000名參會代表出席。10月27日，同期舉辦了3D打印醫(yī)療應(yīng)用論壇，來自國內(nèi)外醫(yī)療領(lǐng)域相關(guān)專家做了精彩分享。

中南大學(xué)教授廖勝輝發(fā)表了《智能化三維手術(shù)規(guī)劃系統(tǒng)與3D打印應(yīng)用》的分享。

整個設(shè)計(jì)流程里面模型出來以后，后面的打印模型處理相對是比較固定的，能夠加速的階段是設(shè)計(jì)階段，每個數(shù)據(jù)都需要專業(yè)的設(shè)計(jì)，如何更好更高效的進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要一款好用又專業(yè)的軟件，能夠更好的讓醫(yī)生和工程師之間更好的進(jìn)行溝通，現(xiàn)在市面上的軟件都是拆分成不同的模塊，希望集成到一起，一共一站式解決方案。

解決方案的核心是三維數(shù)字醫(yī)療，一系列的技術(shù)，包括建模的、圖象配準(zhǔn)與融合，方案設(shè)計(jì)、測量與分析、導(dǎo)板設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化，制造方式可以是3D打印、數(shù)控加工等方式，也可以進(jìn)行立體顯示、體感交互用于醫(yī)學(xué)培訓(xùn)。

其中一個技術(shù)就是醫(yī)學(xué)圖象分割與三維重建，我們做的非常完善提供多層次、智能的高級的不同的分割工具，我們可以看一下泌尿外科的例子，胸腹部、肝臟各種科室的。

看一個實(shí)際的建模例子，整個流程非常簡單，就算是不同的器官模塊，要把它進(jìn)行復(fù)雜的拆分只需要簡單在模型上進(jìn)行交互�？窜浗M織的建模，核心組織建模在我們這里一樣簡單，可以使用智能化建模工具，簡單的進(jìn)行一個交互，就能夠把不同目標(biāo)的組織模型簡單的重建出來。

建模之后可以提供很多的多方面的測量的工具，包括交互測量、模板測量等等，包括厚度直徑、圖譜結(jié)構(gòu)，包括血管一系列的分析，都可以進(jìn)行定量的分析。

同時我們可以對于模型上面的幾何特征進(jìn)行進(jìn)一步提取，很多的特征比如說你想要的牙冠提取特征的基礎(chǔ)上面可以進(jìn)行正基，進(jìn)行很多的后續(xù)手術(shù)規(guī)劃，這些特征提取可以大大減少手術(shù)規(guī)劃設(shè)計(jì)的時間。

對于常用的一些操作，比如說截骨操作，可以基于測量數(shù)據(jù)的切割，也可以進(jìn)行基于實(shí)例學(xué)習(xí)的切割，進(jìn)行方案的推薦。對于骨科常用的操作，比如進(jìn)行骨頭的復(fù)位，我們提供了兩種選項(xiàng)，一種是直接可視化的交互操作，可視化的交互操作里面你可以看到用多個視圖聯(lián)動的交互方式，可以比較快的把骨折的特征匹配到位，在匹配的過程中，交互過程中，軟件會提供碰撞檢測的功能，然后看這里，除了交互式的骨折部位，我們還提供了自動化骨折復(fù)位，我們基于兩方面的一方面是智能化的斷面的檢測，另一方面就是一個由粗到細(xì)的多層次的匹配，你就算檢測到了斷面，匹配過程中，不是采用多層次匹配，計(jì)算知道比較大，我們爭取在準(zhǔn)實(shí)時性進(jìn)行自動的復(fù)位。

我們做鏡像修復(fù)，我們會把鏡像側(cè)和保留側(cè)部分進(jìn)行光滑的過渡，進(jìn)一步進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)板和復(fù)位導(dǎo)板的設(shè)計(jì)方便很多，減少模型中間處理的環(huán)節(jié)。

對于典型的手術(shù)我們會提供專科設(shè)計(jì)的模塊，比如說腓骨重建下頜的模塊，我們可以簡單的在模型上面簡單的去了解一下中心線，軟件就會比較智能的把截骨和擺放的方案進(jìn)行初步方案的提供，醫(yī)生可以簡單的交互，包括血管的供血、切割的角度等等，根據(jù)這個切割后面可以直接生成導(dǎo)板。

另外一個基礎(chǔ)的功能就是放置各種的植入物，軟件系統(tǒng)提供了無論是在多個不同切割方向的二維視圖還是三維聯(lián)動的試圖，都有可視化的交互工具。我們再看一個典型的�？埔�(guī)劃，全髖置換是典型又重要的手術(shù)，典型的通用軟件比較難去提供非常�？菩缘男畔ⅲ�我們設(shè)計(jì)的�？颇�塊，可以首先第一步簡單的提供輔助線，把CT掃描的圖象放位進(jìn)行擺正，擺正以后進(jìn)行假體的擺放，可以通過三個二維圖和三個三維圖進(jìn)行拖動，可以實(shí)時顯示前傾角、外展角、覆蓋率和接觸面骨密度。而且可以自動優(yōu)化，使髖臼覆蓋率達(dá)到最高。

我們簡單看一下放置髖臼假體多么簡單，模型建立以后，把骨盆的方位根據(jù)參考線進(jìn)行矯正，在數(shù)據(jù)庫里面選一個型號的假體，會初始化為一個前傾角、外展角的狀態(tài)，根據(jù)二維三維圖的可視化交互工具，可以把假體拖到位，位置放完以后可以自動的生成一個CT模擬的X光的結(jié)果，模擬的X光上面顯示你放置的假體結(jié)果。

另外一個�？颇�塊就是口腔種植，可以很方便的根據(jù)口腔科進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，然后去智能的生成手術(shù)導(dǎo)板。其它的通用手術(shù)導(dǎo)板在軟件系統(tǒng)里面可以進(jìn)行模塊化定制，手術(shù)導(dǎo)板主要起的作用，常見的功能打釘?shù)溃�包括截骨，還有定位，我們在軟件里面都有很方便的操作，我們簡單看一下生成的例子，這是簡單的模型上隨便試一下操作的要素，比如說你要去打?qū)Ч�，可以很方便的用圖形化方式確定它的的位置方向角度，包括導(dǎo)管孔徑大小，也可以去顯示安全范圍，如果只打釘?shù)郎�成模板的話，簡單的涂抹一下就可以生成�?dǎo)板的基本形態(tài)，設(shè)計(jì)一個常規(guī)的導(dǎo)板幾十秒都不到，而不需要在CAD里面自己的去組合。

還有一個經(jīng)常用的功能進(jìn)行切割截骨，我們在切割的地方選兩點(diǎn)能生成切割平面，是可以調(diào)整的，機(jī)遇這個切口可以一鍵生成切口槽，這個切口槽同樣是圖形交互式的，對它的位置方向、寬度、厚度、開口側(cè)都是可以很簡單的交互設(shè)計(jì)，這就相當(dāng)于一個年輕的醫(yī)生，只要愿意學(xué)這個軟件，就可以很快上手，不需要他有很強(qiáng)的工科操作的背景，我們希望能夠更好的把醫(yī)工結(jié)合真正的推進(jìn)。如果你又要打孔又要切割，我們可以簡單的生成連接橋的結(jié)構(gòu)。

除了定制的模塊，我們還有一系列的CAD建模功能，把傳統(tǒng)的CAD軟件，在醫(yī)學(xué)建模常用的操作都集成進(jìn)來了，如果比較專業(yè)可以一步步組合，設(shè)計(jì)更多的。這是我們定制輕量化多孔的時候，在軟件里面集成了多種孔隙、孔率、輕量化孔單元的自動化生產(chǎn)功能，可以方便的做這些。

另外我們研究了個性化支具輔具的模塊，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的是帶動態(tài)矯形功能的，根據(jù)身體的生物力學(xué)部分功能融合進(jìn)來，我們現(xiàn)在初步做了比較好的結(jié)果，能夠把生物力學(xué)融合進(jìn)來的基礎(chǔ)上面，進(jìn)行人體矯形的設(shè)計(jì)，然后智能的生成矯形的康復(fù)支具。側(cè)彎的矯形支具我們可以比較好的生產(chǎn)出來，其它的生物力學(xué)有限元模擬也可以做很多。

另外對虛擬現(xiàn)實(shí)可以把手術(shù)規(guī)劃無論是AR還是VR眼鏡上展示，不只是靜態(tài)模型的展示，對于軟組織，我們現(xiàn)在已經(jīng)初步得到了比較好的，對于軟組織的動態(tài)切割的效果，進(jìn)一步完善，對于做比較復(fù)雜的手術(shù)規(guī)劃是很有用的。然后也可以從軟件平臺上面導(dǎo)出二維碼，手機(jī)上打開顯示三維場景模型，做簡單的標(biāo)注都可以。


來源：SAMA國際論壇