中南大学教授廖胜辉《智能化三维手术规划系统与3D打印应用》

2018年10月26日，由上海市人民政府指导、上海市经济和信息化委员会支持、上海市增材制造协会主办的第三届SAMA国际论坛暨2018世界3D打印年会在上海盛大开幕。吸引了来自中国、美国、英国、法国、德国、荷兰、比利时、新西兰、加拿大、日本、韩国、瑞典、埃及、土耳其、乌克兰、瑞士、以色列等来自全球30余国近100位全球顶级专家以及近1000名参会代表出席。10月27日，同期举办了3D打印医疗应用论坛，来自国内外医疗领域相关专家做了精彩分享。

中南大学教授廖胜辉发表了《智能化三维手术规划系统与3D打印应用》的分享。

整个设计流程里面模型出来以后，后面的打印模型处理相对是比较固定的，能够加速的阶段是设计阶段，每个数据都需要专业的设计，如何更好更高效的进行设计，需要一款好用又专业的软件，能够更好的让医生和工程师之间更好的进行沟通，现在市面上的软件都是拆分成不同的模块，希望集成到一起，一共一站式解决方案。

解决方案的核心是三维数字医疗，一系列的技术，包括建模的、图象配准与融合，方案设计、测量与分析、导板设计、仿真与优化，制造方式可以是3D打印、数控加工等方式，也可以进行立体显示、体感交互用于医学培训。

其中一个技术就是医学图象分割与三维重建，我们做的非常完善提供多层次、智能的高级的不同的分割工具，我们可以看一下泌尿外科的例子，胸腹部、肝脏各种科室的。

看一个实际的建模例子，整个流程非常简单，就算是不同的器官模块，要把它进行复杂的拆分只需要简单在模型上进行交互。看软组织的建模，核心组织建模在我们这里一样简单，可以使用智能化建模工具，简单的进行一个交互，就能够把不同目标的组织模型简单的重建出来。

建模之后可以提供很多的多方面的测量的工具，包括交互测量、模板测量等等，包括厚度直径、图谱结构，包括血管一系列的分析，都可以进行定量的分析。

同时我们可以对于模型上面的几何特征进行进一步提取，很多的特征比如说你想要的牙冠提取特征的基础上面可以进行正基，进行很多的后续手术规划，这些特征提取可以大大减少手术规划设计的时间。

对于常用的一些操作，比如说截骨操作，可以基于测量数据的切割，也可以进行基于实例学习的切割，进行方案的推荐。对于骨科常用的操作，比如进行骨头的复位，我们提供了两种选项，一种是直接可视化的交互操作，可视化的交互操作里面你可以看到用多个视图联动的交互方式，可以比较快的把骨折的特征匹配到位，在匹配的过程中，交互过程中，软件会提供碰撞检测的功能，然后看这里，除了交互式的骨折部位，我们还提供了自动化骨折复位，我们基于两方面的一方面是智能化的断面的检测，另一方面就是一个由粗到细的多层次的匹配，你就算检测到了断面，匹配过程中，不是采用多层次匹配，计算知道比较大，我们争取在准实时性进行自动的复位。

我们做镜像修复，我们会把镜像侧和保留侧部分进行光滑的过渡，进一步进行手术导板和复位导板的设计方便很多，减少模型中间处理的环节。

对于典型的手术我们会提供专科设计的模块，比如说腓骨重建下颌的模块，我们可以简单的在模型上面简单的去了解一下中心线，软件就会比较智能的把截骨和摆放的方案进行初步方案的提供，医生可以简单的交互，包括血管的供血、切割的角度等等，根据这个切割后面可以直接生成导板。

另外一个基础的功能就是放置各种的植入物，软件系统提供了无论是在多个不同切割方向的二维视图还是三维联动的试图，都有可视化的交互工具。我们再看一个典型的专科规划，全髋置换是典型又重要的手术，典型的通用软件比较难去提供非常专科性的信息，我们设计的专科模块，可以首先第一步简单的提供辅助线，把CT扫描的图象放位进行摆正，摆正以后进行假体的摆放，可以通过三个二维图和三个三维图进行拖动，可以实时显示前倾角、外展角、覆盖率和接触面骨密度。而且可以自动优化，使髋臼覆盖率达到最高。

我们简单看一下放置髋臼假体多么简单，模型建立以后，把骨盆的方位根据参考线进行矫正，在数据库里面选一个型号的假体，会初始化为一个前倾角、外展角的状态，根据二维三维图的可视化交互工具，可以把假体拖到位，位置放完以后可以自动的生成一个CT模拟的X光的结果，模拟的X光上面显示你放置的假体结果。

另外一个专科模块就是口腔种植，可以很方便的根据口腔科进行手术规划，然后去智能的生成手术导板。其它的通用手术导板在软件系统里面可以进行模块化定制，手术导板主要起的作用，常见的功能打钉道，包括截骨，还有定位，我们在软件里面都有很方便的操作，我们简单看一下生成的例子，这是简单的模型上随便试一下操作的要素，比如说你要去打导管，可以很方便的用图形化方式确定它的的位置方向角度，包括导管孔径大小，也可以去显示安全范围，如果只打钉道生成模板的话，简单的涂抹一下就可以生成导板的基本形态，设计一个常规的导板几十秒都不到，而不需要在CAD里面自己的去组合。

还有一个经常用的功能进行切割截骨，我们在切割的地方选两点能生成切割平面，是可以调整的，机遇这个切口可以一键生成切口槽，这个切口槽同样是图形交互式的，对它的位置方向、宽度、厚度、开口侧都是可以很简单的交互设计，这就相当于一个年轻的医生，只要愿意学这个软件，就可以很快上手，不需要他有很强的工科操作的背景，我们希望能够更好的把医工结合真正的推进。如果你又要打孔又要切割，我们可以简单的生成连接桥的结构。

除了定制的模块，我们还有一系列的CAD建模功能，把传统的CAD软件，在医学建模常用的操作都集成进来了，如果比较专业可以一步步组合，设计更多的。这是我们定制轻量化多孔的时候，在软件里面集成了多种孔隙、孔率、轻量化孔单元的自动化生产功能，可以方便的做这些。

另外我们研究了个性化支具辅具的模块，稍微复杂一点的是带动态矫形功能的，根据身体的生物力学部分功能融合进来，我们现在初步做了比较好的结果，能够把生物力学融合进来的基础上面，进行人体矫形的设计，然后智能的生成矫形的康复支具。侧弯的矫形支具我们可以比较好的生产出来，其它的生物力学有限元模拟也可以做很多。

另外对虚拟现实可以把手术规划无论是AR还是VR眼镜上展示，不只是静态模型的展示，对于软组织，我们现在已经初步得到了比较好的，对于软组织的动态切割的效果，进一步完善，对于做比较复杂的手术规划是很有用的。然后也可以从软件平台上面导出二维码，手机上打开显示三维场景模型，做简单的标注都可以。


来源：SAMA国际论坛