免费！免费！免费！可设计可3D打印颅骨植入物的软件问世

aau讯（编辑 卢晶）近日，由奥地利格拉茨技术大学和格拉茨医科大学组成的一组研究人员发表了一篇题为：“用于自动颅骨缺损修复和颅骨植入物设计的在线平台”的论文。众所周知，用定制的颅骨植入物修复颅骨缺损（也称为颅骨成形术）是非常昂贵的，且需要花费大量时间，而现有方式因为设计制造和运输植入物的时间长而错过最佳治疗时期。而在该论文中，研究员开发出用于3D打印颅骨植入物设计的系统可以更好的解决这个问题。

研究人员写道：“由于对颅骨植入物设计的高要求，例如所需的专业经验和商业软件，颅骨成形术的花费是巨大的。最重要的是，当前的手术过程会给患者带来更多痛苦，因为整个修复过程至少要进行两次开颅手术，在此过程中，通过使用设计的植入物来去除骨结构。当颅骨植入物由第三方制造商设计时，此过程可能需要几天的时间，从而影响了患者的最佳治疗期。”

在上文引用的案例中，研究人员解释说，英国的专业设计中心为居住在西班牙的患者设计了颅骨植入物。CT扫描结果必须从西班牙医院转移到英国设计中心，然后由另一家英国公司3D打印钛植入物，然后将其运回西班牙。这个过程导致了时间的浪费。

研究人员说：“因此，以种植体设计为主要瓶颈，优化当前颅骨成形术的工作流程仍然是一个悬而未决的问题。”

一种选择是开发用于颅骨植入物设计的免费的临时CAD软件，但是设计过程仍然需要专业知识和漫长的等待时间。

用于颅骨植入物设计和制造的手术室过程的插图。左：可能的工作流程。正确：就缺陷边界和骨骼厚度而言，植入物应如何与颅骨缺损相适应。

“在这项研究中，我们开发了一种用于颅骨植入物设计的全自动快速系统。该系统集成在一个可免费访问的在线平台中。此外，我们讨论了如何将与AM结合的系统结合到颅骨成形术实践中，以充分优化当前的临床程序。”该团队解释说。

据了解，他们开发的系统已集成到Studierfenster中，Studierfenster是一个基于云的开放式医学图像处理平台，借助深度学习算法，该平台可以自动恢复头骨的缺失部分。然后，该平台通过从完成的头骨中减去未有缺陷的头骨来生成针对患者特定植入物的STL文件，并且可以在现场进行3D打印。

研究人员写道：“此外，由于采用了标准格式，因此用户随后可以在需要时将模型加载到另一个应用程序中，以进行后处理。该平台自首次发布以来，已集成了许多其他功能，例如从2D图像重建3D面部，修复主动脉夹层（AD），自动主动脉界标检测和自动颅骨植入物设计。这些交互式功能背后的大多数算法都在服务器端运行，并且客户端可以使用通用的浏览器界面轻松地对其进行访问。服务器端计算允许在计算能力较低的小型设备上使用远程平台。”

据悉，3D打印植入物可以使过程更快，并将其与自动植入物设计解决方案相结合，可以使处理速度进一步提高。

对此，研究人员解释了如何优化工作流程：“在外科医生切除了一部分颅骨后，通过输入患者术后头部CT扫描图像来重建颅骨缺损。该软件通过获取两个头骨之间的差异来生成植入物。之后，提取植入物的表面模型设计并将其发送到手术室中的3D打印机进行3D打印。因此，可以局部制造植入物。植入物设计和制造的整个过程完全在手术室中自动完成。”

由于采用了自动植入设计软件和现场3D打印技术，因此不需要专家，降低成本的同时，植入物的等待时间也减少了。并且，在切除肿瘤后立即进行颅骨成形术，患者的痛苦也将减少。

Studierfenster的自动颅骨植入物设计系统的体系结构。服务器端负责植入物的生成和网格渲染。浏览器负责3D模型的可视化和用户交互。

该团队的算法是处理体积而不是3D网格模型，可以直接处理高维成像数据，并且用户可以通过Studierfenster进行访问，且易于使用。系统服务器端的另一种算法将有缺陷的完整颅骨和植入物的体积转换为3D表面网格模型。渲染后，用户可以在浏览器窗口中检查可下载的模型。

自动颅骨缺损修复和植入物设计的一个例子。第一排：有缺陷的头骨，完整的头骨和植入物。第二行：在缺损边界，骨厚度和形状方面，植入物如何与缺损颅骨配合。为了区分，植入物使用与头骨不同的颜色。

研究人员总结说：“该系统目前仅用于教育和研究用途，但代表了该领域技术发展的趋势。由于该系统集成在开放平台Studierfenster中，因此其性能在很大程度上取决于平台的硬件体系结构。头骨体积到网格的转换可能很慢，因为网格通常非常密集（例如，数百万个点）。通过在服务器端引入更好的硬件，可以改善这一点。另一个限制因素是基于客户端或服务器的平台体系结构。大网格必须从服务器端转移到浏览器端才能可视化，这可能很慢，具体取决于用户网络连接的质量。”

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