概述 3D LifePrints 公司使用 Simpleware 软件从患者图像获得 3D 打印的解剖模型，用于3D虚拟仿真和手术导板设计。Simpleware 用于诊断的 3D 打印正在帮助3D LifePrints 实现即时医疗（POC）3D 打印以及嵌入式临床。 3D LifePrints 重点关注的专科之一是肿瘤外科，目前已在英国的一些专科医院开展合作。他们的工程师帮助手术团队处理困难和复杂的病例，参与到切割导板的设计和制造。这里展示两个最近的成功案例，包括半骨盆切除术和定向髂骨切除术。 亮点 使用 Simpleware ScanIP 导入和可视化 CT 扫描，分割骨骼使用 Ansys 软件进行骨骼/器械间相互作用的模拟3D 打印包含定制植入物的患者骨骼模型虚拟手术规划辅助最终的手术和植入该工作流程节省时间并可更好的支持临床决策 PI/II 半骨盆切除术 在本例中，3D LifePrints 需要创建灭菌性手术导板，协助切除患者左半骨盆被肿瘤肿块破坏的部分。由于肿瘤切除手术日期紧迫，需要快速完成服务。工程师使用 Simpleware ScanIP Medical 对患者最新的 MRI 和 CT 扫描数据进行分割，创建包含肉瘤的左半骨盆虚拟模型。然后通过安全的手术切缘使肉瘤数字化扩增，突出显示以更好地区分，帮助外科医生评估和确定最佳手术切割平面。 3D LifePrints制作了3种不同的手术导板：（1）通过髂骨侧方的双平面切口（2）通过耻骨的单切口（3）引导通过坐骨的单切口。3种导板均采用可灭菌的USP Class VI生物相容性透明材料Biomed Clear，在该医院内3D Life Prints控制环境设备Formlabs 3B 3D打印机上打印制成。 图：由Simpleware生成的PI/II 半骨盆切除术模型 3D Life Prints能够在5天内创建解剖模型和设计制造导板，满足手术紧迫性的需求。手术团队使用解剖模型和导板作为术前工具，与患者详细讨论肿瘤的复发和转移。在术中，最佳匹配的导板帮助实现单一的后路扩大技术，显著缩短手术时间。 定向髂骨切除术 第二个案例的患者在常规扫描中被发现显示为无症状1级软骨肉瘤，然后进行了单独的进一步检查。肿瘤较小且位于患者的左侧髂骨，因此外科医生希望进行有针对性的、保留骨骼的切除术，确保合适的切缘以保留髂骨的完整性。 因此，3D LifePrints为该手术设计并提供了患者特定的灭菌手术钻孔导板。使用Simpleware ScanIP Medical从患者的CT和MRI扫描中分割出骨骼和肿瘤结构。然后将这些解剖结构组合为虚拟的模型，其中通过肿瘤的数字化生长创建安全的手术切缘。突出显示边界以获得更好的可视化，方便外科医生确定最佳的切除路径。 3D LifePrints使用Biomed Clear材料制作患者专用的圆形钻孔通道导板，并将3D打印的解剖模型交付给手术团队供术中参考。 图：为定向髂骨切除术准备的3D打印模型和手术导板 导板拟合良好，外科医生通过必要的钻孔引导后续的截骨手术，使手术变得简单并在一小时内完成。总的来说，手术团队高度赞扬了导板的精度水平。这种精确性意味着在保留骶髂关节和避开神经血管结构的同时，可以安全地切除肿瘤。术后患者经历了快速的康复期。 总结 3D LifePrints目前的应用和正在开发的专科手术领域，以及它们通过嵌入式中心密切参与临床站点，展示了将患者数字化、设备产品和服务带向即时医疗的巨大潜力。Simpleware软件可以支持3D LifePrints实现快速高效的工作流程，通过医学影像到3D打印等虚拟方法帮助改善患者治疗。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/oncological-surgical-planning.html

概述 人字缝早闭型颅缝早闭（LC）是一种罕见的非综合征型颅缝早闭，特征是出生时头后部人字缝融合。虽然有像弹簧辅助颅成形术这样的手术选择，但美学效果通常并不理想。为了解决这个问题，研究人员开发的 LC 颅骨参数化有限元（FE）模型可以用来优化将来的弹簧手术。 选择三名接受弹簧辅助颅成形术的患者作为研究对象，在 Simpleware 软件中由他们术前 CT 数据创建颅骨结构模型。然后模拟比较术前 CT 图像和手术的颅骨生长，通过在虚拟场景中重现这一过程，可能有助于改善未来的 LC 手术。 亮点 为了更好地理解颅缝早闭的干预措施，在 Simpleware 软件中使用CT图像创建FE模型在 Simpleware CAD 模块中比较颅骨生长的表面偏差模拟用于比较术前 CT 成像、手术干预和术后干预目标是改善未来的外科实践 数据获取与重建 3 例因颅骨形态异常的 LC 患者在英国伦敦大奥蒙德街医院颅颌面外科接受了弹簧辅助颅成形术，并在术前和术后进行头部 CT 扫描。将 CT 图像导入 Simpleware ScanIP 软件中重建这两个不同阶段的颅骨，经过分割和处理以确定颅骨至上颌骨及骨缝结构的骨骼。 图：使用 Simpleware 软件从 CT 图像重建患者术前和术后的颅骨模型 为模拟划分网格 在 Simpleware FE 中采用结构化的 3D 四面体单元生成颅骨的有限元（FE）模型，对不同的解剖区域赋予合适的材料属性建模。在对颅骨模型进行截骨之前，通过使用热膨胀系数在 MSC Marc 中近似模拟术前成像和手术之间的颅骨生长。将颅内体积（ICV）作为表示不同阶段颅骨大小的参数，包括在 Simpleware ScanIP 中通过选择颅顶内表面进行术前CT重建。 通过在 Simpleware ScanIP […]

膝关节运动的计算模拟可以通过患者模型基于全膝关节置换术（TKA）后关节动力学研究 TKA 的结果。澳大利亚的 360 MedCare 公司使用 Simpleware 软件创建模型，并于近日开发了一种采用 3D 图像处理/分析结合预测算法综合考虑患者报告结局与深屈膝计算模拟输出，从而评估手术结果的方法。360 MedCare 的工程师与多家医院、骨科研究机构和企业合作获得了关于TKA手术规划的新见解，并在《The Knee》杂志发表了他们的研究成果。 图：从 3D 图像分割到患者个性化模拟的生成（第一组） 开发术前工具 尽管 TKA 是一种普遍成功率较高的手术，但部分患者术后会出现问题，其中植入位置不佳是主要原因之一。提升针对特定患者膝关节动力学以及它们如何与植入物相互作用的理解对于通过创建数据改进手术规划至关重要。对给定植入物选型与组件对齐结果进行运动学模拟，这样的虚拟术前试验可以查看和比较不同对齐方案的模拟结果。将其与患者报告结局（PROs）联系在一起时，预测算法可能有助于选择未来患者的手术规划。 完整工作流程的简要总结如下： 采用计算机断层扫描（CT）收集不同TKA患者的图像数据，第一组含有术前和术后扫描及结局调查，第二组为随机选择含有术前扫描的膝关节样本（术后扫描不是必要的）；在 Simpleware 软件中采用半自动化流程重建患者股骨和胫骨的三维模型，标注解剖标志展示该患者软组织附着物和骨轴；第一组：TKA 后在 Simpleware 软件中将术前骨骼和3D植入物结构文件与分割的术后CT扫描进行配准；利用创建的三维模型运行深屈膝的多体动力学仿真，然后将结果用于机器学习算法的运行，预测术后12个月膝关节损伤与骨关节炎评分（KOSS）中患者可接受症状状态（PASS）评分；第二组：结合术前患者数据和预测模型评估其临床规划的性能；生成的预测算法（动态膝关节评分）包含不同的特征，预测 PASS KOOS 评分达到的曲线下面积（AOC）为0.64。 图：周期伸展（活动）的部分期间患者早期屈曲的模拟 未来影响 研究发现，该方法有可能成为 TKA 手术决策过程中的强大辅助工具，但需要在除现有技术之外以及项目未涵盖非手术因素的背景下使用。该方法的应用可能还包括协助在其他可选的合理手术对齐计划间确定最佳结果。考虑到在髋关节和其他部位的手术规划中越来越多地使用到基于图像的工作流程，以及开发基于机器学习的方法加速常见任务，360 MedCare 的工作展示出未来应用的广阔前景，继续期待他们更好的发展。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/news-and-events/tka-360medcare.htmlTwiggs J, Miles B, Roe J, et al. Can TKA outcomes be predicted with computational simulation? Generation […]

概述 基于成像数据的人体虚拟测试对于缓解生理实验的伦理和实际问题具有非常重要的意义。在本案例中，日本 JSOL公司和长野儿童医院将丰田公司虚拟人体模型（THUMS）的安全测试应用拓展到解决漏斗胸建模的医学挑战，漏斗胸是胸廓畸形的一种。 本项目使用 Simpleware 软件使用适合用于变换到 THUMS 的精细 FE 模型的 CT 数据，创建真实患者的胸部结构，为模拟术后肋软骨的生长提供了基础。 亮点 丰田公司的高精细 THUMS FE 人体建模软件适用于医学图像数据和病理学研究使用 Simpleware 软件由 CT 数据生成模型基于图像模型和 THUMS 的图形变化提供了详尽的仿真资源THUMS 创建的模型向未来的临床模拟提供更多选择 THUMS 的开发 THUMS 于 2000 年首次发布，是丰田汽车公司和丰田中央研发实验室合作研究项目的成果，也是世界上第一个用于重现和分析车辆碰撞过程中全身损伤的虚拟人体模型。由此产生的 THUMS 虚拟人体软件程序可适应不同的身体形态和环境，包含骨骼、大脑、内脏和肌肉。 图：THUMS中乘客模型的开发。 此外，THUMS 能够准确再现人体的形态和力量，同时也为重复不同碰撞模式的分析提供机会。因此在汽车行业，THUMS 能够在进行碰撞试验时显著减少开发时间和降低伦理风险。丰田公司从 2021 年 1 月开始无偿公开 THUMS 软件，旨在扩大其在汽车安全研究中的应用。SOL 公司和长野儿童医院为我们演示了如何将该模型应用到医学研究。 在漏斗胸研究中的应用 漏斗胸是胸前部的结构畸形，胸骨和胸腔形状异常，患者在出生或青春期胸部会出现塌陷或凹陷。手术干预中最常用的是 Nuss 微创手术，在凹陷的胸骨下植入弯曲的金属板，将胸骨支撑到正常位置，留置体内几年后取出。 在本研究中，JSOL 和长野儿童医院通过对一个 10 岁儿童的 THUMS 模型进行胸部变形处理，创建了重现患者骨骼形态和病理状态下的漏斗胸模型。然后他们利用热膨胀现象模仿术后肋软骨生长这种生理变化，从而模拟术后进展。 究人员参照患者的实际骨骼形态观察胸廓变形 漏斗胸模型的创建工作流程 […]

概述 植入物定位是全髋关节置换术的一个重大挑战。植入物必须要很好的适合并放置在髓管内，尽量使股骨—植入物的接触面积最大化。然而植入物位置的实验测试会超出成本的限制。另一种选择是使用计算模型在产品研发初期就综合分析植入物的位置。尽管这种方法并不是为了取代实验，但它可以帮助外科医生更好地理解植入位置对原发或继发稳定性的影响。结合 Simpleware 软件与 ANSYS 创建自动化的工作流程，整合 CAD 设计的植入物和股骨 CT 扫描，生成用于微动分析的有限元模型。模拟结果生成的响应面证实了位置变化对微动的影响。 亮点 在Simpleware软件中整合CAD植入物和股骨CT扫描在Simpleware软件中生成FE网格通过脚本自动生成多组植入物位置/方向在ANSYS Workbench中进行植入物微动的模拟对结果进行后处理并生成响应面预测植入物位置的最佳和最差情况 图像处理和CAD整合 使用Simpleware ScanIP和Simpleware CAD将由CT扫描进一步处理获得的分割后的股骨模型与CAD设计的植入物结合。然后利用Simpleware FE生成有限元网格，导出至ANSYS Workbench中进行微动模拟。通过Simpleware API运用Python脚本自动生成多个植入位置，而无需耗费大量时间手动调整。 图：使用Simpleware CAD将分割后的股骨与CAD设计的植入物结合 FE网格生成 在本例中，为每个植入位置生成有的限元网格包含股骨的约10000个节点和38000个单元，钛金属植入物模型约2000个节点和6000个单元。采用Simpleware软件的自动转换算法基于原始扫描的CT值（Hounsfield单位，HU）为股骨分配标准材料属性。为模拟约束和加载条件给植入物和股骨添加节点集，在植入物—骨界面处的网格细化也增加了模拟的真实性。 图：使用Simpleware FE对股骨和植入物进行网格划分 应力分析&响应面模型 将初始的有限元模型导出至ANSYS Workbench，在上千个可能的候选的基础上产生成功的微动模拟。利用Kriging回归法对425个成功模拟点进行插值，生成响应面模型（RSM）。 ANSYS Workbench模拟可以利用RSM确定导致微动最高和最低可能值对应的植入位置。外科医生可以根据这些结果解释和预测植入物的最佳和最差位置。 图：在ANSYS Workbench中获得的最佳位置（左）和最差位置（右） 结果：最佳/最差的植入位置 利用Simpleware软件和ANSYS结合图像数据与有限元分析，成功地开发了一种用于分析植入物与股骨间相互作用的自动化工具。采用的响应面方法使人们深入了解微动对定位的敏感性。 随着该工具可行性的建立，进一步的工作可以集中在研究多个植入物设计在患者群体的分析。因此除了植入物研发之外，该工具在手术规划方面也有非常重要的应用。 参考 致谢和更多信息请参考英文原文：https://www.synopsys.com/simpleware/resources/case-studies/total-hip-replacement.html。