醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用┃未來醫(yī)療：逆向工程打造心臟

來源： 3DSystems

每年等待心臟移植的人數(shù)高達(dá)三萬多人,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了心臟捐贈(zèng)者的人數(shù)。鑒于相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)字所傳達(dá)的信息,，不少醫(yī)療機(jī)構(gòu)開始關(guān)注該領(lǐng)域,。比如美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心，該中心準(zhǔn)備打造一種全人工心臟(TAH),，為那些無法獲得心臟捐贈(zèng)的病人帶來生的希望,。

在過去的數(shù)十年里,，由美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心的William A. Smith博士帶領(lǐng)的研究人員借助于聚合物與金屬等材料學(xué)上的先進(jìn)技術(shù)，和來自Geomagic的全新3D逆向工程軟件,，以及傳統(tǒng)的CAD/CAM軟件,，致力于在醫(yī)療界獲取新的突破。

美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心是世界最著名醫(yī)療機(jī)構(gòu)之一,。自1921年成立以來,，美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心一直為心力衰竭患者方面的研究和開發(fā)做著積極的貢獻(xiàn)。自1984年以來,，克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)生就一直在進(jìn)行心臟移植手術(shù),，并且從1991年開始進(jìn)行左心室輔助裝置（LVADs）的植入操作。在2017-2018年度全美最佳醫(yī)院排名中,，克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心綜合排名位列全美第二,，僅次于梅奧醫(yī)學(xué)中心。其中心臟外科和泌尿外科為全美排名第一,。

美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心

然而該組織最為雄心勃勃的項(xiàng)目則是與Foster-Miller公司共同研發(fā)的MagScrew全人工心臟項(xiàng)目,，并將最終實(shí)現(xiàn)永久性的植入。

左心室輔助裝置示意圖

“LVAD（左心室輔助裝置）的目的是協(xié)助患者本人心臟的左心室,，而我們的TAH(全人工心臟)則不同,，它是用來替代患者患病的原生心室與瓣膜的裝置�,！� 生物醫(yī)學(xué)工程系高級(jí)研究工程師Stephan Weber說,。“對(duì)于處在晚期沒有合適的心臟捐贈(zèng)者出現(xiàn)就無法存活的心臟衰竭患者或是不符合心臟移植條件的患者而言,，該系統(tǒng)的應(yīng)用將會(huì)一直存在,。”

人類心臟和全人工心臟對(duì)比圖

植入設(shè)備后,，人工心臟的入口將會(huì)與原生心房相連接,；出口則與主動(dòng)脈（左）以及肺動(dòng)脈（右）相連接。最終,，基金會(huì)的TAH(全人工心臟)將會(huì)實(shí)現(xiàn)完全的植入,，而不再需要穿透皮膚供電的電線。一同植入心臟的還有控制器,、內(nèi)部電池,、順應(yīng)腔以及一個(gè)能量傳輸系統(tǒng)。


順血流而行
TAH(全人工心臟)最重要的一個(gè)問題就是血液如何在設(shè)備內(nèi)流動(dòng),�,！敖�(jīng)證明，某些血流形式可能會(huì)導(dǎo)致血液方面的損害�,！盬eber說,“我們已經(jīng)加入了新的功能用來改善血液流經(jīng)設(shè)備的形式,。”

四個(gè)心臟瓣膜被移除

心房,、主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈原封不動(dòng)

快速連接縫合到心房,、主動(dòng)脈和肺動(dòng)脈

全人工造心臟植入并通過四個(gè)接口快速連接動(dòng)脈

美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心的研究人員認(rèn)為，確保正確血流形式的最佳方法就是對(duì)TAH(全人工心臟)中的血泵外殼復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行逆向工程,�,！拔覀冃枰�讓產(chǎn)品盡可能的精確，以保證血泵室內(nèi)血液流通的適當(dāng)性,�,！盬eber說。

Weber于是轉(zhuǎn)而向高級(jí)設(shè)計(jì)概念公司(ADC)尋求幫助,，這是一家位于美國威斯康星州皮沃基市的3D建模與CAD服務(wù)中心,，該公司提供血泵室的表面模型和3D實(shí)體模型展示。

  人體工程學(xué)精度
研究人員給ADC公司發(fā)送了一個(gè)血泵室其中某個(gè)內(nèi)部空間的塑料模型,，用于制作計(jì)算機(jī)模型,。該模型的形狀異常，因此很難進(jìn)行掃描,，從而更難以為設(shè)備生成精確的3D模型,。

全人工心臟結(jié)構(gòu)示意圖

“它的外殼不是十分典型的機(jī)械形狀�,！� ADC公司總裁MarkSchaefer說道,。“因此其內(nèi)部的血流更多呈現(xiàn)出的是人體工程學(xué)的特點(diǎn),，而不是機(jī)械式的特點(diǎn),。外殼設(shè)計(jì)中有很關(guān)鍵的一點(diǎn)，那就是從入口到主室以及從主室到出口之間的平滑過渡,。這樣就為血液提供一種十分通暢的流動(dòng)模式,。如果能夠盡可能精確地建模的話，就可以避免血流和凝血塊導(dǎo)致的盲區(qū),�,！�

開始的時(shí)候,，ADC公司將外殼涂成白色,，并利用GOM ATOS白光掃描儀進(jìn)行掃描。隨后,，工程師們開始使用Geomagic Wrap掃描數(shù)據(jù)處理軟件,，將獲得掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D實(shí)體模型。

Geomagic Wrap掃描數(shù)據(jù)處理軟件在同一個(gè)流程中將精確的尺寸幾何信息與光度顏色信息相結(jié)合。如此,，就能得到真實(shí)準(zhǔn)確的3D模型,，從而可以導(dǎo)入用于驅(qū)動(dòng)制造設(shè)備的CAD軟件。

確保質(zhì)量,，節(jié)省時(shí)間
對(duì)于其應(yīng)用,，ADC公司將Geomagic Wrap模型導(dǎo)入Pro/E，該軟件即克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心所使用的MCAD軟件,。待Pro/E模型完成后,，將其以IGES文件的形式導(dǎo)入Geomagic Control三維檢測軟件當(dāng)中，該軟件可以對(duì)CAD主模型和所構(gòu)建成的部件或?qū)ο筮M(jìn)行圖像上的比較,。

輕點(diǎn)鼠標(biāo),，Geomagic Control 三維檢測軟件便會(huì)自動(dòng)將CAD模型與塑料的TAH(全人工心臟)模型的掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。等ADC公司對(duì)公差做出規(guī)定后,，Geomagic Control 軟件便會(huì)顯示出一個(gè)詳細(xì)的顏色圖,，圖中會(huì)顯示出不同的偏差水平。此外,，該軟件還能進(jìn)行綠色與紅色的顯示,，作為“通過/不通過”的評(píng)估。相關(guān)結(jié)果會(huì)在網(wǎng)絡(luò)的HTML報(bào)告中自動(dòng)記錄,，并附帶有注釋,。

“在Geomagic Control 三維檢測軟件中，我們可以在Pro/E模型與初始塑料模型相比所存在的錯(cuò)誤,�,！� Schaefer說�,！拔覀兗m正了這些錯(cuò)誤,，還可以讓模型的誤差范圍控制在0.010英寸內(nèi)，這也是克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)的要求,。整個(gè)過程耗時(shí)不到一天,，與此相對(duì)應(yīng)的是，使用Pro/E軟件則可能耗費(fèi)數(shù)周,�,！�

又清除了一大障礙
美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊(duì)最終獲得的是一個(gè)幾乎與初始設(shè)備完全一致的3D模型�,！暗靡嬗贕eomagic軟件的高精度,，我們跨越了存在于現(xiàn)有設(shè)備和可以實(shí)現(xiàn)精確制造的TAH（全人工心臟）之間的最大障礙之一�,！盬eber說,�,！癆DC公司所使用的工作流程既節(jié)省了時(shí)間，有節(jié)省了成本,。我們?cè)鴩L試使用CMM設(shè)備來測量內(nèi)室的幾何結(jié)構(gòu),，但是耗費(fèi)了太長的時(shí)間，而得到的模型的精度卻非常低,�,！�

在Geomagic Control三維檢測軟件的幫助下，可以確保3D模型的精確度,，而且該過程十分快速和簡單,。“我們可以在Pro/E和Geomagic Control軟件之間切換,，而且在處理時(shí)間上也無需顧慮,，因此可以節(jié)省數(shù)天的時(shí)間下來�,！� Schaefer說,。

Weber認(rèn)為ADC公司所采用的3D逆向工程方法可以讓克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心朝著實(shí)現(xiàn)全人工心臟的夢(mèng)想更進(jìn)一步。對(duì)于心臟病人而言,，這將是真正將他們從死亡線上拉回來的救命稻草,。