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)超過了心臟捐贈者的人數(shù)。鑒于相關(guān)統(tǒng)計數(shù)字所傳達(dá)的信息，不少醫(yī)療機構(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目則是與Foster-Miller公司共同研發(fā)的MagScrew全人工心臟項目，并將最終實現(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)工程系高級研究工程師Stephan Weber說�！皩τ谔幵谕砥跊]有合適的心臟捐贈者出現(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)用將會一直存在。”

人類心臟和全人工心臟對比圖

植入設(shè)備后，人工心臟的入口將會與原生心房相連接；出口則與主動脈（左）以及肺動脈（右）相連接。最終，基金會的TAH(全人工心臟)將會實現(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)腔以及一個能量傳輸系統(tǒng)。


順血流而行
TAH(全人工心臟)最重要的一個問題就是血液如何在設(shè)備內(nèi)流動�！敖�(jīng)證明，某些血流形式可能會導(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�！�

四個心臟瓣膜被移除

心房、主動脈和肺動脈原封不動

快速連接縫合到心房、主動脈和肺動脈

全人工造心臟植入并通過四個接口快速連接動脈

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。”Weber說。

Weber于是轉(zhuǎn)而向高級設(shè)計概念公司(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)送了一個血泵室其中某個內(nèi)部空間的塑料模型，用于制作計算機模型。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械形狀。” ADC公司總裁MarkSchaefer說道�！耙虼似鋬�(nèi)部的血流更多呈現(xiàn)出的是人體工程學(xué)的特點，而不是機械式的特點。外殼設(shè)計中有很關(guān)鍵的一點，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實體模型。

Geomagic Wrap掃描數(shù)據(jù)處理軟件在同一個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，就能得到真實準(zhǔn)確的3D模型，從而可以導(dǎo)入用于驅(qū)動制造設(shè)備的CAD軟件。

確保質(zhì)量，節(jié)省時間
對于其應(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。

輕點鼠標(biāo)，Geomagic Control 三維檢測軟件便會自動將CAD模型與塑料的TAH(全人工心臟)模型的掃描點云數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)。等ADC公司對公差做出規(guī)定后，Geomagic Control 軟件便會顯示出一個詳細(xì)的顏色圖，圖中會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”的評估。相關(guān)結(jié)果會在網(wǎng)絡(luò)的HTML報告中自動記錄，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誤。” Schaefer說�！拔覀兗m正了這些錯誤，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)隊的要求。整個過程耗時不到一天，與此相對應(yīng)的是，使用Pro/E軟件則可能耗費數(shù)周�！�

又清除了一大障礙
美國克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心團(tuán)隊最終獲得的是一個幾乎與初始設(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)省了時間，有節(jié)省了成本。我們曾嘗試使用CMM設(shè)備來測量內(nèi)室的幾何結(jié)構(gòu)，但是耗費了太長的時間，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，而且在處理時間上也無需顧慮，因此可以節(jié)省數(shù)天的時間下來�！� 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)中心朝著實現(xiàn)全人工心臟的夢想更進(jìn)一步。對于心臟病人而言，這將是真正將他們從死亡線上拉回來的救命稻草。