Simpleware 針對特定患者自動分割 DICOM 影像並轉換為高品質模型
概述
新的醫療設備技術使得開發高品質、完全客製化的 3D 列印設備成為可能，幫助提高手術效率並改善患者的治療效果。然而，隨著對這些高度客製化設備的需求成長，擴展工作流程以適應更高吞吐量的流程受到需要大量勞動力和時間投資的手動任務的限制。 需要克服的一些關鍵瓶頸包括分割患者影像資料和執行患者特定的積層製造設計 (DfAM) 工作流程以創建 3D 列印設備。
Synopsys Simpleware 團隊與 nTopology 合作，為客製化手術導板開發無縫的患者特定設計工作流程，利用人工智慧影像處理和設計自動化來應對常見挑戰。
亮點
- Simpleware-nTopology 工作流程可有效地將 3D 解剖 DICOM 資料轉換為高品質模型
- nTopology 工具可根據掃描資料和參考地標提供功能齊全且適形的患者特定解決方案
- 使用自動化擴大手術導板流程，以節省時間並提高產量
膝蓋 CT 影像分割
在處理此類項目的膝蓋 CT 影像時，Simpleware 軟體中有多種不同的分割選項。手動影像分割涉及對影像資料執行不同的操作，包括裁剪、閾值處理以及應用遮罩泛洪以去除不需要的部分並獲得所需的解剖結構，在本例中為脛骨，「分割區域」工具還使用不同區域上的演算法標記來分割影像遮罩並隔離脛骨。此外，「關閉」和「空腔填充」等工具可以在平滑和創建高品質三角表面以導出到 nTopology 之前進一步固化遮罩。
圖：使用 Simpleware 軟體中的分割區域工具進行膝蓋分割。
然而，這些手動步驟也可以使用一系列基本和更高級的腳本選項來實現自動化，第一種方法能在手動分割期間記錄巨集以顯示和運行所有功能/操作 ，並用 Python 和 C# 編輯腳本，包括刪除腳本中那些不需要或不可用的工作流程步驟，例如分割區域/繪畫在標記上。透過重播腳本，可以產生相同的輸出，更進一步可以使用腳本建立要新增至 Simpleware 功能區的插件，可以將其設定為允許巨集在不同階段運行，具體取決於仍需要完成的手動操作（例如分割區域）。
AI/ML 技術快速處理大量模型
為了擴展自動化，基於 AI 的機器學習模組 Simpleware AS Ortho/CMF 可用於在大約兩分鐘內執行分割，然後編寫腳本以執行其他步驟，在該模組還可以選擇為分割后的脛骨自動添加標誌點作為測量點，用於設計手術導板。
在這個項目中，需要處理大約 50 個患者的脛骨模型，Simpleware AI 解決方案意味著可以快速完成大型工作流程，而不必重複進行手動分割，如果需要將所有脛骨放在大致相同的位置，則可以使用標誌作為配準工具的參考點，再將所有脛骨表面組合起來。
圖：使用 Simpleware AS Ortho/CMF 進行自動脛骨分割。
脛骨手術導版設計與 3D 建模
然後將 Simpleware 軟體匯出的數據作為 nTopology 軟體的輸入，用於創建可重複的設計過程。nTopology 可讓團隊根據患者特定模型自動產生匹配導板表面的共形幾何，並根據 Simpleware 軟體提供的標誌對切割孔和狹縫的位置進行參數化。
此外，設計工作流程還包括可製造性考量、添加結構支撐柱與平齊底座結構、通風功能，設計過程可輸出供積層製造使用的網格檔。
為脛骨手術導板設計此功能齊全的端到端工作流程，讓臨床醫生或技術人員可以輕鬆依照需求進行更改，例如調整導板的設計、使用一組特定的標誌為不同患者的掃描數據定制切割角度，由於在設計過程的編碼中已經綜合專業知識考慮了可製造性，因此即使沒有工程或設計經驗的使用者也可以輕鬆使用工作流程進行模型生成。
圖：nTopology 軟體中的最終手術導板。
Python 自動化腳本簡化設計工作流程
使用這種方法，有一條明確的路徑來改進和自動化設計患者的客製化器械。為單一切割導板建立並驗證設計流程後，您就可以使用簡單的腳本和 nTopCL – nTopology 的命令列介面自動批量處理患者所有的掃描數據。
在這個概念驗證中，團隊創建了一個 Python 腳本來處理 50 個脛骨，並自動生成每個脛骨數據的客製導板。花幾分鐘編寫幾行程式碼就能節省數小時的手動設計工作，當面對更複雜的項目，可以應用相同的方法將複雜的邏輯建構到工作流程中，組合來自多個來源的數據（例如模擬結果）。
圖：相同的設計過程可以重複用於不同的患者特定數據。
結論
Simpleware 軟體和 nTopology 開發的聯合工作流程，可以減少處理大量患者特定解剖結構的專案時間和手動工作量。除了這個特定項目專注研究的脛骨切割導板之外，Simpleware 解剖學特定的自動分割器模組、完全客製化的工作流程，可以自由選擇應用於不同的解剖結構。這種方法不僅可以利用患者特定數據來提升手術導板設計，自動化流程也降低了操作軟體對技術專業能力的需求。
參考資料
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