개인 정형 외과 계획을위한 가상 모델 개발

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Orthopedic Surgery의 디지털 트윈 역할

이 모델은 "디지털 트윈"의 개념 - 물리적 객체의 가상 복제 - 항공 우주, 제조 및 현재 약에서 채택되었습니다. 직립학에서는 디지털 트윈은 환자 별 3D 모델의 뼈, 관절 및 연조직의 의료 이미징에서 구성되었습니다. 일반적인 원자적 인 아틀라스와 달리 이러한 모델은 뼈 밀도, 골절 패턴, 관절 변형 및 이전 서지에서 임플란트 또는 하드웨어의 존재를 포함하여 개별 변형을 캡처합니다.

외과의사는 복잡한 절차, 다른 임플란트 크기 및 위치를 시험하고 잠재적인 합병증을 시각화하기 위하여 이 디지털 방식으로 쌍둥이를 이용합니다. 예를 들면, 총 엉덩이 arthroplasty에서, 가상 모형은 분리 위험과 다리 길이 공시를 극소화하기 위하여 최선 아세타륨 컵 오리엔테이션을 결정하는 것을 돕습니다. 척추 수술에서는, 모형은 신경 혈관 상해를 피하기 위하여 나사 trajectories를 가장합니다. 결과는 “one-size-fits-all”에서 진정한 개인화한 계기에 교대합니다.

연구는 가상 계획이 수술적 인 혈액 손실을 감소시키고, fluoroscopy 시간을 감소시키고, 병원은 체재합니다. 2023 ]에서 뇌졸중 Orthopaedic Research ]]]의 약 20% 더 빠른 회복 및 몇몇 개정이 기존 기술에 비해 있더라도 실제로 계획된 총 무릎 관절 경과를 겪는 환자가 보고했습니다.

3D 재구성에 영상에서: 단계별 과정

이미지 취득

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최적의 결과를 위해 스캔 매개 변수는 신체 부위에 맞게해야합니다. 예를 들어, iliac의 가장 중간 - 펨에 확장, 손목 검사는 볼 및 낮은 방사선 용량의 전용 필드를 필요로하는 동안. DICOM 파일 (디지털 이미징 및 통신 의학)은 처리에 수출됩니다.

세그먼트 및 모델 생성

Segmentation는 주변 조직에서 관심의 해부학을 격리하는 과정입니다. 특수 소프트웨어는 임계 (호닉스 필드 단위 범위 내의 선택 픽셀), 지역 성장하고, 수동 편집은 바이너리 마스크를 만들 수 있습니다. acbuletabulum 또는 maxillofacial 뼈와 같은 복잡한 영역, 반자동 도구 및 기계 학습 알고리즘은 정확성 유지하면서 워크플로우 속도를 높입니다.

이 소프트웨어는 STL 또는 OBJ 형식으로 일반적으로 방수 3D 표면 모델로 데이터를 메쉬합니다. 이 디지털 모델은 회전, 측정 및 주석으로 처리 할 수 있습니다. 고급 패키지는 또한 고유 한 요소 분석 (FEA)을 허용하여 부하에서 응력 분포를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 임플란트 실패 또는 골절 위험을 예측하는 데 중요합니다.

검증 및 정확도 검사

임상 사용 전에, 가상 모델은 cadaveric 비교 또는 수술 측정을 통해 종종 지상 진실에 대해 검증되어야한다. 연구는 현대 분대 파이프라인이 가장 정형 외과 응용 프로그램에 임상적으로 허용되는 1 mm 미만의 평균 표면 편차를 달성한다는 것을 입증했다. 품질 관리 단계는 구멍, 비 다기관 가장자리 및 기하학적 검사를 포함, 수술 계획 할 수 있는 기하학적 검사.

Key Software 플랫폼 및 기술

여러 상업 및 오픈 소스 플랫폼은 필드를 지배합니다. Mimics (Materialise)는 직관적 인 세그먼트 도구, 3D 인쇄와 통합 및 고급 형태 분석에 널리 사용됩니다. ]Simpleware ] ] ] ]] ]] ]] ]]] ]] ]] ] ] ]]]] [F

클라우드 기반 솔루션은 원격 협업 및 실시간 공유를 가능하게 합니다. 예를 들어, Nokia의 Digital Avatars은 수술 전 회의에서 AR 헤드셋을 통해 모델과 상호 작용할 수 있습니다. 이 데모는 전용 컴퓨팅 리소스 없이 가상 계획에 대한 액세스를 제공합니다.

임상 응용 분야 : 관절 교체, 트라우마 및 변형 교정

총 합동 Arthroplasty

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Trauma와 Fracture 수정

복잡한 골절 - 아세타브, 뇌졸중, 또는 인트라-articular distal 반경과 같은 - 가상 감소에서 엄청난 혜택을. 모델은 실제로 조각을 감소, 계획 나사 trajectories, 단일 플레이트 versus 여러 임플란트를 사용하여 성숙을 평가 할 수 있습니다. 2022 ]에서 운동을 할 수 있습니다 정형 Trauma:2]에서 수술을 감소, 1.5 %의 fluoroph의 감소, 1.5 %의 증가, 1.5 %의 증가, 1.5 %의 증가, 1.5 %의 증가, 1.5 %의 증가.

부정 행위 Osteotomies와 Limb Deformities

Oncologic Resection 및 재건축

musculoskeletal 종양학에서는, 가상 모델은 가능한 한 많은 건강한 조직으로 보존하면서 안전한 마진을 가진 넓은 구역을 계획하는 데 도움이됩니다. 그들은 사용자 정의 megaprostheses 또는 allograft 간격 장치를 설계하는 데 사용됩니다. Clinical Orthopaedics 및 관련 연구 에서 18%에서 6%의 의 긍정 마진율을 갖는 것을 발견했습니다.

경제 및 워크 플로우 고려

임상적 혜택을 명확히 하지 않고, 가상 모델링 얼굴 장벽의 채택. 고급 소프트웨어의 고급 비용, 전용 워크 스테이션, 교육은 더 작은 관행에 대 한 금지 될 수 있습니다. Reimbursement 모델은 국가에 따라 다릅니다; 미국에서, 3D 계획을위한 CPT 코드 제한, 그것은 다시 비용으로 어려운. 또한, 세그먼트에 필요한 시간 (1-3 시간 당) 이미 바쁜 수술 일정을 긴장.

Workflow 통합은 외과 의사, 방사선 연구원 및 생명 의학 엔지니어와 긴밀한 협력을 요구합니다. 일부 기관은 모델 생성을 중앙 집중시키는 "3D 실험실"을 설치했으며, 다른 회사들은 Surgical Planning Associates를 사용하여 세그먼트를 자동화하는 클라우드 기반 플랫폼은 30 분 미만의 턴어라운드 시간을 줄이기 위해 시작되며 비용이 많이 드는 균형이 유리하게 보장 될 수 있습니다.

미래 지향: AI, VR/AR 및 환자 특정 기기

인공지능 및 자동화

Deep Learning model – 특히 U-Net 기반 아키텍처 — 이제는 0.95를 초과하는 Dice 점수와 뼈 세그먼트를 수행 할 수 있습니다. 이 알고리즘은 PACS 시스템에 직접 통합되어 있으므로 가상 모델은 스캔 완료의 분 내에 사용할 수 있습니다. AI는 또한 주어진 뼈 형태학에 최적의 크기와 위치를 추천하기 위해 수천 가지의 사전 사례를 분석하여 임플란트 선택에 도움을줍니다.

가상 및 증강 현실

VR 헤드셋 (예 : Meta Quest, HTC Vive)은 "enter" 모델로 외과 의사를 허용하고 핸드 제스처로 조작하고 전체 스케일 3D 환경에서 수술 접근 방식을 시뮬레이션합니다. AR 오버레이는 수술 중에 가상 계획을 계획하고 "see-through" 탐색을 가능하게합니다. 초기 채택자는 척추 융해에 AR 보조 페달 나사 배치가 무료 기술로 88%에 비해 98 % 정확도 비율을 가지고 있다고보고했습니다.

환자-Specific Implants 및 계기

가상 모델링의 궁극적 인 확장은 첨가제 제조 (3D 인쇄)를 사용하여 사용자 정의 임플란트의 생산입니다. LimaCorporate 및 Zimmer Biomet]]와 같은 회사들은 가상 모델에서 파생 된 표준 및 사용자 정의 솔루션을 제공합니다. 이 임플란트는 osseogration을 촉진하고 감염을위한 약물-inteluting 코팅을 통합 할 수 있습니다.

생물역학 시뮬레이션 및 Outcome 예측

Finite Element Analysis (FEA) 및 Computational 유체 동적 (CFD)는 계획 워크플로우에 통합되어 있습니다. Surgeons는 관절의 범위를 시뮬레이션 할 수 있으며, 스트레스 보호 또는 시간 동안 견적 마모율을 예측합니다. Orthopedic Research Reviews[에서 30 %의 주입을 감소시키기 위해 FEA 가이드 계획을 설명했습니다.