Atlas Meditech 使用 AI 和數(shù)字孿生開創(chuàng)腦外科手術(shù)的未來

正如運(yùn)動(dòng)員為比賽而訓(xùn)練、演員為演出而排練一樣，外科醫(yī)生也需要在手術(shù)前做好準(zhǔn)備。

Atlas Meditech 正在通過 AI 和物理準(zhǔn)確的模擬，為腦外科醫(yī)生帶來更具真實(shí)感的術(shù)前準(zhǔn)備體驗(yàn)。

腦外科智能平臺(tái) Atlas Meditech 正在以提升手術(shù)效果和病人安全為己任，采用 MONAI 醫(yī)學(xué)影像框架和NVIDIA Omniverse 3D 開發(fā)平臺(tái)等工具構(gòu)建 AI 決策支持和高保真手術(shù)預(yù)演平臺(tái)。

Atlas Meditech 和非營(yíng)利機(jī)構(gòu) Neurosurgical Atlas 的創(chuàng)始人 Aaron Cohen-Gadol 博士表示：“Atlas 為腦外科醫(yī)生提供了一套多媒體工具，使他們能夠在手術(shù)前一晚進(jìn)行手術(shù)的心理預(yù)演。我們希望通過加速計(jì)算和數(shù)字孿生，將心理預(yù)演轉(zhuǎn)變成高度逼真的模擬預(yù)演?！?/p>

Neurosurgical Atlas 為 100 多萬在線用戶提供病例研究、手術(shù)視頻和 3D 大腦模型。Cohen-Gadol 博士還是印第安納大學(xué)醫(yī)學(xué)院的神經(jīng)外科教授，據(jù)他估計(jì)，美國(guó) 90% 以上的腦外科培訓(xùn)項(xiàng)目以及其他國(guó)家成千上萬的神經(jīng)外科醫(yī)生，都將 Atlas 作為他們住院醫(yī)師時(shí)期和手術(shù)生涯早期的重要資源。

Atlas Meditech 的 Pathfinder 軟件正在整合 AI 算法，以提出安全的手術(shù)路徑建議，幫助專家順利抵達(dá)腦部病灶。

該團(tuán)隊(duì)使用了可連接和構(gòu)建自定義 3D 流程和元宇宙應(yīng)用的平臺(tái)——NVIDIA Omniverse，希望為病人的大腦創(chuàng)建定制的虛擬模型，以用于手術(shù)預(yù)演。

自定義 3D 大腦模型

無論是在屏幕上還是在沉浸式 VR 中，Atlas Meditech 先進(jìn)模擬技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是能夠自定義模擬，這樣外科醫(yī)生就可以在大小、形狀和病變部位與病人腦部相匹配的虛擬大腦上進(jìn)行練習(xí)。

Cohen-Gadol 博士表示：“每個(gè)病人的解剖結(jié)構(gòu)都略有不同。現(xiàn)在我們可以利用物理學(xué)和先進(jìn)的圖形技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)特定病人的大腦模型，并利用它來觀察腫瘤并模擬腫瘤手術(shù)。精準(zhǔn)的物理特性有利于重現(xiàn)我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)世界中的手術(shù)體驗(yàn)?！?/p>

為了創(chuàng)建病人大腦的數(shù)字孿生，Atlas Pathfinder 工具采用了 MONAI Label。MONAI Label 可以通過自動(dòng)注釋 MRI 和 CT 掃描圖像來區(qū)分正常結(jié)構(gòu)和腫瘤，為放射科醫(yī)生提供支持。

Cohen-Gadol 博士表示：“MONAI Label 可以幫助我們對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行識(shí)別與保護(hù)，這是所有醫(yī)療項(xiàng)目都必不可少的。Atlas 正在將 MONAI Label 訓(xùn)練成外科醫(yī)生的‘眼睛’，在病人的掃描圖像中區(qū)分顯示正常血管與腫瘤?！?/p>

借助病人大腦的分割視圖，Atlas Pathfinder 可以根據(jù)具體解剖結(jié)構(gòu)調(diào)整其 3D 大腦模型，以體現(xiàn)腫瘤如何導(dǎo)致腦組織的正常結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。

Atlas Pathfinder 能夠基于可視化圖像（放射科醫(yī)生和外科醫(yī)生可以修改該圖像以提高精度），來建議最安全的手術(shù)方法，以便在不傷害大腦其他部位的情況下進(jìn)入并切除腫瘤。每種方法的鏈接都會(huì)被發(fā)布到 Atlas 的網(wǎng)站上，包括該手術(shù)方案的書面教程。

Cohen-Gadol 博士表示：“在高度復(fù)雜的 3D 結(jié)構(gòu)中，每一毫米都至關(guān)重要。AI 加持下的決策支持能在制定手術(shù)路徑方面發(fā)揮巨大的作用。”

為外科醫(yī)生提供逼真的預(yù)演環(huán)境

Atlas Meditech 正在使用 NVIDIA Omniverse 開發(fā)虛擬手術(shù)室，使外科醫(yī)生能夠在逼真的沉浸式環(huán)境中預(yù)演即將進(jìn)行的手術(shù)。在模擬中，外科醫(yī)生可以調(diào)整病人和設(shè)備的位置。

外科醫(yī)生戴上 VR 頭顯就能在虛擬環(huán)境中逐步完成手術(shù)并獲得反饋，了解自己到達(dá)腫瘤的路徑與目標(biāo)路徑的貼合度。外科醫(yī)生可以使用 AI 算法預(yù)測(cè)其在術(shù)中使用醫(yī)療器械時(shí)腦組織會(huì)如何移動(dòng)，并將預(yù)估的移動(dòng)情況應(yīng)用到模擬大腦中。

Cohen-Gadol 博士表示：“讓外科醫(yī)生進(jìn)入虛擬 3D 空間，在與病人物理特性高度相似的模擬大腦上預(yù)演手術(shù)，會(huì)具有非常重大的意義?！?/p>

為了更好地模擬大腦的物理特性，該團(tuán)隊(duì)采用了 NVIDIA Omniverse 中的高級(jí)實(shí)時(shí)物理模擬引擎——NVIDIA PhysX。借助觸覺設(shè)備，他們能夠嘗試在虛擬環(huán)境中添加觸覺反饋，模仿進(jìn)行腦組織手術(shù)的觸感。

展望 AI 和機(jī)器人技術(shù)

在未來外科手術(shù)培訓(xùn)中的應(yīng)用

Cohen-Gadol 博士相信在未來幾年中，AI 模型將能夠在術(shù)中提供更多洞察，從而進(jìn)一步改進(jìn)外科手術(shù)，比如提醒外科醫(yī)生注意鄰近手術(shù)區(qū)域的重要腦部結(jié)構(gòu)、在術(shù)中跟蹤醫(yī)療器械、為手術(shù)的后續(xù)步驟提供指導(dǎo)等。

Atlas Meditech 計(jì)劃使用 NVIDIA Holoscan 平臺(tái)流式傳輸 AI 應(yīng)用，為此類實(shí)時(shí)術(shù)中洞察提供支持。將 AI 分析應(yīng)用于外科醫(yī)生的術(shù)中操作，可以為外科醫(yī)生提供有用的反饋，提高他們的技術(shù)水平。

Cohen-Gadol 博士表示，除了用于外科醫(yī)生的手術(shù)預(yù)演之外，大腦和手術(shù)室的數(shù)字孿生還可以幫助訓(xùn)練智能醫(yī)療器械，例如使用 Isaac Sim（由 Omniverse 提供支持的機(jī)器人仿真應(yīng)用）開發(fā)的顯微鏡機(jī)器人等。

點(diǎn)擊“閱讀原文”，觀看 Cohen-Gadol 博士在 NVIDIA GTC 上的演講。