決定生命科學(xué)3D打印醫(yī)療建模發(fā)展是什么？

隨著生命科學(xué)、醫(yī)藥研發(fā)、小分子研究、虛擬仿真等領(lǐng)域的快速發(fā)展，數(shù)字醫(yī)學(xué)也已悄無聲息地漸行漸近。盡管目前數(shù)字醫(yī)學(xué)尚不成熟，但醫(yī)學(xué)的數(shù)字化還是勢(shì)不可擋的。終有一天，成為醫(yī)學(xué)的主流。

說到醫(yī)學(xué)的發(fā)展，不得不提增材制造（簡(jiǎn)稱3D打印）。3D打印是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)，在個(gè)性化定制、復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件制備等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，正在對(duì)傳統(tǒng)制造工藝流程、工廠生產(chǎn)加工模式及整個(gè)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生重要影響，是制造業(yè)典型的顛覆性技術(shù)。

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3D醫(yī)療打印技術(shù)遇到的問題
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當(dāng)前3D生物打印已跨過第一、第二階段，在醫(yī)療模型、診療器械、康復(fù)輔具、假肢、牙齒及人工關(guān)節(jié)等方面催生出了一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈雛形。

北美市場(chǎng)已有超過10萬個(gè)3D打印髖關(guān)節(jié)植入物的術(shù)后測(cè)評(píng)結(jié)果，已實(shí)現(xiàn)為每例患者進(jìn)行量體裁衣，制定個(gè)體化治療方案，將使患者獲得最大的益處。

然而3D生物打印在技術(shù)層面上仍然有幾大限制：

需要更多功能性、細(xì)胞友好型的生物墨水用于打?。?/p>

需要更好的工藝與打印機(jī)，制造高存活率和高精度兼顧的模型；

需要更快、更強(qiáng)的交聯(lián)劑，保證打印體的完整性與穩(wěn)定性；

需要借助微流控技術(shù)來制造更長(zhǎng)期的生理模擬系統(tǒng)。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療上的運(yùn)用

如今，3D打印作為具有代表性的前沿技術(shù)之一，其應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到了很多業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可。在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印已經(jīng)逐漸滲透到很多細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景，比如手術(shù)模型預(yù)演、康復(fù)醫(yī)療器械制造等。在3D打印前沿技術(shù)的推動(dòng)下，傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)的服務(wù)模式正在加速轉(zhuǎn)型，智能、高效、專業(yè)的醫(yī)療服務(wù)模式也在加速發(fā)展。

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手術(shù)預(yù)演模型

對(duì)于醫(yī)務(wù)工作者制定高風(fēng)險(xiǎn)、高難度手術(shù)的術(shù)前計(jì)劃至關(guān)重要。在以往的外科預(yù)演中，醫(yī)務(wù)工作者往往需要通過CT、MRI等影像設(shè)備獲取患者數(shù)據(jù)，然后使用軟件將2D醫(yī)學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成逼真的3D數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在醫(yī)療工作者可以借助3D打印機(jī)等設(shè)備直接打印3D模型。這樣不僅可以輔助醫(yī)生進(jìn)行準(zhǔn)確的手術(shù)規(guī)劃，提高手術(shù)成功率，還可以方便醫(yī)務(wù)工作者和患者對(duì)手術(shù)方案的溝通。

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手術(shù)導(dǎo)板

作為手術(shù)過程中的輔助手術(shù)工具，可以幫助醫(yī)務(wù)工作者準(zhǔn)確實(shí)施手術(shù)計(jì)劃。目前，手術(shù)導(dǎo)板的類型包括關(guān)節(jié)導(dǎo)板、脊柱導(dǎo)板和口腔種植導(dǎo)板。借助3D打印制作的手術(shù)導(dǎo)板可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)手術(shù)導(dǎo)板制造工藝的不足，同時(shí)可以根據(jù)需要調(diào)整導(dǎo)板的尺寸和形狀。這樣，不同的患者就可以有符合自己真實(shí)需求的導(dǎo)板。

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牙科應(yīng)用

近年來，3D打印在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用一直是熱門話題?？偟膩碚f，3D打印在牙科領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在金屬牙齒和隱形牙套的設(shè)計(jì)和制造上。前沿的3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，為需要牙齒矯正治療的人實(shí)現(xiàn)個(gè)性化牙套創(chuàng)造了更多可能。在正畸治療的不同階段，矯正者需要的牙套是不同的。借助3D打印制作多對(duì)正畸治療用的牙套，不僅有助于牙齒的健康發(fā)育，還能降低牙套的制造成本。

骨科應(yīng)用

目前，許多醫(yī)務(wù)工作者都在通過3D打印的前沿技術(shù)治療骨骼損傷的患者。通過為患者建立精確的三維骨骼物理模型，醫(yī)務(wù)工作者可以進(jìn)一步觀察患者的骨骼狀況和骨骼受損的具體部位，并制定相應(yīng)的治療方案。憑借3D打印的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)骨骨折和髖關(guān)節(jié)損傷治療中的一系列難題被逐步攻克。

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皮膚修復(fù)

用于治療火災(zāi)等嚴(yán)重皮膚燒傷患者時(shí)，由于治療周期長(zhǎng)，術(shù)后疤痕明顯，皮膚修復(fù)效果難以取得新的提高。多年來，研究人員一直在努力探索提高皮膚修復(fù)效果的新途徑，而前沿的3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為修復(fù)受損皮膚提供了新的途徑。醫(yī)護(hù)人員通過對(duì)受損皮膚傷口進(jìn)行掃描，可以重建出皮膚傷口的三維模型，然后利用尖端的打印技術(shù)，高精度、高活性地原位打印出多種含有皮膚細(xì)胞的高粘度材料，從而構(gòu)建出仿生皮膚結(jié)構(gòu)。

生物組織器官

近年來，科學(xué)界和醫(yī)學(xué)界已將生物器官和組織的3D打印作為重點(diǎn)研究課題之一。目前，生物3D打印的組織器官主要有鼻子、耳朵、血管、腎臟、心臟、皮膚、眼角膜等。無論是人造血管、軟骨組織、肝臟組織還是腎臟組織，其核心都是特定類型細(xì)胞的分離(或定向誘導(dǎo))和大規(guī)模擴(kuò)增。3D打印技術(shù)，在人工組織器官培養(yǎng)過程中，可以構(gòu)建組織器官的三維形狀，使細(xì)胞按照預(yù)設(shè)的形狀生長(zhǎng)，從而促進(jìn)細(xì)胞的健康發(fā)育，替代人體的病變組織。

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康復(fù)醫(yī)療器械

在實(shí)際應(yīng)用中，假肢、助聽器等康復(fù)醫(yī)療器械具有小批量、定制化的需求。由于這些康復(fù)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)復(fù)雜，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床由于加工角度等因素的限制，往往難以達(dá)到良好的效果。使用3D打印技術(shù)后，康復(fù)醫(yī)療器械的制造工藝得到了進(jìn)一步的提升。制造單個(gè)定制康復(fù)醫(yī)療設(shè)備的成本降低，制造周期進(jìn)一步縮短。

個(gè)性化制藥

隨著智慧醫(yī)療的快速發(fā)展，患者對(duì)于專業(yè)化、個(gè)性化、精準(zhǔn)的醫(yī)療服務(wù)模式滿懷期待。在藥學(xué)方面，利用3D打印技術(shù)制備藥學(xué)用藥物緩釋裝置有很多優(yōu)勢(shì)。3D打印可以實(shí)現(xiàn)多種藥物材料的局部細(xì)節(jié)控制，精確控制某種藥物的成分。對(duì)于兒童和老人來說，科學(xué)控制藥物的劑量，也有助于提高用藥的安全性。通過3D打印技術(shù)和設(shè)備，將粉末材料粘合成型，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜腔體的多孔結(jié)構(gòu)，對(duì)于藥物效應(yīng)釋放具有重要意義。

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實(shí)際上，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，在潛移默化中已經(jīng)從多個(gè)層面上改變了傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。相信隨著技術(shù)的不斷成熟，3D打印將催生出更醫(yī)療服務(wù)的新模式，人們也將感受到新興技術(shù)給生活帶來的便利。

案例分享

項(xiàng)目背景

大部分人都去醫(yī)院拍過“片子”，但是大家是否想過，這些影像還能通過3D的形式展現(xiàn)出來。通過3D醫(yī)療影像，醫(yī)生可以在任意角度、任意大小、任意組合下觀察目標(biāo)的3D結(jié)構(gòu)，診斷也將更加精確。但是，3D醫(yī)療影像對(duì)于數(shù)據(jù)量和性能的要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過2D影像。某國(guó)內(nèi)知名醫(yī)院采用藍(lán)海大腦冷板式水冷工作站?HD210?，通過目錄分片、小文件聚合等技術(shù)提升訪問性能，應(yīng)對(duì)3D系統(tǒng)小文件爆炸式增長(zhǎng)帶來的壓力。

與二維影像相比，三維影像的文件在容量上要大很多，要滿足這些三維影像存儲(chǔ)的需求，存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量必須足夠大，而且最好還能實(shí)現(xiàn)隨業(yè)務(wù)需求的敏捷擴(kuò)展，避免過于超前的存儲(chǔ)系統(tǒng)建設(shè)帶來成本壓力。此外，醫(yī)院影像數(shù)據(jù)的保存和業(yè)務(wù)持續(xù)運(yùn)行對(duì)疾病診療有重要意義，該醫(yī)院醫(yī)院應(yīng)用上層對(duì)接虛擬化平臺(tái)，虛機(jī)業(yè)務(wù)不可中斷，要求底層存儲(chǔ)高穩(wěn)定、高可靠，業(yè)務(wù)不中斷、數(shù)據(jù)不丟失。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

預(yù)訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)可遷移到任何3D醫(yī)療影像的AI應(yīng)用中，包括但不限于分割、檢測(cè)、分類等任務(wù)；

尤其適用小數(shù)據(jù)醫(yī)療影像AI場(chǎng)景，能加快網(wǎng)絡(luò)收斂，提升網(wǎng)絡(luò)性能；

通過簡(jiǎn)單配置少量接口參數(shù)值，即可進(jìn)行微調(diào)訓(xùn)練；

提供多卡訓(xùn)練以及測(cè)試評(píng)估代碼，接口豐富，擴(kuò)展性強(qiáng)；

提供不同深度3D 預(yù)訓(xùn)練模型，可供不同數(shù)據(jù)量級(jí)應(yīng)用使用。

主要技術(shù)指標(biāo)

可?靠?性：平均故障間隔時(shí)間MTBF≥15000 h

工作溫度：5～40 ℃

工作濕度：35 %～80 %

存儲(chǔ)溫度：－40～55 ℃

存儲(chǔ)濕度：20 %～90 %

聲? ? ? ?噪：≤35dB

方案優(yōu)勢(shì)

為了化解系統(tǒng)上線所帶來的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力，醫(yī)院使用藍(lán)海大腦冷板式水冷工作站?HD210?，并部署分布式塊存儲(chǔ)集群，滿足醫(yī)院日益增長(zhǎng)的存儲(chǔ)容量需求，靈活擴(kuò)展，性能隨容量擴(kuò)展而線性增加。

除了性能問題之外，業(yè)務(wù)可靠性也是醫(yī)院所關(guān)心的重要問題。醫(yī)院采用藍(lán)海大腦冷板式水冷工作站?HD210?進(jìn)行雙活部署，對(duì)接上層虛擬化業(yè)務(wù)，在單存儲(chǔ)故障后自動(dòng)切換，保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不丟失，保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行。

總結(jié)

在部署藍(lán)海大腦冷板式水冷工作站?HD210?之后，系統(tǒng)海量小文件的并發(fā)讀寫問題得以迎刃而解，即使是在業(yè)務(wù)高峰期，影像系統(tǒng)也能夠流暢、穩(wěn)定運(yùn)行。而且，由于藍(lán)海大腦冷板式水冷工作站 HD210 具有高可擴(kuò)展性，因此醫(yī)院可以在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)增長(zhǎng)的過程中，敏捷地通過增加存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)容量、性能的擴(kuò)展。