人工智能驅(qū)動(dòng)的 3D 打印助力手術(shù)準(zhǔn)備

2024年10月，南極熊獲悉，華盛頓州立大學(xué)（WSU）的研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種基于人工智能的3D打印工藝，能夠制作出高度精細(xì)的人體器官?gòu)?fù)制品。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)旨在幫助外科醫(yī)生進(jìn)行復(fù)雜的手術(shù)演練，提供更準(zhǔn)確、更適合患者的實(shí)踐工具，從而提高手術(shù)成功率和患者的安全性。



技術(shù)亮點(diǎn)
人工智能算法經(jīng)過(guò)大量腎臟、前列腺等人體器官的圖像和關(guān)鍵屬性的訓(xùn)練，能夠優(yōu)化3D打印機(jī)的設(shè)置，以平衡模型的精度、重量和打印速度。具體來(lái)說(shuō)，噴嘴尺寸、材料壓力和打印層高等關(guān)鍵參數(shù)會(huì)根據(jù)具體需求自動(dòng)調(diào)整。這使得在顯著縮短的時(shí)間內(nèi)制作出精確的器官模型成為可能，極大地提高了手術(shù)準(zhǔn)備的效率。

華盛頓州立大學(xué)機(jī)械與材料工程系助理教授Kaiyan Qiu表示：“人工智能驅(qū)動(dòng)的流程可以快速生成高保真模型，有助于手術(shù)演練。實(shí)際上，外科醫(yī)生可以在早上接受患者的MRI（磁共振成像）檢查，半小時(shí)內(nèi)打印出模型，然后用剩余的時(shí)間準(zhǔn)備手術(shù)。這一過(guò)程不僅節(jié)省了時(shí)間，還提高了手術(shù)的精確度和安全性。“

技術(shù)創(chuàng)新
WSU團(tuán)隊(duì)采用了多目標(biāo)貝葉斯優(yōu)化（BO）方法來(lái)設(shè)計(jì)AI，以提高3D打印過(guò)程的精度。BO算法通過(guò)概率建模來(lái)優(yōu)化打印設(shè)置，確保每次打印都能達(dá)到最佳效果。這種方法可以不斷提高模型的質(zhì)量和打印效率，幫助根據(jù)每項(xiàng)手術(shù)的獨(dú)特需求定制輸出。

WSU的系統(tǒng)使用NVIDIA A40 GPU和NeRF技術(shù)來(lái)創(chuàng)建3D打印器官的精確網(wǎng)格模型，確保結(jié)構(gòu)和功能的保真度。NeRF技術(shù)通過(guò)神經(jīng)輻射場(chǎng)（Neural Radiance Fields）生成高質(zhì)量的3D模型，使得打印出來(lái)的器官模型在細(xì)節(jié)和功能上都非常接近真實(shí)器官。同樣的AI流程還可應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備原型的制作，例如起搏器或支架，并具有更廣泛的工業(yè)應(yīng)用潛力。



應(yīng)用前景
機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的3D打印方法是一個(gè)四步遞歸過(guò)程，確保每個(gè)環(huán)節(jié)的優(yōu)化。首先，通過(guò)MRI或CT掃描獲取患者的器官圖像；其次，AI算法分析圖像并優(yōu)化3D打印設(shè)置；第三，3D打印機(jī)根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)置打印器官模型；最后，醫(yī)生使用模型進(jìn)行手術(shù)演練。這一過(guò)程不僅在醫(yī)療領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力，還可以擴(kuò)展到其他工業(yè)領(lǐng)域，提高生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的效率。

行業(yè)動(dòng)態(tài)
在Rapid+TCT 2024會(huì)議上，nTop首席執(zhí)行官布Bradley Rothenberg討論了AI如何優(yōu)化材料使用并提高打印質(zhì)量，從而更輕松地設(shè)計(jì)和測(cè)試針對(duì)特定患者的醫(yī)療設(shè)備。AI工具現(xiàn)已廣泛集成，以提高設(shè)計(jì)流程的效率，特別是在醫(yī)療保健領(lǐng)域。通過(guò)AI的輔助，3D打印技術(shù)不僅能夠制作出更精確的醫(yī)療設(shè)備，還能大幅降低生產(chǎn)成本和時(shí)間。

通過(guò)整合人工智能和3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，醫(yī)療和工業(yè)用途的定制化、快速生產(chǎn)的未來(lái)似乎將繼續(xù)發(fā)展。AI不僅將提高醫(yī)療手術(shù)的精確度和安全性，還將推動(dòng)相關(guān)行業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展。隨著技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，我們有理由相信，未來(lái)的醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)更多的變革和突破。