近日，航院庄茁教授领导的科研团队发布了全球首款分钟级的从影像到3D打印点阵个性化骨修复体（ITI）智能设计技术。该成果来自清华大学航院与北京大学第三附属医院骨科共享知识产权的发明专利和国家自然科学基金项目的支持，目前已经在北医三院骨科临床治疗实践中得到应用。

图1 缺损部位镜像CT影像切片及智能设计结果可视化展示

该技术是由航院庄茁教授团队以“FEM+AI”先进计算软件为核心开发的智能化骨修复体定制设计平台，可用于智慧医疗的个性化骨修复体快速设计制造，为传统定制化骨植入器械治疗手段中设计耗时长、成本昂贵、性能不匹配等夹脖子难题提供了全新解决方案。

该团队综合运用深度学习、强化学习等人工智能技术，完成从患者临床CT影像，到定制化生成骨植入器械3D打印模型的端到端工作流创建，大大缩减了个性化假体骨设计的时间和成本，为骨缺损患者，特别是重大创伤后造成骨缺损，以及骨再生能力较弱，急需救治手术的患者群体提供了全新的医疗解决方案和思路。主要突破进展体现在以下三方面：

1.百倍效率提升带来全新诊疗方案

传统定制骨植入物制造需经历医学影像分析、CAD建模、CAE验证以及3D打印等独立分散步骤，通过大量人工完成全流程分析与设计，设计周期通常为1-7天，对尤为注重时效的急重创伤性损伤的治疗造成一定滞后，增加患者截肢概率。该成果针对传统骨植入物设计制造时间周期长的难点，通过精巧的神经网络模型搭建，使定制假体骨设计过程全面自动化，实现从数小时缩减至1分钟内完成的突破性时效飞跃，为骨缺损急症重症病例诊疗提供更优路径。

图2 智能设计系统通过Hu值切分法分离需设计骨组织结构

2.力学性能匹配解决患者难题

现有的骨缺损诊疗方案中，针对假体骨标准件未涵盖的患处，仍采用传统的自体骨、异体骨、骨水泥填充等方式进行治疗，这种治疗方法具有材料获取难、适配度低、康复周期长等问题。同时，由于天然骨骼的多层级结构，具有复杂多孔结构的松质骨表现出典型的力学非均匀性与结构各向异性，传统人工设计技术制作的假体骨同样无法实现精准匹配，植入人体后与人体自然骨的变形不协调，生物力学性能不匹配，继而引发骨质增生、肌肉萎缩等不良反应。

该成果率先突破从低分辨率CT影像重建高精度骨结构的一大难点，解决了松质骨各向异性力学性能精准适配问题，并在此基础上建立起人体骨医学影像-力学性能数据库。

通过综合运用影像学、临床医学、力学、人工智能技术，该成果建立了骨小梁的复杂结构与临床医学影像之间的关系，通过力学参数的跨尺度计算，搭建人体骨组织的高精度数字模型，实现以数据驱动的方法训练神经网络，进行骨组织结构设计，设计出匹配自然骨的个性化人工骨，最终实现骨修复体全方位的性能优化。

图3 在完成设计后直接输出可供制造端使用的3D打印假体骨点阵文件

3.端到端生成重塑业界诊疗新范式

该成果通过智能化设计，实现骨修复体定制设计的高度自动化，极大降低了目前个性化骨修复体定制流程中的人工参与度，推动医院方、设计方、制造方交流机制从串联式点对点信息传递向端到端有机协同运管迭代。

当前大型医疗骨植入器械公司产业链遍布全球，国内业界龙头企业通过庞大的营销网络，每几分钟即可完成一例骨植入器械销售，在这样庞大的订单量压力下，如何构建快速个性化的骨植入设计工具链，一直是业界亟待解决的难题，航院庄茁教授团队推出的分钟级ITI技术，可以在根本上解决骨植入器械制造商由于设计产能不足制约产业规模拓展的商业模式难题，为整个骨植入器械产业链注入全新活力。

该科研成果突破性提升骨缺损诊疗效率，加快患者康复周期，从而优化骨科医疗资源配置，有效缓解医疗资源紧缺问题，进而带动骨缺损医疗产业转型升级。

该成果发明了人工智能与力学建模融合的骨缺损重建颠覆性技术，创建了骨科骨缺损重建临床治疗新体系，未来将在更多的骨修复体设计及制造场景持续发挥作用，造福人民健康！