手术可能是可怕的事件。咨询期间复杂的医学术语加剧了对在手术室会发生什么的恐惧，使患者及其家人比以前更加不确定。幸运的是，波士顿儿童医院的戴维·霍根森 (David Hoganson) 博士等外科医生现在可以揭开这个过程的神秘面纱，使用他们自己的身体模型引导患者完成即将进行的手术。结合虚拟现实和身体部位的 3D 打印复制品，患者以及整个手术团队都可以做好准备。
多物理模拟显示人类心脏的机械、电气和流体特性的相互作用。 （所有图片均由 Dassault Systemes 提供）改善手术体验只是 3D 打印如何从根本上改善医学的一个例子。另一个是创造轻便、成本较低且通常是个性化的假肢。在一次雪地摩托事故中失去一条腿后，残奥会运动员 Mike Schultz 使用 3D 打印技术开发了 Moto 膝关节、Alpine 足部和其他高性能运动假肢。从头骨到心脏瓣膜的定制印刷植入物正在使个性化医疗成为现实。关于产品设计师和医学研究人员已经认识到这种相对较新的制造技术改善生活的力量，可以讲述无数其他 3D 打印的成功故事。
超越打印
然而，3D 打印是更大变革的催化剂。一旦摆脱了传统制造技术的束缚，就需要能够模拟性能的高级软件工具来指导通常是全新产品的设计。这在 COVID-19 大流行期间变得非常明显，当时性能的微小变化可能意味着生与死的区别H。例如，当制造商想知道 3D 打印的个人防护装备 (PPE) 是否对空气传播的病原体有效时。 Dassault Systèmes 的 SIMULIA PowerFLOW 模拟软件不是费力且冒险的反复试验，而是用于创建喷嚏场景的计算模拟，以测试他们的设计是否合理。
这种模拟功能并不是什么新鲜事。例如，航空航天业几十年来一直在使用计算流体动力学 (CFD) 和有限元分析 (FEA) 软件。然而，当 3D 打印开始在飞机和卫星部件中获得牵引力时，设计人员再次转向仿真软件来寻找一系列全新问题的答案。这加速了生成设计和支持 AM 的软件的开发，例如达索系统的 3DEXPERIENCE 平台，它支持从概念到完成的整个 3D 打印制造过程的独特需求d部分。
我们都将是这项工作的受益者。医学界没有领导创建这些软件工具的传统专业知识，但他们显然有参与其使用的需求和意识。设计人员和研究人员现在可以使用材料模型和人体操作负荷等关键数据，以及创建几何模型的工具。凭借高可靠性，它们可以模拟血管支架、心脏起搏器、牙科和骨科植入物以及数百种其他组件在人体中的表现。借助这些工具，可以基于对人体力学的深刻理解来优化设计，甚至可以在将其付诸实践之前加速老化研究，通常作为 3D 打印产品。
虚拟孪生
这些模拟工具变得如此强大，以至于出现了一个新术语：虚拟孪生。物理对象的高度准确的虚拟表示项目，虚拟双胞胎可用于从互联车辆设计和智能城市开发到车间布局和相关制造流程优化的所有领域。正如 Living Heart Project 所展示的那样，虚拟双胞胎在代表您方面的革命性最大。
The Living Heart 再现了人类心脏在休息或运动时的自然跳动，并可用于模拟血流、疾病状况或确定药物如何影响心律失常等重要状况。达索系统、美国食品和药物管理局 (FDA) 以及数十所大学和医疗机构，Living Heart Project 吸收了以前散布在世界各地的一个世纪的心血管知识他的世界，并将其捕获在人类心脏的第一个虚拟双胞胎中。现在，这为研究人员、开发人员和医生提供了在计算机上分析患者心血管系统的机会。更重要的是，它提供了医学、可视化、比较和协作中最关键的过程。通过模拟，他们可以更好地理解问题，设计和测试新药和医疗设备，并与其他专家分享想法。他们可以预测手术过程中会发生什么，并更好地预测心脏对变化的反应。成本降低，医疗设备开发、测试和审批速度加快，最重要的是，患者的治疗效果得到改善。
像 Biomodex 这样的公司正在进一步推进数字孪生概念。自 2015 年以来，Biomodex 一直是达索系统 3DEXPERIENCE 实验室计划的参与者，它利用先进的模拟软件和 3D 成像来开发针对特定患者的人类心脏、瓣膜和血管的虚拟双胞胎。他们使用模拟的行为预测来制作与真实器官反应相同的印刷品。它们可以在公司的一种“排练”设备中使用，或者以类似于活体心脏项目的方式使用，让从业者有机会在不依赖动物组织、尸体或机械模型的情况下进行研究和学习。
成功生成
器官和类似复杂结构的 3D 打印需要设计、模拟和优化软件能够应对此类几何结构固有的可变性。尽管不是新技术，但为此必须将它们统一到一个易于使用的环境中。如果操作得当，一旦优化设计得到模拟和批准，就可以准备打印了。
活心脏模拟的有限元网格模型。挑战在于 3D 打印过程会产生其独特的未知数。与减材制造不同，从钢坯或铸件中去除材料的地方，增材制造从头开始构建零件。就像大自然本身一样，这种“增长”会导致构建过程中的变形、残余应力和微观结构缺陷，所有这些都应该在推动之前考虑在内打印按钮。幸运的是，为稳健的产品设计开发的软件工具可以应用于构建过程，在潜在问题开始之前消除它们。这对医疗设备公司来说是个好消息，或者就此而言，任何设计和制造使用 3D 打印的公司。
鉴于所有这些尖端技术，“生命科学的下一步是什么？”是合乎逻辑的问题。既然我们可以扫描人体器官，mu肌肉和骨骼，模拟它们的行为并 3D 打印解剖学上精确的复制品，我们能否使用相同的技术来制造替换部件，甚至是活体组织制成的部件？我们可以使用我们的虚拟双胞胎来创建实体双胞胎，或者至少是其中的一部分吗？
这是一个令人兴奋的概念，许多业内人士认为这将在未来十年左右成为现实。例如，达索系统的客户和 3DEXPERIENCE 实验室计划参与者生物技术初创公司 Cellink 已经开发出用于打印肝脏、软骨和皮肤组织甚至人类心脏的生物墨水。正是这里讨论的模拟软件使他们能够预测这些材料在打印后的表现，并相应地调整他们的 3D 模型和制造过程。
所有这些计划和举措都表明医疗保健才刚刚开始通过消除 betw 之间的物理鸿沟来了解所呈现的潜力人类和改善我们生活的机器。随着这些分歧被消除，赢家将是那些正在发展自己的能力以接受这一现实并引领潮流的人。在达索系统，我们很高兴现在能够提供平台技术来创建必要的生态系统。我只能开始想象他们会用它做什么，我迫不及待地想看看。
