今天來分享一下創成式設計在醫學植入體領域的現狀。本期内容滿滿，快往下看~
創成式設計
1. 什麼是創成式設計？
創成式設計（Generative Design，GD）是一個人機交互、自我創新的過程。根據輸入者的設計意圖，通過"創成式"系統，生成潛在的可行性設計方案的幾何模型，然後進行綜合對比，篩選出設計方案推送给設計者進行最後的決策。
2.為什麼介紹醫學植入物方面？
創成式設計雖然在日常的消費產品方面有許多應用的案例，但是離開主流應用仍然有很大的差距。創成式的設計和製造最大價值在於小批量高度定制化的產品，類似航空航太公司和致力於醫學植入物的行業。
植入體
醫學植入體，類似人工骨，是非常明確的高度個性化的產品。每個人都不一樣，因此植入體最為行業所關心的是沒有一個能夠適用所有的設計解決方案。
生物醫學工程公司很早就使用了3D列印技術。最近，第一個3D列印鈦合金髖關節接受者慶祝了10周年紀念，據報導，患者依舊行動自如。進行這場手術的醫生Guido Grappiolo自從那次手術後已經進行了超過600次的3D列印植入體的植入手術。縱觀全球，超過10000名患者受益于3D列印髖關節植入體。這些都是這項技術有效性有力證明。
右圖為人工髖關節中的臼杯
但是，在過去的10年時間CAD和CAE模擬已經發生了很大的變化。現在的創成式設計和拓撲優化技術，不僅能減輕植入體的重量，而且可以更接近地模仿骨骼內部的骨小梁結構。
因此，可能你會好奇，醫療種植體的創成式設計和拓撲優化，現在我們究竟達到了怎樣的高度？
Altair OptiStruct
在談及一個關於醫學植入體、拓撲優化、創成式設計的話題時，Altair OptiStruct是不得不提及的。
Altair OptiStruct是第一個用於商業用途的拓撲優化軟體，誕生于密西根大學的骨骼生長研究。Altair的首席市場官（CMO）Jeff Brennan，曾經致力於研究骨骼如何回應外部的受力情況進行生長，並且開發了一個數學演算法去模仿這種現象（這個理論就是眾所周知的沃爾夫定律）。Brennan後來帶著他的研究來到了Altair工作。
沃爾夫定律：十九世紀外科醫生朱利斯·沃爾夫發現，骨在需要的地方就生長，不需要的地方就吸收。即骨的生長、吸收、重建都與骨的受力狀態有關，而且骨是以最優化的功能形態結構去承受載荷的。
在一段時間的校企合作後，Altair肩負起了演算法開發的責任，並且於1994年發佈了Altair OptiStruct平臺。
從那以後，Altair OptiStruct成為了拓撲優化領域的領導平臺並且出現了眾多工業應用的分支，包括航空和汽車。
利用Altair OptiStruct拓撲優化進行車架設計
如今，得益於增材製造，Altair OptiStruct回到了它的本源，被用來設計骨骼植入體。整個過程畫了一個完美的圈，從最初拓撲優化被用來模擬骨骼生長的自然表現，最終大自然成為了設計工程師最好了引路人。
Altair OptiStruct解算器現被用在Altair HyperWorks和Altair Inspire。
Altair OptiStruct是提供拓撲優化的解算器和優化器，但是這個工具是為模擬專家而設計的。Altair Inspire包含了Altair OptiStruct的功能，使用了更加友好的使用者介面，使得設計工程師能夠在產品設計的早期階段使用到拓撲優化技術。
——Yuhao He，Altair高級專案經理
Altair Inspire界面示意圖
Altair OptiStruct解算器以各種形式被使用在了髖關節植入體，頜骨植入體和脊柱植入體。
但是，除了3D列印的高度定制化，拓撲優化提供的減重，使用創成式的設計方法設計的植入體還有什麼其他的優勢呢？
對於我們設計的髖關節植物體，它的優勢在於能夠通過優化的剛度減少應力遮擋和骨吸收。骨吸收是產生植入體鬆動和高骨折風險的一個主要原因。骨吸收是一種由於噬骨細胞破壞骨組織的而造成的骨質丟失。
——Yuhao He，Altair高級專案經理
這是很值得關注的一個點，植入體的鬆動和錯位是兩個造成全髖關節（THA）翻修術的主要原因。簡單來說，一個好的植入體設計能夠使患者獲得更久的下地時間，需要更少的翻修手術。
造成人工髖關節植入患者額外手術的原因
應力遮擋是一個重要的概念，後面會回再來討論這個問題。
因為鈦合金的生物相容性，它是完美的植入體的材料。但問題在於鈦的剛度是股骨皮質骨的6.5倍，當一個鈦合金的植入體被植入到患者體內，自然骨骼的載荷分配發生了改變（自然骨受到的載荷變小了）產生了應力遮擋。正如沃爾夫定律，骨骼根據它所經歷的載荷自身進行重建。由於伴隨著鈦合金植入體載荷減小了，骨骼實際上失去了品質，骨吸收產生了，那時，骨折，錯位和鬆動就會產生。
因此，設計一個植入體在微結構層面盡可能接近原始的材料是自然分配這些載荷的關鍵，也是減少這些不想產生的效果的關鍵。
人體股骨應力遮擋米塞斯應力
上圖顯示了股骨的米塞斯應力。第一張圖是自然，健康的骨頭。第二張圖是植入了傳統植入體後的米塞斯應力，第三張是優化後的植入體的受力情況。可以注意到，第三張使用優化植入體顯示了與自然骨骼相似的應力集中。這正是所希望的。第二張圖顯示了應力的減少。這是典型的應力遮擋的情況，這是不希望看到的。
Altair Inspire使用Altair OptiStruct設計優化的點陣結構減少剛度和品質，因此減少了應力遮擋。
3D打印髖關節植入體
軟體演算法更能夠把3D列印的製造限制考慮進去，控制優化結果的懸空角度。最近，軟體允許使用者創建杆長和杆徑都能優化的點陣或者半點陣結構，你能看到如上圖的點陣結構。
結合增材製造，拓撲優化使得工程師能夠設計出基於患者解剖，運動水準和骨骼機械特性的定制化植入體。這些植入體會更適合患者，更強更高效。
——Yuhao He，Altair高級專案經理
最後的思考
不知道大家有沒有發現，前文所提到的所有列印的骨植入體的形狀都與它的設計保持完全一致。
隨著拓撲優化技術被應用到消費產品和高端工程產品，拓撲優化設計的趨勢更趨向於優化產品結構的巨大改變。
但在醫學種植體領域，特別是骨骼的替代，大量的外觀形狀被保留，最大優化產生於微結構層級。
隨著優化技術在設計工程類產品時被創造出類似鏤空的形態，在進行植入體設計時，高外形還原度才是關鍵。以微結構層級如實重建出產品意味著患者生命得以延續，患者能感覺良好並正常步行，在微結構層級對真實骨骼的模仿能夠獲得更好的實現骨整和。允許載荷被轉移到正確的方向上。
雖然有時我們期望從創成式設計獲得新奇設計，但這其實對於大自然來說並不新奇。
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