Atlas Meditech 使用 AI 和數字孿生開創腦外科手術的未來

正如運動員為比賽而訓練、演員為演出而排練一樣，外科醫生也需要在手術前做好準備。

Atlas Meditech 正在通過 AI 和物理準確的模擬，為腦外科醫生帶來更具真實感的術前準備體驗。

腦外科智能平臺 Atlas Meditech 正在以提升手術效果和病人安全為己任，采用 MONAI 醫學影像框架和NVIDIA Omniverse 3D 開發平臺等工具構建 AI 決策支持和高保真手術預演平臺。

Atlas Meditech 和非營利機構 Neurosurgical Atlas 的創始人 Aaron Cohen-Gadol 博士表示：“Atlas 為腦外科醫生提供了一套多媒體工具，使他們能夠在手術前一晚進行手術的心理預演。我們希望通過加速計算和數字孿生，將心理預演轉變成高度逼真的模擬預演?！?/p>

Neurosurgical Atlas 為 100 多萬在線用戶提供病例研究、手術視頻和 3D 大腦模型。Cohen-Gadol 博士還是印第安納大學醫學院的神經外科教授，據他估計，美國 90% 以上的腦外科培訓項目以及其他國家成千上萬的神經外科醫生，都將 Atlas 作為他們住院醫師時期和手術生涯早期的重要資源。

Atlas Meditech 的 Pathfinder 軟件正在整合 AI 算法，以提出安全的手術路徑建議，幫助專家順利抵達腦部病灶。

該團隊使用了可連接和構建自定義 3D 流程和元宇宙應用的平臺——NVIDIA Omniverse，希望為病人的大腦創建定制的虛擬模型，以用于手術預演。

自定義 3D 大腦模型

無論是在屏幕上還是在沉浸式 VR 中，Atlas Meditech 先進模擬技術的一大優勢是能夠自定義模擬，這樣外科醫生就可以在大小、形狀和病變部位與病人腦部相匹配的虛擬大腦上進行練習。

Cohen-Gadol 博士表示：“每個病人的解剖結構都略有不同?，F在我們可以利用物理學和先進的圖形技術創建一個特定病人的大腦模型，并利用它來觀察腫瘤并模擬腫瘤手術。精準的物理特性有利于重現我們在現實世界中的手術體驗?！?/p>

為了創建病人大腦的數字孿生，Atlas Pathfinder 工具采用了 MONAI Label。MONAI Label 可以通過自動注釋 MRI 和 CT 掃描圖像來區分正常結構和腫瘤，為放射科醫生提供支持。

Cohen-Gadol 博士表示：“MONAI Label 可以幫助我們對關鍵結構進行識別與保護，這是所有醫療項目都必不可少的。Atlas 正在將 MONAI Label 訓練成外科醫生的‘眼睛’，在病人的掃描圖像中區分顯示正常血管與腫瘤?！?/p>

借助病人大腦的分割視圖，Atlas Pathfinder 可以根據具體解剖結構調整其 3D 大腦模型，以體現腫瘤如何導致腦組織的正常結構發生變形。

Atlas Pathfinder 能夠基于可視化圖像（放射科醫生和外科醫生可以修改該圖像以提高精度），來建議最安全的手術方法，以便在不傷害大腦其他部位的情況下進入并切除腫瘤。每種方法的鏈接都會被發布到 Atlas 的網站上，包括該手術方案的書面教程。

Cohen-Gadol 博士表示：“在高度復雜的 3D 結構中，每一毫米都至關重要。AI 加持下的決策支持能在制定手術路徑方面發揮巨大的作用?！?/p>

為外科醫生提供逼真的預演環境

Atlas Meditech 正在使用 NVIDIA Omniverse 開發虛擬手術室，使外科醫生能夠在逼真的沉浸式環境中預演即將進行的手術。在模擬中，外科醫生可以調整病人和設備的位置。

外科醫生戴上 VR 頭顯就能在虛擬環境中逐步完成手術并獲得反饋，了解自己到達腫瘤的路徑與目標路徑的貼合度。外科醫生可以使用 AI 算法預測其在術中使用醫療器械時腦組織會如何移動，并將預估的移動情況應用到模擬大腦中。

Cohen-Gadol 博士表示：“讓外科醫生進入虛擬 3D 空間，在與病人物理特性高度相似的模擬大腦上預演手術，會具有非常重大的意義?！?/p>

為了更好地模擬大腦的物理特性，該團隊采用了 NVIDIA Omniverse 中的高級實時物理模擬引擎——NVIDIA PhysX。借助觸覺設備，他們能夠嘗試在虛擬環境中添加觸覺反饋，模仿進行腦組織手術的觸感。

展望 AI 和機器人技術

在未來外科手術培訓中的應用

Cohen-Gadol 博士相信在未來幾年中，AI 模型將能夠在術中提供更多洞察，從而進一步改進外科手術，比如提醒外科醫生注意鄰近手術區域的重要腦部結構、在術中跟蹤醫療器械、為手術的后續步驟提供指導等。

Atlas Meditech 計劃使用 NVIDIA Holoscan 平臺流式傳輸 AI 應用，為此類實時術中洞察提供支持。將 AI 分析應用于外科醫生的術中操作，可以為外科醫生提供有用的反饋，提高他們的技術水平。

Cohen-Gadol 博士表示，除了用于外科醫生的手術預演之外，大腦和手術室的數字孿生還可以幫助訓練智能醫療器械，例如使用 Isaac Sim（由 Omniverse 提供支持的機器人仿真應用）開發的顯微鏡機器人等。

點擊“閱讀原文”，觀看 Cohen-Gadol 博士在 NVIDIA GTC 上的演講。