挑战
作者：Margaret Golz、Richard Wysk、Russell King、Colin Nolan-Cherry、Stephen Bryant（北卡罗来纳州立大学科林-诺兰-切里和斯蒂芬-布莱恩特（北卡罗来纳州立大学）
在 2018 年冬季模拟大会上发表
医疗器械公司对用于骨科植入物生产的增材制造（AM）越来越感兴趣。AM 为经济上可行的定制植入体提供了机会，以补充目前传统制造的标准尺寸假体。本文开发了一个仿真模型，用于分析使用 AM 生产定制髋关节柄的供应链。在仿真模型中实施了一个测试案例，以确定供应链在关键性能指标上的反应，如独特定制假体的生产前置时间和资源利用率，以及基于当前增材制造和减材制造实践状态的资源水平变化。本研究的方法是使用模拟，重点测量髋关节柄植入物供应链的绩效，以确定供应链的资源需求。
引言和动机
关节成形术通常称为关节置换术，使用标准尺寸的假体拼接成机械关节。当患者因持续、剧烈的关节疼痛而导致严重的功能障碍，且保守疗法已经用尽时，就有必要进行关节置换术。关节置换手术相对安全，可以缓解疼痛并恢复正常的活动能力。由于日常活动对身体造成的巨大压力和负荷，植入物会磨损并可能失效；髋关节植入物的 25 年存活率超过 80%（Shan 等，2014 年）。当植入物失效时，必须进行成本更高、难度更大、风险更高的翻修手术。美国每年进行的全关节置换手术超过一百万例，其中全髋关节置换术（THA）约占三分之一（OrthoInfo，2017 年）。
图 1 显示了髋关节置换植入物的三个部分：股骨（髋关节）柄（插入股骨髓腔）、髋臼组件（取代骨盆区域的髋臼）和股骨头（将股骨柄与髋臼组件铰接，同时允许髋关节正常运动）；每个部分都有多种尺寸。目前，传统的制造方法通常用于为所有患者生产标准尺寸和几何形状的髋关节假体。制造假体髋关节柄的传统方法取决于所用材料的类型。钛、钴铬和不锈钢等医疗器械金属通常采用锻造或熔模铸造工艺。在基本几何形状成型后，粗加工、抛光和涂层就完成了整个过程（Zhang 等，2009 年）。标准髋关节柄并不是为患者量身定做的，因此并不是所有的假体髋关节柄都能完全吻合或保证良好的使用效果。
由于预期的好处，医疗领域对标准医疗植入物尺寸的替代品越来越感兴趣。通过定制，植入物可以适应患者的特殊解剖结构，包括弯曲硬度（与无菌性松动直接相关）、腿长差异和股骨高度变形（Cronskär 等，2013 年）。无菌性松动是指假体因磨损或骨结合失败而松动，是翻修手术的主要原因。定制髋关节植入物通常可以减少手术中对齐髋关节柄所需的骨切除量。重要的是要尽可能多地保留骨头，以防日后需要进行翻修手术。使用定制髋关节植入物的手术应该相对简单，因为植入物能更好地与患者的骨骼几何形状相匹配，但很可能不会使用标准的骨切割。简单的配合还能缩短手术时间，并降低无菌性松动的可能性（Harrysson 等，2007 年）。研究还处于早期阶段，但少数研究表明，定制假体有可能减少病人的痛苦、感染风险和治疗时间。它还有可能延长医疗植入物的寿命，推迟或消除翻修手术。
快速成型制造（又称快速原型制造或三维打印）已证明有能力根据病人的计算机断层扫描（CT）结果制造出定制植入体；它能够相对容易地制造出独特、复杂的几何形状，因为它是通过一次铺设一个截面的材料来制造部件的。AM 提供了经济地定制医疗植入物的机会，以更好地适应患者的解剖几何形状和活动水平需求。电子束熔融技术（EBM）是一种特殊的自动机械加工技术，在制造医疗设备方面具有优势，因为它可以使用已经获得 FDA 批准的钛合金制造假体。此外，使用 EBM 技术制造的钛合金 Ti6Al4V 的表面光洁度具有生物相容性，与传统植入物相比，其骨结合力相当或可能更高（Haslauer 等人，2010 年；Thomsen 等人，2008 年）。与传统制造方法生产的标准部件相比，EBM 制造的部件材料浪费更少（Sing 等，2015 年）。目前，EBM 已用于生产标准骨科植入物（特别是小梁结构），并获得了 CE 认证和 FDA 批准（Arcam AB，2018 年）。
有一些公司正在使用 Arcam 的 EBM 机器生产 Ti6Al4V 髋臼杯。其中一家公司 Adler Ortho Group 于 2007 年开始生产获得 CE 认证的髋关节植入物（Arcam EBM 2018）。髋臼杯只有库存尺寸，截至 2014 年初，Adler Ortho 和其他公司已经生产了 9 万多个植入体；其中 4 万个 EBM 制造的髋臼杯已经植入。此外，截至 2014 年，约有 20 种使用 AM 制造的不同医疗器械获得了美国食品及药物管理局的植入许可（Gibson 等，2015 年）。
反冲压技术的不断发展表明，它有可能通过定制植入体满足当前的部分需求，或通过标准和定制设备的组合满足全部市场需求。对于医疗器械公司来说，AM 技术为陌生的大规模生产方式打开了大门；有必要开展研究，以预测大规模生产定制植入体所需的资源和限制。供应链建模可以体现制造商的上游和下游行为。供应链模拟是一种有价值的工具，可以提供对供需模式的洞察力以及对系统资源的评估。本研究的重点是开发患者专用髋关节柄的供应链模型，将模型实施到供应链模拟软件中，并对资源水平进行敏感性分析。
研究背景
已有多项研究探讨了如何将 AM 用于整形外科医疗植入物。之前有两项研究使用 CAD 建模，根据患者的 CT 扫描结果设计出定制的膝关节置换股骨组件（Harrysson 等人，2007 年；Harrysson 等人，2003 年）。其中一项研究对定制和传统的 CAD 模型文件进行了有限元分析 (FEA)，以评估应力分布。结果表明，定制种植体与传统种植体相比具有以下优点：应力分布更均匀，降低了过早松动的风险；减少了手术干预和填充组件的需要（因为更合适）；减少了约 40% 的骨切除。研究小组认为，使用 AM 制造组件可以减轻其中一些缺点（Harrysson 等人，2007 年）。
使用AM制造组件可以减轻优点（Harrysson等人，2007年）。第二项研究使用 EBM 制作了犬膝关节植入物的定制股骨部件，并将制作时间与相同定制部件的传统熔模铸造法进行了比较。传统方法生产定制植入体所需的时间是 EBM 工艺的三倍多。EBM 机器的部件是根据患者的 CT 扫描结果设计的，整形外科医生也提供了意见；制作文件的准备工作耗时 1.5 小时。定制设计由Ti6Al4V粉末制成，这种材料已获得美国食品及药物管理局（FDA）批准，可用于使用AM技术制造的特定医疗设备植入患者体内。该研究小组认为，EBM 技术可用于制造定制医疗植入物，并可直接在部件中设计多孔表面（Harrysson 等人，2003 年）。
Thomsen 等人（2008 年）对 Ti6Al4V EBM 植入体进行了体内骨生长分析，发现其组织反应与抛光的、传统制造的钛合金植入体没有明显差异。该研究还发现了结构层面的骨结合。植入前，对植入物进行了 25 分钟的超声波清洗。清洗后，植入物在无菌袋中进行蒸汽高压灭菌。
髋关节柄假体。研究小组使用 Arcam A2 EBM 机器制造了 7 个髋关节柄假体，并加工了同一组假体进行成本比较。为了获得最佳的表面光洁度，在锉刀制备过程中植入物的方向是垂直的。研究进一步模拟了 14 个定制植入体的构建过程，以观察 EBM 设备满负荷运转时的加工时间。7 个和 14 个种植体的模拟加工时间分别为 36 小时和 38 小时。7 个种植体的实际加工时间与模拟时间大致相同；完成构建后的冷却时间为 8 小时。制作过程中浪费的材料占种植体总重量的 24%；与传统方法相比，EBM 制作部件的材料损耗减少了 35%。研究报告称，EBM 文件准备（CAD 文件修改、支持生成和编译）持续了约 40 分钟。在打印之前，EBM 机器需要一个多小时来预热并在腔室中抽真空。打印结束后，操作员需要清除多余的粉末并清洁机器/植入物，这也需要大约一个小时。在 EBM 打印之后，使用数控机床进行减材制造，每个植入体的铣削需要额外的 2 分钟，每个植入体的研磨和抛光需要 1.5 小时。研究小组得出结论，AM 定制植入体在商业上是可行的，与机械加工的植入体相比具有经济优势（Cronskär 等人，2013 年）。
Shouche（2016 年）完成的研究提出了一个利用 AM 技术定制髋关节柄的供应链模型。为定制髋关节柄和传统髋关节柄创建了供应链运营参考模型；研究重点是利用性能指标对两种模型进行比较。定制髋关节柄模型是使用 Arena 仿真软件实现的，如图 2 所示；它是继续研究该主题的灵感来源。该模型模拟了每个病人的订单流程，从医生诊断开始，到将植入物送至医院或在部件不足时丢弃植入物为止。这一过程包括 CAD 建模、EBM 制作和数控加工植入体。通过模拟确定了满足每年 166,000 个植入体（约占每年实施的 THA 的一半）需求所需的资源；该系统需要 1,190 名医学工程师来完成 CAD 建模和 110 台 EBM 机床（两者的利用率均为 65%）。研究进一步确定，制造髋关节柄的金属粉末和 EBM 机器的数量对批量生产变化最为敏感（Shouche，2016 年）。
