清华教授带队创业，以「FEM+AI」打造全球首款分钟级ITI工具

当AI席卷各行各业，在医疗领域，它还能带来哪些改变？这是一个值得头脑风暴的问题。

想象一个场景：确诊粉碎性骨折的患者正在等待自己的治疗方案，医生只需将其CT扫描的影像文件上传至电脑，片刻后假体骨设计方案生成完毕，进入制作环节……如果这个场景真实发生，是不是过于科幻了？

毕竟，在常规认知中，粉碎性骨折的主流治疗模式不外乎外科手术，例如使用金属板、螺钉、针或髓内钉进行内固定，以稳定骨折碎片；在某些情况下，可能还会结合骨移植、关节置换等方式来提供额外的骨量，或是促进愈合。

事实是，人们对于AI的应用总是有着纵情驰骋的想象力，并致力于在真实生活中完成落地。以上场景也不止存在于幻想当中，现实故事的主角，是来自北京的清航飞迈。

今年4月，清航飞迈推出了全球范围内首款分钟级端到端ITI个性化骨修复体智能设计SaaS软件FEMAI/Medical.Bone。

FEMAI/Medical.Bone，清航飞迈官网入口

这是由清航飞迈协同清华大学、北京大学第三医院，以“FEM+AI”先进计算技术为核心开发的智能化骨修复体定制设计平台，能够用于智慧医疗的个性化骨修复体快速设计制造。

有多快速？答案是，1分钟内。 

清华系基因团队，瞄准医疗领域刚性需求

从阵容上来看，清航飞迈的创始团队全员研究范围涵盖力学、材料学、机械工程、人工智能等，是一支由跨学科人才组成的队伍——

创始人兼董事长庄茁系清华大学教授，国际计算力学协会副主席，中国力学学会监事，国家973项目首席科学家，钱令希计算力学成就奖等获得者；总经理林治家系清华博士出身，有15年工业软件领域及创业经验；AI技术首席由小川是清华大学副教授，星阵围棋创始人。除此之外，研发、市场、智能产品、智能算法等核心负责人皆来自清华。

清华二校门

故事的开始，源于2020年一次肘关节骨折经历。住院治疗期间，庄茁在与骨科主任医师田耘教授的交流中得知，当患者进行粉碎性骨折治疗时，往往需要2-3个月的时间才能进行假体骨植入的手术，其中的设计、制造过程都较为冗长，医生、患者苦恼已久。

彼时，在前沿科技领域已经颇具影响力的庄茁，在教授等身份以外，也希望能够把科研工作与实际市场结合。于是，在深度了解痛点和植入器械的相关市场状况之后，团队迅速组成，并瞄准骨缺损医疗进行研发方面的准备。

骨科植入医疗器械是医疗器械重要细分行业之一。骨科植入器械，是指通过外科手段置入人体，用以替代或支撑骨骼，或用于定位及修复骨骼、关节、软骨等结构的医疗用品。

这类器械包括但不限于骨融合植入物、关节置换植入物，例如金属接骨板、骨螺钉、髓内针、脊柱稳定植入物、假体关节等。由于被归类为高价值的医疗消耗品，且长期存在患者体内，对人体的健康和生命安全至关重要，价格往往相对较高。根据中国医疗器械的分类管理制度，这些植入器械通常被划分为第三类医疗器械。

刚性需求确认了，市场前景几何？根据南方医药经济研究所数据，按照收入口径计算，我国骨科植入医疗器械的市场规模由2015年的164亿元增长至2021年的424亿元，复合增长率达17.15%。 

实际上，骨科植入器械向来是高值耗材的重要细分领域之一，市场规模仅次于血管介入类高值耗材。加之近年来随着中老年人口规模扩大，整体骨科患病风险加大，对骨科疾病手术治疗的需求持续上升，这一市场规模如今还在不断增长当中。

庄茁和团队开始迅速行动。

国产智能设计，从数小时到1分钟的飞跃

在一个传统的骨植入物设计制造过程中，通常包括以下几个步骤。

首先在初始的需求分析中，医生需要根据患者的具体情况，如骨折类型、骨骼结构和健康状况，确定需要的植入物类型和尺寸；

设计阶段，与医院合作的工程师团队使用计算机辅助设计（CAD）软件设计植入物的几何形状和结构，确保与患者的骨骼状况相匹配，需要考虑到生物相容性、力学性能和长期稳定性等方面；

而后是材料选择和原型制作环节，在选择合适的生物兼容材料，如钛合金、不锈钢或生物可降解材料以后，工程师团队需要利用数控加工（CNC）或3D打印技术制作出植入物的原型……还有测试评估、制作、消毒等后续步骤。

过程中一个最大的难点是设计周期。如前文所描述，传统定制骨植入物制造需经历医学影像分析、CAD建模、CAE模拟分析以及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，且设计周期通常就需要1-7天，再加上模拟分析、制造和验证等时间，对于部分尤为注重时效的急重创伤性损伤的治疗造成一定滞后，易增加患者截肢概率。

对于庄茁和团队而言，尽管找准了刚性需求和难点进行突破，市面上却缺乏可对标的同类产品。唯一的方案是全部进行自主创新，讲好从0到1的故事。

EGM陈寒透露，在火速召集了AI、计算机高性能计算等研发成员之后，团队经过72小时封闭敏捷开发，做出了FEMAI/Medical.Bone的初代demo。

效果是惊人的。在第一版的demo中，已经能将定制假体骨的设计过程压缩到3小时左右。

下一步，这个demo被进一步优化。团队做出了一个大胆的决定：重构底层算法。使其能够缩短到3分钟左右的设计周期。

而到了最后一步，团队通过斥巨资升级显卡和GPU等设备，弥补硬件侧的不足，做到了在1分钟的时间里，成功实现基于医疗CT影像的钛合金或镁合金股骨远端骨修复体设计。

“FEMAI/Medical.Bone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。”

缺损部位镜像CT影像切片及智能设计结果可视化展示

36氪了解到，团队目前正在进行服务器迁移、显卡升级等动作，待测试完成之后，整个设计周期能够缩短至40秒左右的更加理想范围。

清航飞迈AI技术首席、清华大学副教授由小川介绍告诉36氪，FEMAI/Medical.Bone以AI先进计算驱动设计建模，让骨修复体设计实效实现从数天到1分钟以内的百倍效率提升，全球范围来看都是“一次非常具有颠覆性和原创性的技术革新”。

通过深度学习和强化学习等人工智能技术，FEMAI/Medical.Bone可以从患者的CT影像生成个性化的骨植入器械3D打印模型，这无疑将大大缩短设计时间和降低成本。

除此之外，FEMAI/Medical.Bone设计出的方案也更为适配人体内部环境。由于具备出色的力学性能，通过精准的形态学和力学参数计算设计出与自然骨匹配的个性化人工骨，从而避免骨质增生、肌肉萎缩等不良反应，提高患者的康复效果。

这些与庄茁在计算力学领域的科研功底密切相关。早在1997年，他就将ABAQUS软件引入中国，为国内非线性有限元发展提供重要平台，他培养了一大批能够应用非线性有限元的研究生和工程师，三十多年来，在力学教育和科研领域做出难以计数的贡献。这也就不难理解，为何团队能在4年左右的时间里就“捣鼓”出骨缺损重建的颠覆性技术。

如今，科研端的技术回馈在市场实践中形成闭环，推着清航飞迈在智慧医疗的土壤上，落下第一个脚印。

从科研到市场，FEMAI/Medical.Bone想做什么？

对于清航飞迈而言，FEMAI/Medical.Bone所取得的技术进展，对应的是更为深层的意义——团队能够进行辅助器械定制化设计领域的规模性商业化落地尝试。

这条产业链上，站着医院、设计平台、3D打印制造商三个核心角色。发展到今天，清航飞迈已然是中间的关键一环，通过发挥自身智慧设计的巨大优势，由点到面，让骨缺损医疗产业转型之路走得更为丝滑、迅速。

据了解，FEMAI/Medical.Bone依托自有的“松质骨建模方法、装置、存储介质及电子设备”专利，率先突破从低分辨率CT影像重建高精度骨结构的难点，解决了松质骨非均质各向异性力学性能精准测试问题，并在此基础上建立起人体骨医学影像-力学性能数据库。

这意味着，前端的医院场景中，骨科医生在为患者进行方案设计后，相关数据能够留存后台，为后续的软件优化提供更为全面的案例细节。

现场的演示环节，36氪观察到，FEMAI/Medical.Bone的操作极为便捷，且运行丝滑，对硬件设备的要求并不高。“任何一个普通的骨科医生都能够快速上手。”团队认为，先进的科研技术应当走入寻常百姓家，为更多普通患者带来治疗希望，因此在设计时，在各个环节都考虑到使用门槛的降低，便于日后在更多医院内进行推广。

智能设计系统通过Hu值切分法分离需设计骨组织结构

后端的制造环节，清华飞迈选择与国内领先的3D打印厂商爱康医疗合作，后者在2009年就首家引进3D打印技术用于骨科植入物研发，在骨科植入物行业深耕已久。

之所以选择以3D打印的方式进行生产，是因为团队经过衡量后，发现和传统的医疗过程相比，增材制造的最大优点在于打印机所处位置比较灵活，且对场地规模没有硬性要求。“一个比较小的厂房就可以完成整个制造工艺。”负责人说道。此番与爱康达成合作，强强联合，无疑能够为清航飞迈的产业化之路带来1+1＞2的效果。

截止到目前，FEMAI/Medical.Bone仍然是骨植入物设计这一垂直领域里用时最短、方案最为人性化的平台。百倍效率提升、力学性能匹配、端到端生成三大核心优势构建出了短期内难以被逾越技术护城河。

这是一个足够高效，也足够鼓舞团队的作品。“FEMAI/Medical.Bone的出现将推动骨科医疗资源的优化配置，推动骨缺损医疗产业的转型升级。我们期待看到它在未来的临床应用中发挥更大的作用。”由小川说道。

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

眼下，FEMAI/Medical.Bone已经完成多批次动物试验，并与北京三院骨科合作，在临床领域逐步开始实际应用。庄茁与团队习惯于与院方定期进行反馈交流，“每个月抽一天时间专门用来讨论遇到的问题”。在不断的技术打磨和迭代中，他们希望FEMAI/Medical.Bone能够为医生和患者带来更为高效的治疗方案。

不仅如此，材料端，团队也开始着手寻求突破，尝试设计打磨出镁合金方案代替原有的钛合金方案。这是因为镁合金能够在骨细胞“爬进去”的过程中实现降解，随着代谢过程在患者体内直至消失。“一个最简单的例子，如果是镁合金植入，以后过安检的时候仪器也不会响了。”陈寒打了个比方解释道。

善出奇者，无穷如天地，不竭如江河。在清航飞迈的故事里，辅助器械定制化设计只是其在赋能智能制造产业的路上迈出的第一步。从更大的角度而言，后续，技术路线将拓展辐射至牙科等领域，形成“技术-产品-商业-技术”的闭环。

文章来源于“蚩梦”