CN106257536B - 用于创建患者特定的医疗物件的生产模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于创建针对患者特定的医疗物件(41)的生产模型(2)的方法(1)，其中关于身体区(14)的图像数据(6，8)被供应，在图像数据(6，8)中区域(10，12)被分割，每个区域对应于不同组织的结构(11，13)，凭借与结构(11，13)对应的区域(10，12)，多个形状特征(18)针对医疗物件(41)而被确定，形状特征(41)与关于多个存储的物件的数据集合(22)的形状数据(24)相比较(28)，基于形状特征(18)与形状数据(24)的比较(28)，医疗物件(41)的原型(34)被指定，并且医疗物件(41)的原型(34)被定义为生产模型(2)，并且生产模型(2)被存储在数据载体(36)上和/或经由接口(38)输出。

Description

用于创建患者特定的医疗物件的生产模型的方法

技术领域

本发明涉及一种用于创建针对患者特定的医疗物件的生产模型的方法，其中关于身体区的图像数据被准备，区域在图像数据中被分割，这些区域在每种情况下对应于不同组织的结构，并且其中植入体的形状凭借与这些结构对应的区域而被定义。

背景技术

对于植入辅助或医疗植入体的生产理想的是具有用于高效率的尽可能高的自动化程度并且实现与相应的患者的骨骼的个体环境尽可能良好的对准，该先验地产生了完整的生产自动化的障碍。对于患者特定的骨骼对准的愿望在这样的情景下应用于不同植入体，如用于整形外科手术的骨植入体、间盘(disk)置换或软骨结构。

在此，植入体与周围组织结构的具体的患者特定的对准可以防止植入体到组织中不充分的整合以及因此由于其所导致的应力产生的植入体的磨损。相似地，可以减小由在参与相互作用的组织结构上的植入体造成的不理想的影响，这有助于防止该植入体造成的炎症、磨损、结石和物理磨损反应。

由DE 10 2006 047 054 A1中已知的方法是，针对下颌区域的植入体支架可以以患者个体的方式被生产。在此，患者数据集合首先由来自受影响的下颌部分三维图像获取，并且植入体支架的规划基于该患者数据集合而被实施。该规划随后被转换为规划数据集合，其被传输到计算机控制的生产方法(例如为3D打印过程)以用于植入体支架的最终生产。

通过来自三维图像数据的患者数据集合的医疗植入体的或可比较医疗物件的这种患者特定的生产首先是复杂的，因为单独的规划过程需要针对要基于图像数据而被生产的每个物件进行。除此之外，仅有图像数据可用于规划物件并且通常没有任何进一步的医疗信息。然而，尤其针对植入体，要在其中插入植入体的身体区的空间分辨率本身(例如，没有关于治疗过程等的附加医疗数据)通常不是完整地整合植入体以及治愈患者的积极进展的充分结论。在此，强化的疗后护理可导致用于进行后续治疗的医生的进一步成本。

发明内容

因此，本发明根本的问题是提供一种用于创建针对患者特定的医疗物件的生产模型的方法，其有助于植入体与围绕该植入体的组织结构的患者特定的骨骼环境的理想对准，并且同时间允许优化的生产效率。

以上问题通过用于创建针对患者特定的医疗物件的生产模型的方法而被解决，其中关于身体区的图像数据被提供，区域在图像数据中被分割，这些区域在每种情况下与不同组织的结构对应，通过与这些结构对应的区域针对医疗物件的多个形状特征被定义，形状特征与有关多个存储的数据集合的形状数据进行比较，基于形状特征与医疗物件的原型的比较，并且医疗物件的原型被定义为生产模型，并且生产模型被存储在数据载体上和/或经由接口输出。本发明的优点的变体(其本身是部分有创造性的)在从属权利要求中、在下面的说明书中被陈述。

患者特定的医疗物件特别被理解为植入体以及实施方式或者用于植入体的定位辅助。在此，该方法可以优选地通过包括与数据载体和/或接口的数据链路的计算机而被实施。在该情况下优选的是提供有关于医疗物件意图用于其的身体区的图像数据。特别地，图像数据还可以以时间分解的方式表示身体区，例如心脏运动的动态表示，若医疗物件如要被提供作为在冠状血管中的支撑结构或者作为心脏瓣膜。

对于分割，可能的是查询地标(landmark)，其尤其还可以被手动地设置。分割还可以通过学习算法得以支持，例如使得图像数据到具有已知式样的区域的分类发生用于分割，并且最初不能对应于已知式样的区域被手动分类，其中式样辨识“学习”相关的分类。

形状特征例如可以在此被定义为相对于与分割的区域对应的结构的表面的负形状。为了该目的，尤其是与在图像数据中被分割的区域对应的结构的表面可以被计算。尤其是用于识别图像数据中的形状特征，可以识别与在植入之后与其毗连的划定结构对应的区域(例如在医疗物件包括植入体的情况下)。为了该目的，形状特征例如可以涉及表面的性质、表面中旨在被填满的凹进的体积和/或空间延展，然而，或涉及结构与另一结构的角度。为了确定形状特征，地标还可以被查询，其尤其还可以被手动地设置。

同一时间，本发明作为其出发点是考虑到医疗物件的非患者特定的对准(该医疗物件诸如举例而言是利用身体区的个体骨骼环境的植入体或植入辅助)最可能通过查询关于患者的相关身体区的图像数据而被实施。在此承认的是，身体区的空间分辨率(其经由图像数据可用)可以被直接用于定义医疗物件的形状，如果在图像数据中在每种情况下均与不同组织的结构对应的区域可以被分割的话。通过个体区域的分割，身体区的模型可以被草拟，其允许通过向在意图用于医疗物件的区域中与其相关的位置信息指派个体像素而定义医疗物件的形状。通过经由关于来自图像数据的像素的位置信息而定义医疗物件的该种类的几何特征，形状可以附加地易于将生产模型转换为数据格式，其能够由生产机器直接读取，使得其可以直接生产植入体。

在进一步的步骤中，现在意识到的是针对医疗物件的形状的确定可以不仅基于图像数据而被进行或形状的对准可以基于图像数据而被获取，而是针对每个具有相似形状但又可能以患者特定的方式被修改的医疗物件(其可以在多个患者治疗中找到用途)，与针对具有相同标识的医疗物件的其他样品的数据做出比较是可能的。

为了该目的，针对医疗物件的形状特征基于与结构对应的区域而被获取。这些形状特征与可以存储在数据库中的来自物件数据集合的形状数据相比较。形状数据是与患者特定的物件的形状特征对应的数据，诸如举例而言，表面几何形状、扩展、体积或甚至患者特定物件与相关身体区中的邻接结构之间的局部角度。物件数据集合优选地需要在该情况下根据具有与医疗物件相同标识的物件而被布置，即例如为“椎骨”或“间盘”。

在该情况下，物件数据集合可以在其形状数据中描述具体医疗物件，并且可选地通过诸如针对之前的医疗应用的患者特定设计的那些的进一步信息并且例如用作植入体。物件数据集合随后在每种情况下与针对具有与旨在被生产的医疗物件相同的标识的物件的形状数据相联。因此，利用该比较，可以产生与用于每种情况的数据库中存储的形状数据的联系，其中关于存储的物件的形状数据可以附加地补充有进一步的医疗信息。

作为其结果，首先针对医疗物件的形状的确定被加速并且简化以便于生成生产模型，由于在一方面没有结论性的形状原型可以由图像数据中的分割区域获取，但其足以识别针对与存储在物件数据集合中的形状数据的比较所需的形状特征。在原型中的集合数据(其要被提供用于充足分辨率的医疗物件的最终生产)因此并不必须由图像数据直接获取，但可以从存储的物件数据集合中的已经存在的形状数据取得，其中该选择可以通过以患者特定的方式的图象数据确保。

除此之外，针对形状的选择，存储在物件数据集合中的信息可以被附加地查询，该数据可以类似地例如考虑治疗进展或并发症。这样的信息本将不会在规划医疗物件时可用。为了使得该信息有用，通过使用具有与要被生产的物件相同的标识的医疗物件而提供的实际治疗情景与当前的医疗情况进行尽可能可观及有效的比较，其实际上通过当前情况中的形状特征的标识以及通过其与存储的数据集合中的形状数据的比较而被实现。

而且，存储的形状数据可以附加地通过机器学习而被计算，其中针对学习过程的输入数据可以既基于临床病例也基于数值模拟。包括物件数据集合的数据库可以被局部地存储并设计为经由网络可更新或者被设计为中央数据管理，使得“云”可以经由“客户”激活。

其证明了如果所示的身体区的模型可以从图像数据的分割区域产生则是有利的。在此，分隔的区域与不同组织的结构对应。模型特别是所示的身体区的数据模型，其被查询以确定结构的形状特征。为了该目的，使用尽可能复杂的信息的在图像数据中所示的身体区的模型可以特别合适，因为最终不仅结构的形状参数本身，可选的结构与彼此也相互作用，压力或应力可以以患者特定的方式被确定。作为其结果，避免由针对医疗物件的标准化生产模型导致的缺点是可能的，诸如并未在植入体中被优化地对准的力向量，其将具有在周围组织上的影响并因此导致永久应力，对应的结果诸如是过敏或炎症。

在本发明的有利实施例中，图像数据由每种具有不同模式(modality)的至少两种医疗成像方法提供，并且其中第一图像数据的集合由第一模式生成并且第二图像数据的集合由第二模式生成。特别地，该至少两个医疗成像方法的每个具有关于不同身体组织的各种结构的不同分辨率，使得尤其是第一图像数据提供针对至少多个第一结构的特别高的分辨率，并且第二图像数据提供针对至少多个第二结构的特别高的分辨率。分辨率的质量例如可以通过信噪比或图像对比度而提供。特别地，该至少两种医疗成像方法在此包括MRT和CT，使得具有在MRT中的高分辨率的结构包括软组织并且具有在CT中的高分辨率的结构包括骨组织。为了能够确定医疗物件到周围结构(其可由不同类型的组织构成)的整合，这是有利的。

而且，作为其结果，存在用于创建关于对在每种情况下在针对所用的模式的每种情况下具有特别好分辨率的那些结构的任何损害的生产模型可用的信息，其针对治愈过程或者针对在植入体作为医疗物件的情况下的长期使用可以是有利的，因为在植入体的不充分对准的情形中诸如在骨上的摩擦之类的可能的组织损害可导致植入体本身的磨损以及周围组织的发炎。

在此的权宜特征在于对应于结构的多个区域在第一图像数据中被分割并且对应于结构的多个区域在第二图像数据中被分割，其中所示的身体区的模型由第一图像数据中的区域和第二图像数据中的区域创建。通过使用来自不同模式的图像数据，身体区的模型可以以特别准确的细节表示利用由不同模式造成的在每种情况下的高分辨率所描绘的不同组织的各种结构。其结果是，可以改进形状特征的确定的质量。

方便地，临时形状被确定为针对医疗物件的形状特征。取决于医疗物件的类型，诸如举例为在植入体具有均质体的情况下，形状可表示将其与其他可能的植入体区分开的中心特征。在该情况下，有利的是首先选择针对医疗物件的临时形状，可选地使用在物件数据集合中可用的进一步数据检查它并且可选地根据该数据修改临时形状，并且当获得令人满意的结果时，有利的是将其发布为医疗物件的原型。

在本发明的有利实施例中，医疗物件的原型被定义，从所存储的物件数据集合选择的预定义模板，并且模板使用形状特征以患者特定的方式而被修改。特别地，模板可以与相应的身体区的患者特定的数据模型叠加并且使用分割的区域而被对准。利用在屏幕上的图形显示的至少部分手动的对准也被包含在此。与患者的骨骼独立对准的预定义的模板的使用考虑到相同类型的植入体通常从由平均骨骼确定的基本形状偏离仅几个百分点(关于植入体的总体积)。然而，这些偏离对于在患者的身体区中的植入体的正确医疗功能通常是关键的。

而且，这样的基本形状作为模板的使用以及其适用使得用较少计算量设计形状的定义成为可能，因为现在仅保持与待被计算的基本形状的患者特定的偏离而不再是完整的植入体。由于模板的选择例如可以经由简单的式样辨识而接续，这使得将形状定义的计算密集的部分限制为植入体的体积的仅仅一小百分比成为可能。

在本发明的进一步有利的实施例中，关于之前的植入体的存储的医疗信息可以针对形状特征与用于存储的物件数据集合的形状数据的比较而被查询。该附加信息例如可以包括关于在具有由形状数据和/或关于长期后遗症的数据所预定义的形状的植入体的植入的情况下的治疗和/或治愈进展的数据。确切地当规划植入体时，植入体与其在相关身体区中的周围环境的复杂互动必须被加以考虑。即使当对于先验的由形状判断的植入体的有利原型使用高分辨率图形数据时，经常发生的是在规划中涉及的有经验的医生可以不考虑通常仅在数年之后由于运动和应力的结果而出现的所有可能的后续并发症。早在植入体规划阶段，这样的治疗相关的统计数据的自动获取因此可以有助于改进涉及植入体的成功治疗的机会。

证明为有利的是，原型通过形状特征与来自所存储的物件数据集合的形状数据的比较而被提出，并且已经提出的原型由来自用户的确认而被定义为医疗物件的原型。在此，特别的是建议可以被自动化，即例如通过已经访问物件数据集合的计算机而接续。该相互作用可观地简化了原型的确定，因为用户(例如医生)被置于简单的、二元决策之前，从而基于已经做出的诊断而确认提出的、完成的针对原型的几何形状，或者不接受它。另一方面，实际上存在拒绝提出的原型的选项，并且给出医生机会来参与到确定原型患者个体的附加信息，特别是针对可能没有关于之前治疗的充足的统计数据的情况。

方便地，来自相应不同的所存储的物件数据集合的多个形状数据的几何组合针对医疗物件的原型的确定而被查询。取决于区域，如果已经被确定的形状特征在每种情况下获得与针对相应不同的物件数据集合的形状数据的特别好的匹配，当将相关的机器可读构造数据存放在物件数据集合中时或当将形状数据转换为机器可读构造数据时，针对医疗物件的原型的该形状数据与最终针对生产模型的组合可有助于简化及加速针对医疗物件的生产过程。

针对医疗物件的原型，关于材料特性和/或密度和/或表面特性的空间分布优选被列入考虑。在此，表面特性还包括附加的表面涂层(例如具有抗生作用)以用于在发炎区域植入。关于密度或材料特性的空间分布的信息特别对于生产在其中非均质设计可导致更好耐用性或针对患者改善的治疗成功率的植入体是有利的。这对于例如应力不在跨植入体的整体上相等分布的间盘植入体或骨植入体是可以构想的。

本发明进一步公开了被装配以实施前述用于创建生产模型的方法的装置。特别地，这包括可以尤其装配有至少一个设计用于该目的的ASIC的数据处理器或计算机。针对该方法所列的优点和其进一步开发可以通过与该装置的类比而被应用。

本发明进一步公开了一种计算机程序，其具有用于在计算机程序在计算机上运行时实施前述用于创建生产模型的方法的编程代码。

本发明进一步公开了一种用于生产医疗物件的方法，其过程步骤首先包括通过前述方法创建生产模型，其次通过生产模型创建能够由生产装置读取的构造程序，并且再次使用构造程序在生产装置中创建医疗物件，以及类似的患者特定的医疗物件，其已经由这样的方法被制造。在此特别的优点在于可以通过用于以包括植入体的矩阵值三维体积图像的数据格式(例如为CAD文件)创建其的方法输出生产模型。

这样的图像可以针对诸如为3D打印机或铣机之类的多个生产装置被直接地转换为能够由该装置读取的构造程序。例如在3D打印机的情况下，所述程序可以包括对必要于生产的装置的指令，诸如以.stl格式的文件。这保证了被输出的生产模型的高可行性和实际可用性。特别是，当输出采取有利的文件格式时，生产模型的创建可以从医疗物件的物理生产分开，其可有助于生产的简化。

附图说明

本发明的实施例在下文通过附图以更多细节进行描述。附图示出了在每种情况中的示意图，其中：

图1是示出了用于创建针对医疗植入体的生产模型的方法的流程的框图，

图2是示出了根据图1的设计用于生产医疗植入体的方法的流程的框图，

图3是关于脊柱的身体区的第一图像数据，

图4是关于脊柱的身体区的第二图像数据，

图5是来自与根据图3和图4的脊柱的形状特征对应的物件数据集合的形状数据，以及

图6是根据图5的植入体的材料特性的空间分布。

与彼此对应的部件和值在每种情况下由所有附图中相同的附图标记所标记。

具体实施方式

图1以示意性形式示出了用于创建针对医疗物件的生产模型2的方法1的框图，该医疗物件在本示例中由植入体所提供。在现情况下，第一图像数据6的集合和第二图像数据8的集合由两个医疗成像方法CT、MRT供应，其在该情况下由计算机断层扫描CT和磁共振断层扫描MRT所提供。方法1的不同变体(其在此未示出并且其中图像数据仅由一个医疗成像方法所提供)以相似方式进行。在每种情况下，第一图像数据6和第二图像数据8与彼此分割开。这意味着，在个体图像数据中，相关的区域10、12基于在每种情况下描绘相同组织的结构11、13的某些同质准则而被获取。在现情况下，由CT扫描提供的、在第一图像数据6中被分割的区域10与骨组织的结构11对应，因为这利用CT扫描的特别高的分辨率而被示出。由MRT扫描提供的、在第二图像数据8中被分割的区域12相应地描绘了来自相关身体区14的软组织的结构13。

现在从在第一图像数据6中分割的区域10以及在第二图像数据8中分割的区域12建立所描绘的身体区14的虚拟模型16。凭借该模型16和与结构11、13对应的分割的区域10、12，形状特征18现在被建立，其提供关于身体区14的结构11、13的详细几何信息。这些形状特征例如可以包括在结构中的表面几何特征、距离以及角度。在数据库20中存储了多个物件数据集合22。每个物件数据集合22在此对应于已经在不同患者的之前的治疗中在身体中的与用于要在方法1中被建立的生产模型2的植入体相同的位置处被植入的植入体，即例如为间盘。在每个物件数据集合22中，关于在实践中使用的相应植入体的形状数据24被存储，这些数据描述了高分辨率的植入体的几何特征。此外，关于植入、治疗的进行和随后可能的并发症、以及(适用的话)关于在接受该植入的患者的进一步相关信息的附加的医疗信息26被存储。

相对于身体区14的结构11、13所获取的形状特征18现在经历与针对存储在数据库20中的个体物件数据集合22的形状数据24的比较过程28，其中附加的医疗信息26也可以针对该比较28而被查询。基于该比较28，现在从物件数据集合22中选择模板30，该模板用作生产模型2的临时形状32。在此，模板30通过可以基于在具体的物件数据集合22中的形状数据24被定义的植入体的形状而被提供。现在可以由例如医师的用户通过确认33为针对生产模型2的原型34而选择临时形状32，或者附加地，还可以使用患者特定的修改34而被对准。在临时形状32全部都被拒绝的情况下，方法1建议来自不同物件数据集合22的新的模板30，其现在可以被确认并在必要时被修改。植入体的原型34被建立为针对植入体的生产模型2，并且现在可以存储在数据载体36上并且经由接口38输出。

图2以示意性形式示出了根据图1的设计用于生产医疗物件41的方法40的序列的框图。医疗物件41在此包括植入体42。根据在图1中被说明的前述方法1，针对植入体42的生产模型2在特别针对该目的而被设计的计算机43上被创建并且经由接口32而被输出。生产模型2现在被转化为构造程序44，其可以被在此作为3D打印机46提供的生产装置直接读取，例如以.stl格式的文件。3D打印机46现在使用构造程序44创建植入体42，其表示生产模型2的直接实施。

图3和图4两者均以示意性形式示出了在第一图像数据6中和在第二图像数据8中的脊椎的一部分的相同纵向截面，其描绘了两个椎骨50、51和位于其间的间盘54。在图3中所示的第一图像数据6中，两个椎骨50、52可以由高对比度被特别良好地检测到；在图4中所示的第二图像数据8中，间盘54和其后的脊髓56以更好的分辨率被示出。在第一图像数据中，可以在下椎骨52上检测到轻微的凹痕58，这表示从通常预料在一般人中相同椎骨的形状60的轻微的偏离。通常被预料的该形状60为清楚起见以虚线画出并且其不表示图像数据的成分。凹痕58可能是先天性的或可能是由于数年来不正确的姿势或磨损导致的应力的结果而发生。在第二图像数据8中，在凹痕58附近可能检测到脊髓56途经椎骨50、52。椎骨50、52的在间盘54的边界上的表面62、64以及类似地特别是凹痕58在此被包括在形状特征18中，其由图像数据6和8获得以用于进行根据图1的方法1。

图5以示意性形式示出了在纵向截面图中关于物件数据集合22的形状数据24，其对应于在图3和图4中所示的间盘54的形状特征18。形状数据24示出了用于具有在底侧上的突起68的间盘的植入体42。由于突起68，底侧66确切地对应于图3和图4中所示的椎骨52的表面64的负形状。没有该突起68的植入体具有直的底侧，其过程对应于与通常被预计的形状60对应的过程，其并不针对图1中所示的用于创建生产模型的方法的进一步发展而被查询。

图6以示意性形式示出了在纵向截面图中的植入体42中的材料特性的空间分布70，其可以与根据图5的物件数据集合22中的附加医疗信息26一起存储并且待被考虑用于与根据图3和图4的形状特征18相比较。在突起68的区域中(其补充了椎骨52中的凹痕58)，植入体42包括加固72。如没有该加固72，正是在导致表面62、64相对于彼此的楔形位移的脊柱的弯曲74的情况下，由于作为弯曲72的结果的向脊髓56施加的力76，植入体42可被推至过量程度进入凹痕58中。然而，该附加的医疗信息26将不会由根据图3和图4的图像数据6、8本身而变得明显，使得仅查询图像数据的生产模型可能导致可造成作为脱落的结果的长期并发症的完成的植入体。这样的并发症可以通过加固74而被预防，该加固74避免了植入体42由于脊柱的弯曲74而缓慢地脱落。

虽然本发明已经以优选实施例被更详细地示出及描述，但本发明并不由该实施例所限制。其他变体可由此被本领域技术人员衍生而不超出本发明的范围。

Claims (7)

1.一种用于创建针对患者特定的医疗物件的生产模型的方法，所述方法包括：

将与患者的身体区有关的图像数据分割为多个区域，所述图像数据包括由第一成像方法生成第一图像数据子集和由第二成像方法生成的第二图像数据子集，所述多个区域对应于所述患者的所述身体区中的不同组织的结构，所述分割将所述第一图像数据子集分割成第一多个区域并且将所述第二图像数据子集分割成第二多个区域；

基于所述第一多个区域和所述第二多个区域，生成所述身体区的模型；

基于所述身体区的所述模型，确定与所述多个区域中的至少一个区域对应的一个或多个形状特征；

将所述一个或多个形状特征与相关于多个存储的模板的至少一组形状数据进行比较；

如下指定所述患者特定的医疗物件的原型：

基于所述比较从所述多个存储的模板中选择模板，以及

使用所述一个或多个形状特征，修改所选择的所述模板以对应于所述患者的所述身体区；

基于所指定的所述患者特定医疗物件的所述原型，定义所述生产模型；以及

执行以下至少一项：

将所定义的所述生产模型存储在数据载体上，或者

经由接口输出所定义的所述生产模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个特征包括临时形状。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述比较包括确定关于之前的植入体的附加医疗信息。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，还包括对所述原型的确认。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述指定包括确定以下至少一项：所述患者特定医疗物件的材料特性、密度、以及表面特性的空间分布。

6.一种计算机可读介质，包括计算机程序，所述计算机程序具有用于在所述计算机程序在计算机上运行时实施根据权利要求1至5中任一项所述的用于创建针对患者特定的医疗物件的生产模型的方法的编程代码。

7.一种用于创建针对患者特定的医疗物件的方法，其包括以下步骤：

通过根据权利要求1至5中任一项所述的方法而创建生产模型，

使用所述生产模型创建能够由生产装置读取的构造程序，以及

使用所述构造程序创建所述生产装置中的所述医疗物件。

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