CN110325990A - 用于制造物理仿真设备的方法、仿真设备和仿真系统 - Google Patents

用于制造物理仿真设备的方法、仿真设备和仿真系统 Download PDF

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Abstract

一种用于制造位于对象内的感兴趣的内部元素(9)的物理仿真设备的方法。所述方法包括以下步骤：接收成像区域的一个非破坏性测量，确定成像区域(8)的三维模型和所述三维模型的位置中的对象的材料，从所述三维模型生成第一和第二体积模型(18)，在所分配的固有材料特性的基础上计算在预定义的载荷和约束下第一体积模型的变形配置，在第一体积模型的变形配置的基础上向第二体积模型(18)的基本体积元素分配材料，根据具有分配的材料的第二体积模型(18)制造感兴趣的内部元素的仿真设备。

Description

用于制造物理仿真设备的方法、仿真设备和仿真系统
技术领域
本发明涉及能够对对象的机械特征(mechanical behavior)进行仿真的物理仿真设备。
本发明还涉及这样的物理仿真设备的制造，具体地，涉及多材料仿真设备的制造。
背景技术
本发明具体是关于能够对诸如异质对象或者具有复杂机械特征的均质对象的复杂对象的机械特征进行仿真的物理仿真设备，其中，在不依赖于若干基础材料的组合的情况下难以在制造的对象中再现复杂对象。
在其他领域中，本发明能够应用在外科培训和医疗设备研发测试中。
就其最直接的意义而言，本发明涉及训练外科医生使用活组织的物理仿真设备执行操作。
在历史上，已经通过主要在医院环境中提供的学徒制来训练医学生。居民在更有经验的外科医生的监督下进行手术。呈现给受训外科医生的情形的类型很大程度上是被偶然驱动的，因为在患者身上发现需要外科手术的情形的性质和时间不受任何人的控制。因此，这个使用由人类患者的临床服务呈现的情形流的模型不提供用于直至掌握之前的重复的可靠模型。
作为学徒制的补充或替代，学生和外科医生因此经常在包括活体动物器官和人体尸体器官的生物仿真器上练习他们的技能。
活体动物包括，例如，犬、猪、或牛标本。像住院手术那样，它们提供了在体内环境中进行手术的可能性。然而，动物模型存在很多问题，包括人类和动物解剖学和生理学之间的许多偏差，个体动物之间的差异的混杂效应，以及使用极其复杂的模型所引起的不可预测性。此外，通常需要专门和昂贵的设施来获得动物，并且诸如动物福利的额外考虑因素强烈限制了动物作为训练外科医生的模型的使用。
一种选择是使用已经利用液压、再灌注和计算机编排来复活(re-animated)，然后被放置在人类等效模型中的来自人类尸体的死器官，例如，如WO2012/0510533、美国专利No.7,7910,1015、美国专利No.6,336,1012、或者美国专利No.5,951,301中所描述的。虽然尸体组织提供了解剖几何的精确表示，但是所需的化学保存极大地改变了组织的局部物理参数，并且通常不能充分仿真生物温度和流动。此外，难以获得和维持有用的量的受试者。
在开发任何新的医疗设备期间会出现类似的问题，在该开发期间官方机构要求对所述设备的合格性进行各种测试，通常涉及对设备与人体组织或动物组织之间的相互作用的分析。
为了克服这些问题，已经设计了替代的仿真设备，其主要涉及：
-医疗仿真器，其涉及在具有类似于真实外科手术过程的触觉反馈接口(例如类似导管的输入单元)的计算机上仿真外科手术过程，以及
-物理地再现器官的台式设备。
计算机仿真受到其推导中做出的假设和计算机的计算能力的限制，这极大限制了仿真的几何形状，因此，这极大限制了能够仿真的外科手术的类型(实际上，限于内窥镜手术)。这种计算机仿真的一个示例可以在欧洲专利申请第2 899 711号中找到。
本发明找到了关于最新类别的仿真设备的一种应用：物理地再现活组织的台式设备。
历史上，台式仿真设备已经通过模制和组装由工程材料(例如石膏，塑料硅)制成的元素来制造。
虽然这些传统模型能够提供相当准确的解剖几何表示，但是它们的物理特性通常不能代表实际使用条件，因此，它们不能为生物组织提供可靠的模型。
最近，已经公开了台式仿真设备，在所述台式仿真设备中开发了特殊设计的材料，其具有更接近活组织的生物力学特性的机械特征。
模拟骨骼、肌肉和肌腱组织的这样设计的材料的示例在美国专利申请No.2007/0166670或者美国专利No.8,388,351中给出。
这些台式仿真设备仍然显示出限制其有用性的许多缺点。
首先，由这些特殊设计的材料制成的元素仍然必须独立制造，然后组装在一起以构建仿真设备。这样的过程限制了每个元素的最小尺寸，因为身体器官可以小到几十微米宽。
这样的过程也导致相当长的制造时间。因此，台式仿真设备必须根据标准设计来制成，并且不能被个性化以训练外科医生对特定患者要进行的特定操作。
此外，活体的一小部分的生物力学特征与其周围环境和邻近器官紧密相关。例如，在放置在动脉中(例如，作为血管内主动脉修复的一部分)的手术支架的压力下的主动脉的变形受到主动脉附近的脊柱骨的存在的强烈影响。另一个示例是在腕部骨折手术操作期间拉动的腕部肌腱的机械变形，该变形受到肌腱的整个长度的影响。
因此，真实的台式仿真设备必须再现围绕感兴趣区域的身体的大部分并且必须包括大量元素以便提供真实的生物力学特性。因此，增加了制造的成本、持续时间和难度。
另一种替代方案被示出在美国专利申请No.2014/0312535中，其公开了一种用于从体积测量重建身体部位的系统和方法。在这种方法中，基础材料与测量的每个体素值(例如CT扫描的密度信息或MRI采集的H原子浓度)相关联，并且由所得到的材料组合生产仿真设备。
不幸的是，身体的各个部分可能呈现相似的密度或H原子浓度但不具有相同的机械特征。
此外，与先前描述的台式模拟设备一样，真实的重建的身体部分将必须再现围绕感兴趣区域的身体的大部分以提供真实的生物力学特性，这再次增加了制造的成本、持续时间和难度。
本发明在其他优点之外旨在减轻这些缺点。
更通俗地，本发明旨在提供会更好地训练医疗从业者进行手术操作并且会允许更好地测试和开发医疗设备的方法和装置。本发明还旨在提供允许对将在特定患者上进行的特定操作的个性化仿真的方法和装置。
除了医学测试和医学训练领域之外，本发明能够应用于其中再现位于对象内的感兴趣的内部元素的机械特征的物理设备必须以非侵入或微创方式制造的任何领域。
发明内容
为此目的，本发明的第一目的是一种用于制造位于对象内部的感兴趣的内部元素的物理仿真设备的方法，该方法至少包括以下步骤：
接收位于对象内的成像区域的至少一个非破坏性测量，所述成像区域包括对象的感兴趣的内部元素，
从所述至少一个非破坏性测量，确定成像区域的三维模型和至少一个对象材料类别指示符，所述至少一个对象材料类别指示符表示在三维模型的至少一个位置中的对象的材料，
从所述三维模型生成第一体积模型和第二体积模型，所述第一和第二体积模型分别被划分成多个基本体积元素，
基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，将在固有材料特性的数据库中选择的固有材料特性分配给第一体积模型的每个基本体积元素，
基于所分配的固有材料特性，计算在第一组预定义的载荷和约束下第一体积模型的变形配置，
基于第一体积模型的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型的至少一个基本体积元素，
根据具有所分配的材料的第二体积模型制造感兴趣的内部元素的仿真设备。
在一些实施例中，人们还使用以下特征中的一个或多个：
-将材料分配给第二体积模型的每个基本体积元素的步骤包括以下操作：
定义分别与第二体积网格的每个基本体积元素相关联的来自仿真材料的数据库的材料的组合，
计算在第二组预定义的载荷和约束下的第二体积模型的变形配置，第二体积模型的每个基本体积元素已被分配与为所述基本体积元素定义的材料相关联的固有材料特性，
计算第二体积模型的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的位移误差函数，
基于位移误差函数更新材料的组合，直到满足收敛标准；
-计算所述第二体积模型的变形配置与所述第一体积模型的变形配置之间的位移误差函数包括：计算第二体积模型的至少一个基本体积元素和第一体积模型的至少一个相关联的基本体积元素之间的距离；
-第一体积模型被划分为：
内部元素区域，其对对象的感兴趣的内部元素建模，和
周围区域，其对围绕内部元素的对象的附加部分建模；
-第二体积模型包括对所述仿真设备的操作部分建模的设备区域；
-第二体积模型被划分为：
所述设备区域，其对仿真设备的操作部分建模，
支撑区域，其对仿真设备的物理支撑建模，
以及可选地，在设备区域和支撑区域之间的中间区域，其对仿真设备的设备接口建模；
-第二体积模型的设备区域的每个基本体积元素分别与第一体积模型的内部元素区域的至少一个基本体积元素相关联，
并且，基于第一体积模型的内部元素区域的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型的设备区域的每个基本体积元素；
-在第一体积模型的内部元素区域的变形配置与第二体积模型的设备区域的变形配置之间计算位移误差函数；
-分配给支撑区域的每个基本体积元素的材料是预定义的并且在该方法的操作期间保持相同；
-基于所述第二体积模型的所述设备区域以及可选地第二体积模型的所述中间区域一起，制造所述仿真设备；
-制造所述仿真设备的步骤至少部分地通过利用所分配的材料对第二体积模型的增材制造来执行；
-仿真材料的数据库包括多个3D打印材料，并且可选地，包括附加的不可打印材料，诸如水、凝胶、金属、离子、陶瓷、生物分子等等；
-成像区域的三维模型包括至少一个表面网格，所述表面网格表示所述对象的内部元素的对象界面，具体地，与对象的物理特性的不连续性相关联的对象的界面；
-通过执行有限元体积模型生成从所述三维表面网格生成所述第一体积模型；
-第二组预定义的载荷和约束包括所述对象的所述对象界面上的载荷；
-所述对象是活组织；
-通过以下方式确定表示所述三维模型的位置中的所述活组织的材料的对象材料类别指示符：
执行对测量的拓扑分割以标记包括所述三维模型的所述位置的活组织的器官，
基于所述器官标记、另外提供的关于活组织的元数据、以及可选地通过至少一个非破坏性测量获得的在所述位置处的活组织的局部物理参数，确定所述对象材料类别指示符，
具体地，所述另外提供的元数据包括所述活组织所属的用户的年龄和性别；
-基于所述对象材料类别指示符选择的所述固有材料特性是建模活组织的生物力学特征的非线性粘弹性函数；
-所述方法是非侵入性的或微创的；
-将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给所述第二体积模型的至少一个基本体积元素包括至少以下步骤：
a)定义第二体积模型的基本体积元素的簇，
b)通过最小化通过计算在第二组预定义的载荷和约束下第二体积模型的至少一个变形配置而确定的所述簇的成本函数来在对象材料的数据库中选择簇对象材料，所述簇的至少一个基本体积元素已被分配与对象材料的数据库的材料相关联的固有材料特性，
c)基于所述簇的变形配置，将所述簇的基本体积元素划分为至少两个子簇，
d)对于所述至少两个子簇中的每一个重复至少一次步骤b)，和
生成用于从第二体积模型和分配给第二体积模型的每个基本体积元素的材料制造对象的3D模型；
-所述成本函数是所述簇的变形配置和所述第一体积模型的变形配置的函数；
-步骤b)包括计算与所述对象材料的数据库的至少一个材料相关联的所述第二体积模型的变形配置成本函数的操作b1)，所述操作b1)包括：
bl-1)将与所述材料相关联的相同的固有材料特性分配给所述簇的每个基本体积元素，
bl-2)确定在第二组预定义的载荷和约束下第二体积模型的变形配置，
b1-3)计算与所述材料相关联的所述簇的成本函数，所述成本函数是所述簇的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的应变误差的函数；
-针对对象材料的数据库的M个材料的子集中的每个材料执行计算第二体积模型的变形配置成本函数的所述操作b1)，
并且步骤b)还包括通过比较针对在对象材料的数据库的所述材料的子集中的每个材料计算的成本函数，在对象材料的数据库中选择簇对象材料的操作b2)；
-对象材料的数据库的M个材料的有序子集与第二体积模型的簇相关联，
并且所述有序子集的材料根据所述材料的物理特性排序，具体地，根据所述材料的刚度排序；
-针对对象材料的数据库的M个材料的有序子集中的预选材料执行计算第二体积模型的变形配置成本函数的所述操作bl)，并且步骤b)进一步包括以下操作：
b2)将所述成本函数的函数与终止标准进行比较，以确定是否能够选择所述预选材料作为簇对象材料，
b3-l)如果能够选择所述预选材料作为簇对象材料，则执行步骤c)，
b3-2)如果不能选择所述预选材料作为簇对象材料，则通过将所述成本函数与方向标准进行比较，来预选对象材料的数据库的所述M材料的子集中的另一材料，并将操作b1)至b3-l)、b3-2)重复至少一次；
-第二体积模型的所述簇的每个基本体积元素分别与所述第一体积模型的至少一个基本体积元素相关联；
-步骤c)包括将所述簇的变形配置中的至少一个基本体积元素的位置与第一体积模型的变形配置中的至少一个基本体积元素的位置进行比较的操作c1)；
-将簇的基本体积元素划分为至少两个子簇的步骤包括：对于所述至少两个子簇中的每个子簇，基于簇的变形配置，确定与所述子簇相关联的对象材料的数据库的材料的子集的操作c2)；
-重复步骤b)和c)，直到每个子簇包括单个基本体积元素；
-重复步骤b)和c)，直到所述对象的第二体积模型的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的差异满足收敛标准。
本发明的另一个目的是一种仿真设备，其特别用于再现在一组预定义的载荷和约束下活组织内的器官或器官的一部分的至少机械特征，所述器官或器官的一部分位于活组织内并且被活组织的附加部分围绕，
仿真设备再现所述器官或器官的一部分的拓扑，但不再现所述活组织的所述附加部分的拓扑，
仿真设备的材料使得在所述一组预定义的载荷和约束下仿真设备的变形配置类似于在所述一组预定义的载荷和约束下被所述活组织的附加部分围绕的器官或器官的一部分的变形配置。
在一些实施例中，人们还可以使用以下特征中的一个或多个：
-所述仿真设备通过以下步骤生产：
接收位于活组织内的成像区域的至少一个非破坏性测量，所述成像区域包括活组织的器官或器官的一部分，
从所述至少一个非破坏性测量确定成像区域的三维模型和至少一个对象材料类别指示符，所述至少一个对象材料类别指示符表示在三维模型的至少一个位置中的对象的材料，
从所述三维模型生成第一体积模型和第二体积模型，所述第一和第二体积模型分别被划分成多个基本体积元素，
第一体积模型被划分成：
对对象的感兴趣的内部元素建模的内部元素区域，以及
对围绕内部元素的对象的附加部分建模的周围区域，
第二体积模型，包括对仿真设备的操作部分建模的设备区域，
第二体积模型的设备区域的每个基本体积元素分别与第一体积模型的内部元素区域的至少一个基本体积元素相关联，
基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，将在固有材料特性的数据库中选择的固有材料特性分配给第一体积模型的每个基本体积元素，
基于所分配的固有材料特性，计算在第一组预定义的载荷和约束下第一体积模型的变形配置，
基于第一体积模型的内部元素区域的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型的设备区域的至少一个基本体积元素，
根据具有所分配的材料的第二体积模型制造感兴趣的内部元素的仿真设备；
-仿真设备的材料包括至少两个不同的3D打印材料，以及可选地，包括附加的不可聚合材料，诸如水、凝胶、金属、离子、陶瓷、生物分子等。
本发明的再一个目的是一种感兴趣的内部元素的仿真系统，包括：
具有至少一个槽的物理支撑，
如上详述的感兴趣的内部元素的仿真设备，能够插入物理支撑的所述至少一个槽中，
仿真设备的材料使得在所述一组预定义的载荷和约束下插入物理支撑的所述至少一个槽中的仿真设备的变形配置类似于在所述一组预定义的载荷和约束下被所述活组织的所述附加部分围绕的器官或器官的一部分的变形配置。
本发明的再一个目的是一种用于制造位于对象内部的感兴趣的内部元素的物理仿真设备的装置，所述装置包括：
通信单元，其可操作以接收对位于对象内的成像区域的至少一个非破坏性测量，所述成像区域包括对象的感兴趣的内部元素，
存储器单元，其可操作以存储固有材料特性的数据库和仿真材料的数据库，
处理单元，其可操作以
从所述至少一个非破坏性测量确定成像区域的三维模型和至少一个对象材料类别指示符，所述至少一个对象材料类别指示符表示在三维模型的至少一个位置中的对象的材料，
从所述三维模型生成第一体积模型和第二体积模型，所述第一和第二体积模型分别被划分成多个基本体积元素，
基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，将在固有材料特性的数据库中选择的固有材料特性分配给第一体积模型的每个基本体积元素，
基于所分配的固有材料特性，计算在一组预定义的载荷和约束下第一体积模型的变形配置，
基于第一体积模型的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型的至少一个基本体积元素，和
制造单元，其可操作以根据具有所分配的材料的第二体积模型制造感兴趣的内部元素的仿真设备。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从以下作为非限制性示例提供的若干实施例和附图的描述容易地显现。
在附图中：
-图1示出了具有感兴趣的内部元素、附加部分和成像区域的对象，
-图2A示出了在制造用于仿真冠状血管成形术过程的仿真设备的情况下成像区域的三维模型的示例，
-图2B和图2C分别示出了从三维模型生成的第一体积模型和第二体积模型，
-图3示出了根据本发明的方法的步骤的具有分配的材料的第二体积模型，
-图4A至图4C示出了将材料分配给图3的第二体积的每个基本体积元素的步骤的详细操作，
图5示出了根据本发明的实施例的仿真设备，
-图6示出了根据本发明的实施例的用于制造物理仿真设备的装置，以及
-图7是示出根据本发明的实施例的方法的流程图。
在不同的图中，相同的参考标号指代相同或相似的元素。
具体实施方式
图7示出了根据本发明第一实施例的用于制造位于对象7内部的感兴趣的内部元素9的物理仿真设备2的方法。
对象7具体可以是异质对象(heterogeneous object)。在一个非限制性示例中，对象7包括活组织。在一个示例中，对象7可以是人体或动物体，或人体或动物体的一部分。
感兴趣的内部元素9是人体或动物体的一部分。
感兴趣的内部元素9位于对象7内。
“感兴趣的内部元素位于对象内”意味着内部元素至少部分地埋在对象7内，具体地，完全封闭在对象7内。因此，内部元素的机械性能不能通过接触测量(例如通过应力-应变测量)来完全断言。
“机械性能”和“生物力学性能”意味着例如单轴或多轴拉伸强度或模量、单轴或多轴压缩强度或模量、剪切强度或模量、静摩擦系数或动摩擦系数、表面张力、弹性。
该方法的第一步骤在图7中示出，并且包括接收位于对象7内部的成像区域8的至少一个非侵入性或微创测量。
所述至少一个非侵入性或微创测量可以在根据本发明的方法的预备步骤中执行。
“微创测量”应被理解为在微创过程(例如，通过导管获得身体图像的微创过程)中执行的测量。
成像区域是对象的三维有界区域。成像区域的示例在图1中示出并且包括对象7的感兴趣的内部元素9。成像区域8还包括围绕感兴趣的内部元素9的对象7的附加部分10，如图1所示。
“围绕感兴趣的内部元素的对象的附加部分”应理解为感兴趣的内部元素9不构成对象7的整体并且对象7延伸超出内部元素。
附加部分10与内部元素接触并且至少部分地围绕所述内部元素，具体地，附加部分10可以完全围绕内部元素。
内部元素和附加部分10之间的主要区别在于，只有内部元素将由仿真设备2在拓扑上再现，而组合系统{内部元素+附加部分10}的机械特征将由仿真设备2再现。
因此，对象7在内部元素和附加区域之间的分区(具体地，对象7的成像区域8)允许仅物理地再现对象的受限部分，从而降低仿真2的成本以及制造过程的复杂度。
在生物组织的示例中，附加部分通常包括组织、骨骼和关节，当内部元素的组织处于机械应力下时，所述组织、骨骼和关节可以在内部元素上施加显著的机械反馈。在对象的给定位置处，附加部分的组织与内部元素的组织之间的机械相互作用是非常特定的；因此，为每个仿真设备2特别定义附加部分的扩展。可以使用初步机械或生物力学研究来针对给定应用(例如颈动脉仿真设备2)定义标准成像区域8。
图2A示出了在制造用于仿真颈动脉血管成形术过程的仿真设备2的情况下成像区域8的三维模型的示例。
在这种情况下，内部元素由外科手术区域上的颈动脉组织构成，而附加部分10包括位于手术区域外的颈动脉组织和不是动脉的一部分的组织，并且可以在动脉组织经受机械应力时(例如脊柱骨)，对颈动脉组织施加显著的机械反馈。
“对位于对象7内的成像区域8的非破坏性测量”意味着在不破坏对象7的情况下对位于该对象内的区域的局部物理参数的测量。测量可以以非侵入方式执行，或者可以涉及微创方法，诸如，例如内窥镜测量。
具体地，测量可以涉及使用穿透波来测量所述局部物理参数。这种非破坏性成像方法在医学成像领域中是已知的，并且包括例如射线照相术、磁共振成像(MRI)、超声波、弹性成像、触觉成像、光声成像、热成像、超声心动图、功能性近红外光谱、体层摄影术、计算机辅助断层扫描(例如X射线计算机断层扫描、正电子发射断层扫描或磁共振成像)和核医学(诸如闪烁扫描术或单光子发射计算机断层扫描术)。
然后，该过程的第二步骤涉及从所述至少一个非破坏性测量中确定成像区域8的三维模型11、和表示三维模型11的至少一个位置中的对象7的材料的至少一个对象材料类别指示符。
为此目的，可以将若干非破坏性测量结合在一起以产生成像区域8的所述三维模型11。
在涉及断层扫描成像的一个非限制性示例中，因此可以获取多个切片(例如断层扫描图像)，从而在对象的成像区域8中形成对象的横截面的堆叠。每个切片包括与沿成像区域8的所述横截面的成像区域8中的对象的局部物理参数有关的信息。例如，在CT扫描的情况下，通过非破坏性测量获得的局部物理参数是组织区域的密度。在磁共振成像的情况下，局部物理参数是氢分子的密度。
然后可以通过已知的重建算法，例如基于逆氡变换，来重建成像区域8的三维模型11。
成像区域8的三维模型11可包括例如沿三个维度彼此并置的一组三维像素，所述三维像素通常称为“体素”(“体积像素”的缩写)。表示体素中的局部物理参数的标量或矢量场与每个体素相关联。标量场是例如体素内的平均密度。
然后可以确定表示三维模型11的位置中的活组织的材料的对象材料类别指示符。
在本发明的一个实施例中，可以从表示体素中的与每个体素相关联的局部物理参数的标量或矢量场直接确定对象材料类别指示符，例如，从通过弹性成像测量而测量的杨氏模量来直接确定。
在本发明的另一个实施例中，可以如下确定对象材料类别指示符。
首先，执行测量的拓扑分割以便在三维模型11中标记活组织的器官。
该操作可以由图像处理算法自动执行，该图像处理算法适于在以下基础上根据预定义标准识别三维像素的簇：
-与每个体素相关联的局部物理参数(最小密度，相对于相邻体素的密度)，和
对体素簇的几何特性的限制(例如，器官的最小尺寸或特定形状)。
器官标记操作是一项重要的操作，必须在扩展区域上进行。实际上，属于不同器官或组织的体素可以在测量上显示相同的局部物理参数(例如相同的密度)，但具有完全不同的机械特性。
该操作允许标记属于感兴趣的特定器官或器官的特定部分的三维像素的簇。
作为非限制性示例，器官标记可以指示所识别的体素簇属于“骨骼”或“肌肉”，或者属于骨骼的特定部分，例如“皮质骨”或“骨小梁”。
在随后的操作中，为成像区域8中的至少一个位置确定对象材料类别指示符。
对象材料类别指示符是成像区域8中的位置处的内部区域的预期机械特征的指示符。
对象材料类别指示符基于以下各项中的至少一个来确定：
-分配给包含所述位置的体素簇的器官标记，
-另外提供的关于活组织的元数据，以及
-通过至少一个测量获得的所述位置处的活组织的局部物理参数。
例如，所述位置处的活组织的局部物理参数可以是通过弹性成像测量获得的所述位置处的活组织的杨氏模量。
另外提供的元数据可以包括例如所述活组织所属的用户的年龄和性别。活组织的局部物理参数从非破坏性测量获得，并且可以用于微调对象材料类别指示符。
具体地，可以为成像区域8中的多个位置确定对象材料类别指示符，以便在整个成像区域8上映射预期的机械特征。
作为非限制性示例，对象材料类别指示符因此可以指示成像区域中的特定位置属于中年男性的“皮质骨”。这样，可以估计对象在所述位置处的预期机械特征。
更确切地说，每个对象材料类别指示符与固有材料特性相关联。固有材料特性被收集在固有材料特性的数据库中。
固有材料特性的数据库是预定义的，并且可以通过使用科学家发布的机械测量来构建和/或可以通过执行额外的机械测试来构建或完成。
固有材料特性包括对材料的物理特征进行建模的函数。例如，固有材料特性可包括材料密度、杨氏模量、泊松比、导热率、电导率。固有材料特性还可以考虑材料中的非线性效应。固有材料特性可包括非线性弹性函数。在活组织的特定示例中，固有材料特性可以进一步包括非线性粘弹性函数，其能够逼真地对活组织的生物力学特征进行建模，例如在J.Biomech第33卷(2000)第1369-1376页发表的由米勒，K等人所著的“体内脑组织的机械特性：实验和计算机仿真”中详述的。
在该步骤期间，还可以在测量的拓扑分割期间确定感兴趣的内部元素9的表面网格12。
在一个实施例中，可以实施表面重建过程，例如“行进立方体”方法，以构建用于由拓扑分割操作所标记的器官或由器官的一部分的三维表面网格12。
“表面网格12”是指三维表面，其界定在拓扑分割操作期间识别的体素簇的边界。该三维表面可以是CAD模型或多边形网格，并且可以由一组方程进行细分或定义。表面网12可以是闭合的或打开的。
表面网格具体可以代表对象7的对象界面，所述对象界面是与所述对象的物理特性的不连续性(例如对象内部的机械特性的不连续性)相关联的界面。
在本发明的一个具体实施例中，表面网格是对象7的内部元素的对象界面。对象7的内部元素可以是例如体内器官或器官的一部分并且表面网格12可以是所述器官的界面。
“器官的界面”是指所述器官的边界。
可以针对在成像区域8中识别的每个器官或器官部分确定若干表面网格12。
表面网格12可以是成像区域8的三维模型11的一部分。
在该方法的第三步骤中，第一体积模型和第二体积模型18从三维模型11生成，并分别在图2B和图2C上示出。
第一体积模型14和第二体积模型18都是三维节点集，其定义了分别划分由第一体积模型14建模的第一空间区域15和由第二体积模型18建模的第二空间区域19的多个基本体积元素。
定义三维节点集以及第一体积模型14和第二体积模型18的基本体积元素，以便能够执行第一体积模型14和第二体积模型18的变形的三维有限元素仿真。
因此，基本体积元素具体选自四面体、金字塔、三棱柱和六面体的形状。特别地，可以选择四面体作为基本体积元素。
第一体积模型14和第二体积模型18可以特别地包括非结构化网格，即以不规则图案对第一和第二空间区域19的细分。
这样，第一体积模型14和第二体积模型18可以适配为呈现其中网格的变形在较小规模上可能更显著的精细结构。
在一个实施例中，第一体积模型14和第二体积模型18可以从成像区域8的三维模型11的一组三维像素直接生成。
在另一个实施例中，第一体积模型14和第二体积模型18可以通过执行有限元体积模型生成(例如通过使用诸如Dassault System有限公司的的软件)而从三维表面网格12生成。
在本发明的一个实施例中，第一体积模型14被划分为：
-内部元素区域16，其对对象7的感兴趣的内部元素9建模，和
-周围区域17，其对围绕内部元素的对象7的附加部分10建模。
内部元素区域16和周围区域17可以连接并形成单个网格，或者可以在内部元素区域16和周围区域17之间定义边界条件，以便仿真这两个区域之间的载荷传递和机械力。
第二体积模型18可以划分为：
-设备区域20，其对仿真设备的操作部分3建模，
-支撑区域21，其对仿真设备2的物理支撑5建模，
-以及可选地，在设备区域20和支撑区域21之间的中间区域，其对仿真设备2的设备接口4建模。
这里，并且，设备区域20、支撑区域21和可选的中间区域可以连接并形成单个网格，或者可以在所述区域之间定义边界条件，以便仿真这些区域之间的载荷传递和机械力。
仿真设备2的操作部分3是仿真设备2的一部分，其机械特征意图尽可能接近对象的内部元素的机械特征。
仿真设备2的操作部分3可以例如对应于在外科手术期间由外科医生物理操纵的身体的一部分。
因此，第一体积模型的内部元素区域和第二体积模型的设备区域20意图仿真相同的拓扑：对象的内部元素的拓扑。
在一个实施例中，第一体积模型的内部元素区域和第二体积模型的设备区域20的拓扑配置(在所述区域的初始配置中)可以是相同的。
或者，第一体积模型和第二体积模型中的一个可以比另一个更精细，使得第一体积模型的内部元素区域的节点与第二体积模型的设备区域20的节点之间的一一对应可能不成立，但仍可以定义模型的每个节点与另一模型的簇之间的对应关系。
通常，第二体积模型的设备区域20的每个基本体积元素因此可以分别与第一体积模型的内部元素区域的至少一个基本体积元素相关联。在一些实施例中，通过在第二体积模型的设备区域20的基本体积元素和第一体积模型的内部元素区域的若干基本体积元素之间执行内插，第二体积模型的设备区域20的基本体积元素可与第一体积模型的内部元素区域的若干基本体积元素相关联。
相反，第一体积模型的周围区域可以显示与支撑区域21和第二体积模型的中间区域没有拓扑对应关系。
实际上，第一体积模型14的周围区域17意图对对象7的附加部分10建模，所述附加部分10围绕对象内部的内部元素。
另一方面，支撑区域21旨在根据如下面进一步详细描述的本发明对仿真系统的物理支撑5进行建模。
物理支撑5设有至少一个槽6，仿真设备2可以插入其中。
所述槽6可具有任何形状和维度，只要其被适配为容纳仿真设备2的一个或多个部分以固定仿真设备2即可。
物理支撑5不是在本方法的制造步骤期间制造的，并且不必再现内部元素的周围环境的机械特征。在非限制性示例中，物理支撑5由在模具中模制或铸造的塑料制成。例如，物理支撑5制成比对象7更坚硬。
中间区域表示仿真设备2的设备接口4，其是仿真设备2的与物理支撑5接触的部分。
设备接口4也可以不精确地再现内部元素的周围环境的机械特征，并且意图提供仿真设备2的操作部分3的机械特征与物理支撑5的机械特征之间的接口。
因此，周围区域、支撑区域21和中间区域的拓扑最多只是松散地相关。
在这个步骤期间，第二体积模型可以进一步适配为考虑与制造过程相关的各种约束。
这种适配可以涉及拓扑的简化以保证可靠或可能的制造。制造约束包括：设定最小壁厚度、防止底切成型、考虑到三维打印工艺的最小液滴尺寸(直径约16微米)。附加约束与3D打印后清洁支撑材料有关。因此可以考虑以下列表中的一个或多个约束：
-基本体积元素的最小尺寸，例如每个元素必须包含维度为16μm×16μm×16μm的立方体，对应于聚合液滴的最小尺寸；
-与多面体的两个点之间的最小距离g相关的几何参数，例如通过保证g>a*g，其中g＝min属于元素的(A，B)|(xA，yA，zA)-xB，yB，zB)|，并且a是预定义的标量。
在随后的步骤中，基于至少一个对象材料类别指示符在固有材料特性的数据库中选择多个固有材料特性，并将其分配给按照如上详述而确定的第一体积模型14的每个基本体积元素。
然后可以基于所述分配的固有材料特性来计算在第一组预定义的载荷和约束下的第一体积模型14的变形配置。
“一组预定义的载荷和约束”是指周围环境对模型的影响。因此，预定义的载荷和约束可以包括可以是机械的载荷，例如体积力(重力)，表面力(载荷，压力)，动力(力矩，......)，热力(诸如热载荷)，或电力或磁力(例如集中的荷)。预定义的载荷和约束还可以包括边界条件，该边界条件也可以是机械的，诸如包裹、位移/旋转、速度、一般接触、自接触但也是热力的或流体的，诸如温度、声压和电势。预定义的载荷和约束还可以包括全局环境影响，诸如温度场和压力场(标量或矢量场)。
第一组预定义的载荷和约束以及第二组预定义的载荷和约束可以被定义，并分别与第一体积模型14和第二体积模型18相关联。
在本发明的一些实施例中，分别与第一体积模型14和第二体积模型18相关联的多组预定义的载荷和约束可以是相同的。
在其他实施例中，与第一体积模型14相关联的一组预定义的载荷和约束可以偏离与第二体积模型18相关联的一组预定义的载荷和约束，例如通过结合诸如重力的附加物理现象和/或忽略一些现象。
与第一体积模型14相关联的第一组预定义的载荷和约束可以偏离与第二体积模型18相关联的第二组预定义的载荷和约束。
实际上，温度、压力、与外部器官的相互作用通常在(由第一体积模型建模的)感兴趣的内部元素和(由第二体积模型建模的)仿真设备之间不同。例如，第二组载荷和约束可以包括室温下的环境温度场，而第一组载荷和约束可以包括体温(例如37℃)下的环境温度场。
因此，多组预定义的载荷和约束在第一体积模型14和第二体积模型18之间也可以是不同的。
在一个非限制性应用示例中，与第一体积模型14和第二体积模型18相关联的该组预定义的载荷和约束可以表示在预定义外科手术期间施加在内部元素的组织上的外科机械力。例如，然后，该组预定义的载荷和约束可以包括被定义以对应于在颈动脉中引入导管并且在动脉中部署支架的神经放射学家所施加的应力场的外部应力场σ。该组预定义的载荷和约束可以包括额外的力场，例如周围器官应力场和/或血压。
在这种情况下，预定义的载荷和约束将类似于施加在颈动脉内表面上的、并且例如沿着颈动脉内表面的每个点处的外部局部法线、具有类似于由支架施加的力的幅度(通常在10和100kPa之间)的幅度的应力场。
“体积模型的配置”是指节点的三维位置，其定义划分由体积模型建模的空间区域的多个基本体积元素。
可以关于第一体积模型14的初始配置来定义第一体积模型14的变形配置，而不需要该组预定义的载荷和约束。
通过在第一组预定义的载荷和约束下执行第一体积模型14的变形的数值仿真来计算第一体积模型14的变形配置，所述数值仿真例如有限元法，离散元法，组合有限元法-离散元法等。
第一组预定义的载荷和约束对应于应用于第一体积模型的约束。
在特别感兴趣的一个示例中，第一组预定义的载荷和约束表示在预定外科手术期间施加在内部元素的组织上的外科机械力。
例如，第一组预定义的载荷和约束可以包括外部应力场σ，其被定义为对应于通过神经放射学家在颈动脉中引入导管并且在动脉中部署支架所施加的应力场。
在这种情况下，预定义的载荷和约束将：
·类似于施加在颈动脉内表面上的应力场；
·方向会沿着颈动脉内表面的每个点处的外部局部法线；
·具有类似于由支架施加的力的幅度(通常在10和100kPa之间)的幅度。
因此，预定义的载荷和约束具体可以是施加在对象7内部的内部元素的对象界面上的载荷。
从第一组预定义的载荷和约束以及分配给第一体积模型的每个基本体积元素的固有材料特性，可以计算尽可能逼真的第一体积模型的变形配置。
“尽可能逼真的变形配置”意味着在第一组预定义的载荷和约束下的第一体积模型14的变形配置与在与第一组预定义的载荷和约束相关联的真实应力场下的内部元素的真实物理变形相似或非常接近。第一体积模型14的变形配置近似于内部元素的真实物理变形的程度在很大一部分上取决于固有材料特性的准确性。
因此，从最先进的现有技术测量或获得固有材料特性，以尽可能准确地对真实组织的机械特性进行建模。如上所述，固有材料特性可以对弹性、超弹性超泡沫、低弹性、粘弹性材料等进行建模。
一旦已经计算出第一体积模型的变形配置，就可以执行将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型的至少一个基本体积元素的步骤，如图3所示。
该步骤的实施例的示例包括在图4A至图4C中示出的以下一般步骤。但是，可以设想其他可能性来执行该操作。
在图4A至4C的示例中，分配材料的步骤包括以下操作：
a)定义第二体积模型的基本体积元素簇，
b)通过最小化所述簇的成本函数来选择对象材料的数据库中的簇对象材料，其中，通过计算在第一组预定义的载荷和约束下第二体积模型的至少一个变形配置来确定所述簇的成本函数，其中所述簇的至少一个基本体积元素已经被分配了与对象材料的数据库的材料相关联的固有材料特性，
c)基于所述簇的变形配置，将所述簇的基本体积元素划分为至少两个子簇，
d)对于所述至少两个子簇中的每一个，重复至少一次步骤b)。
现在将更详细地描述这些一般步骤。
在步骤a)期间，定义第二体积模型的基本体积元素的簇。
当在该方法期间第一次执行步骤a)时，基本体积元素的簇可以包括第二体积模型的基本体积元素的整体。
随着该方法的进行，簇可以包括越来越少数量的基本体积元素，直到它达到单个基本体积元素，这将从以下对该方法的描述中变得明显。
然后针对该簇在对象材料的数据库中选择对象材料。针对簇的对象材料的选择是作为最小化簇的成本函数的结果而获得。
该成本函数是第一体积模型的变形配置和簇的变形配置的函数，该函数在下面进一步详述并在图4A中示出。
成本函数例如是簇的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的应变误差的函数。
应变误差可以特别地写为其中，是在没有预定义的载荷和约束的情况下第二体积模型的初始配置与在预定义的载荷和约束下的簇的变形配置之间的簇的基本体积元素i的应变，且是第一体积模型的初始配置与第一体积模型的变形配置之间的第一体积模型的基本体积元素i的位移。
或者，成本函数可以是应变、应力、反作用力等的函数。
可以使用若干成本函数，这取决于方法的进度和/或簇的大小。
合适的成本函数Jg的第一个示例可以写成：
其中n是簇中基本体积元素的数量，并且是簇的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的应变误差。该成本函数(1)总是正的。
成本函数JCl的另一个示例是：
其中n是簇中基本体积元素的数量，并且是簇的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的应变误差。这个成本函数(2)可以是正的或负的。
合适的成本函数Ji的特别适配用于仅包含单个基本体积元素的簇的另一个示例是：
其中是簇的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的应变误差。这个成本函数(3)可以是正的或负的。
在操作b1)期间计算所选择的成本函数(1)-(3)，操作b1)在图2中被更详细地示出，并且包括将与所选择的材料相关联的相同的固有材料特性分配给所述簇的每个基本体积元素的第一子操作bl-1)。
然后可以在对象材料的数据库的M个材料的预定义子集中选择对象材料。
下面进一步详述用于定义M个材料的所述子集和用于在M个材料的所述子集中选择对象材料的方法。
然后，在子操作bl-2)期间，确定在第二组预定义的载荷和约束下第二体积模型的变形配置VM2-CD，如图4A中所示。
可以通过在第二组预定义的载荷和约束下执行第二体积模型的变形的有限元仿真来确定第二体积模型的变形配置。
一旦已经确定了第二体积模型的变形配置，就能够计算与所述材料相关联的簇的成本函数bl-3)。成本函数例如根据上面详述的被选择的等式(1)-(3)计算。
在本发明的第一实施例中，对对象材料的数据库的M个材料的子集的每个材料执行操作b1)。
因此，对象材料的数据库的M个材料的子集的每个材料被连续选择，被分配给簇的每个基本体积元素，并且第二体积模型的变形配置被确定并且相关联的成本函数被计算。
一旦成本函数已经与M个材料的子集的每个材料相关联，就能够通过比较成本函数并选择例如与最低成本函数相关联的对象材料，而在对象材料的数据库中选择簇对象材料(操作b2)。
在本发明的另一个实施例中，可以根据所述材料的物理特性对对象材料的数据库的M个材料的子集进行排序。
例如，子集中的材料可以，例如根据多轴拉伸模量，基于它们的刚度从最软到最硬来排序。
在这个实施例中，步骤b)可以如下进行：
可以在对象材料的数据库的M个材料的有序子集中预选第一材料，例如与有序子集的材料的中值或平均物理特性相关联的材料。
然后，可以针对所述预选材料计算第一变形配置成本函数bl)。
然后，将计算出的成本函数的函数(例如计算出的成本函数与先前计算的成本函数之间的绝对差值)在操作b2)中与终止标准进行比较。终止标准例如是最大差异阈值。
如果计算出的成本函数的所述函数满足终止标准，则可以在操作b3-1)中选择预选的材料作为簇对象材料。
计算出的成本函数的函数满足终止标准，在M个材料的子集中预选另一种材料。
为此目的，将成本函数与方向标准进行比较，例如，基于所述比较的结果选择方向阈值和有序子集的另一材料。
图4B和图4C中示出了一个示例。
在这个示例中，根据等式(2)计算成本函数，其可以得到正值和负值。方向标准是与阈值0进行比较。
如果成本函数是负的，则关于目标变形，簇的变形太小，因此材料被更新为M个材料的子集的下一个更软的材料。
如果成本函数是正的，则关于目标变形，簇的变形太大，因此材料被更新为M个材料的子集的下一个更硬的材料。
然后可以重复操作b1)到b3)，直到满足终止标准。
终止标准对于保证算法能够终止并且不在两种材料之间保持锁定振荡是重要的。
实际上，由于材料显示出离散范围的物理特性，因此第二体积模型的变形配置与变形配置之间的差异通常不会减小到零。
因此必须接受剩余误差并且在终止标准中对其进行编码。
终止标准还可以考虑到达材料子集的物理特性范围的极限的情况。
当已经选择了簇对象材料时，该方法可以继续到步骤c)。
在步骤c)期间，基于簇的变形配置，将簇的基本体积元素划分为至少两个子簇。
为此目的，可以将簇的变形配置中的每个基本体积元素的位置与第一体积模型的变形配置中的相关联的基本体积元素的位置进行比较(操作cl)。
可以定义多个子簇以对这些比较的结果进行分类，如图4B和图4C所示。
作为非限制性示例，在图4B的示例中如下定义三个子簇CL1、CL2、CL3：
-子簇CL3包括基本体积元素，其在第二体积模型的变形配置中相对于变形配置移位太多，
-子簇CL1包括基本体积元素，其在第二体积模型的变形配置中相对于变形配置没有移位足够，并且
-子簇CL2包括基本体积元素，其可以被认为是在变形配置的可接受距离内。
当然，可以定义更多或更少的子簇，以便更精细地或更粗略地划分簇。
另外，或者在变型中，划分操作可以考虑与簇的变形配置有关的其他特性。
更高级特性的示例是例如每个基本体积元素的法线方向相对于变形配置中的相关联的元素的法线方向。
在这个步骤期间，可以基于簇的变形配置将对象材料的数据库的材料的子集关联到每个子簇(操作c2)。
作为示例，让我们将材料的数据库定义为包含被标记为Mat_l、……、Mat_m的m个材料，并根据如上详述的所述材料的刚度的度量来排序。
在这个示例中，我们假设在步骤b)期间选择了具有1<k<m的材料Mat_k。然后，包括在第二体积模型的变形配置中位移太多的基本体积元素的子簇A可以与材料的数据库的更硬材料的子集相关联，例如子集Mat_k、……、Mat_m。包括在第二体积模型的变形配置中移位不够的基本体积元素的子簇B可以与材料的数据库的更软材料的子集相关联，例如子集Mat_1、……、Mat_k。子簇C包括被认为具有可接受特征(behavior)并且因此其中的所选择的材料能够保持相同的基本体积元素。因此，与子簇C相关联的子集可以被限制为Mat_k。
可以定义将材料子集与给定子簇相关联的其他方式，例如通过选择材料的重叠范围。
应当理解，在该方法中的步骤b)的第一次出现期间，该簇可以包括整个第二体积模型。然后，与该簇相关联的材料子集可以包括数据库的整个材料范围。
一旦已经对该簇的基本体积元素进行了划分，就可以对该划分的每个子簇重复该方法的步骤b)和c)。
然后该方法可以涉及在越来越小的簇上的递归计算，直到每个子簇包括单个基本体积元素。
在图4C中示出了一个示例，其中子簇CL1被再次划分为三个子簇CL1-1、CL1-2、CL1-3。
替代地或另外地，可以重复该方法的步骤b)和c)，直到第二体积模型的变形配置与对象的第一体积模型的变形配置之间的差异满足收敛标准。
例如，可以(例如，基于等式1)计算整个第二体积模型的变形配置的一般成本函数并将其与收敛标准进行比较，所述收敛标准例如在整个第二体积模型上的最大误差的阈值。
如果满足收敛标准，则可以停止步骤b)和c)的重复。
然后，可以从第二体积模型和分配给第二体积模型的每个基本体积元素的材料生成用于制造对象的3D表面模型。
3D模型可以例如包括多个3D文件，诸如STL文件(由3D Systems，Rock Hill，SouthCarolina创建的立体平版打印CAD软件的原生文件格式)。每个文件可以与3D打印机可打印的多个材料中的单个材料相关联。
3D表面模型可以用于制造对象。
最后，根据本发明的过程的最后一个步骤是感兴趣的内部元素9的仿真设备2的制造。
仿真设备2基于第二体积模型18和所述分配的材料来制造。
更确切地说，仿真设备基于第二体积模型的设备区域20(可选地，以及第二体积模型的中间区域)制造。
仿真设备2的制造可以至少部分地通过增材制造，具体地，通过3D打印，来执行。
本领域普通技术人员可以理解，最终的机械界面可以使用传统方法和最先进现有技术方法制造，所述方法包括但不限于铸造、3D打印、单独材料的机械连接和形状沉积制造。
其他不可打印的材料，诸如水、凝胶、金属、离子、陶瓷、生物分子等，可以被使用，并且可以使用包括铸造、3D打印、单独材料的机械连接和形状沉积制造的各种技术来沉积。
特别地，可以使用模仿胆固醇的材料。
为了执行制造步骤，可以具体地通过在单独的文件中将具有相同的分配的材料的基本体积元素分组，来从第二体积模型18创建一个或多个光栅文件。
然后将光栅文件发送到多材料增材制造设备，在多材料增材制造设备中仿真设备被打印，通常一次一层。
在一些实施例中，基本体积元素可以用多个打印层(例如，5-20个打印层)复制。
根据本发明的一些实施例，多材料增材制造设备配备有若干建筑材料，特别地至少两个建筑材料，每个建筑材料具有如上详述的不同机械特性。
可选地，可以配备多材料增材制造设备以分发(dispense)附加材料，例如，不可打印的材料，诸如水、凝胶、金属、离子、陶瓷、生物分子等。
在本发明的一个实施例中，可以使用先进的3D打印技术，其能够在仿真设备2中无缝集成各种材料。例如，Stratasys有限公司(北美，7665商业路伊甸园，MN 55344。电话：+1952-937-3000传真：+1 952-937-0070)使用PolyJet MatrixTM技术生产先进的3D打印机，所述PolyJet MatrixTM技术能够在同一机械设备的生产中同时喷射多个材料硬度，从而在仿真设备2内实现空间变化粘弹性。
凭借16微米高分辨率打印层，X和Y两者的分辨率的高的每英寸点数，以及易于移除的支撑材料特性，该技术允许开发具有按照活组织的规模来调整的机械特性的仿真设备。
本发明的另一个目的是根据上面详述并在图5中示出的本发明的方法的一个实施例制造的仿真设备2，其中感兴趣的内部元素9位于活组织内并被活组织的附加部分10围绕。
图5示出了根据本发明的仿真设备2，而图1示出了感兴趣的内部元素9和活组织的附加部分10。
如在图5中可以看到的，仿真设备2再现感兴趣的内部元素9的拓扑，但并不再现活组织的所述附加部分10的拓扑。
仿真设备2的材料使得在所述第二组预定义的载荷和约束下的仿真设备2的变形配置类似于在所述第一组预定义的载荷和约束下的活组织的所述附加部分10所围绕的器官或器官的一部分的变形配置。
为此目的，仿真设备2可以通过以下方式生产：
-对位于活组织内的成像区域8执行至少一个非破坏性测量，所述成像区域8包括活组织器官或器官的一部分，
-从所述至少一个非破坏性测量中确定成像区域8的三维模型11、和表示在三维模型11的至少一个位置中的对象7的材料的至少一个对象材料类别指示符，
-从所述三维模型生成第一体积模型和第二体积模型，所述第一和第二体积模型分别被划分为多个基本体积元素，
第一体积模型14被划分为：
对对象7的感兴趣的内部元素9进行建模的内部元素区域16，和
对围绕内部元素的对象7的附加部分10进行建模的周围区域17，
第二体积模型包括对仿真设备的操作部分建模的设备区域20，
第二体积模型的设备区域20的每个基本体积元素分别与第一体积模型的内部元素区域的至少一个基本体积元素相关联，
-基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，为在第一体积模型14中的每个基本体积元素分配在固有材料特性的数据库中选择的固有材料特性，
-基于所分配的固有材料特性，计算在第一组预定义的载荷和约束下第一体积模型14的变形配置，
-基于第一体积模型的内部元素区域的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型的设备区域20的至少一个基本体积元素，
-根据具有所分配的材料的第二体积模型18制造感兴趣的内部元素9的仿真设备2。
如上详述，仿真设备2的材料可包括至少两种不同的3D打印材料，以及可选地，附加的不可打印材料，诸如水、凝胶、金属、离子、陶瓷、生物分子等。
如图5所示，仿真设备2可以集成在感兴趣的内部元素9的仿真系统1中。
除了仿真设备2之外，这样的仿真系统1还包括具有槽6的物理支撑5。
物理支撑5可以再现内部元素的周围环境的一般拓扑，例如，如果内部元素是手腕的一部分，则再现手臂的拓扑。
然而，物理支撑5的机械特征不必再现内部元素的周围环境的机械特征。
物理支撑5与仿真设备分离，并且特别地，以不同的制造工艺制造。如上所述，虽然可以将物理支撑仿真为第二体积模型的支撑区域21，但是在根据本发明的用于制造物理仿真设备的方法的制造步骤期间不制造第二体积模型的支撑区域21。
在根据本发明的用于制造物理仿真设备2的方法的步骤期间分配给支撑区域21的每个基本体积元素的材料在该方法的操作期间是预定义的且是固定的。
物理支撑5可以例如被大量生产。物理支撑5可以由单一材料制成。在本发明的一些实施例中，物理支撑5可以通过廉价的工艺生产，例如通过模塑或浇铸。
物理支撑5设有被适配为容纳仿真设备2的至少一个槽6，如图5所示。
最后，本发明的另一个目的是一种装置100，用于根据如上详述的方法制造位于对象7内部的感兴趣的内部元素9的物理仿真设备2。
这样的装置100在图6中示出并且包括：
-通信单元503，可操作以接收位于对象7内的成像区域8的至少一个非破坏性测量，所述成像区域8包括对象7的感兴趣的内部元素9，
-存储器单元，可操作以存储固有材料特性的数据库和仿真材料的数据库，
-处理单元，可操作以
根据所述至少一个非破坏性测量，确定成像区域8的三维模型11和表示三维模型11的至少一个位置中的对象7的材料的至少一个对象材料类别指示符，
从所述三维模型11生成第一体积模型14和第二体积模型18，所述第一和第二体积模型18分别被划分成多个基本体积元素，
基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，为第一体积模型14的每个基本体积元素分配在固有材料特性数据库中选择的固有材料特性，
基于所分配的固有材料特性，计算在第一组预定义的载荷和约束下第一体积模型14的变形配置，
基于第一体积模型14的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型的至少一个基本体积元素，以及
-制造单元507，可操作以根据具有所分配的材料的第二体积模型18制造感兴趣内部元素9的仿真设备2。
通信单元503、存储器单元505和处理单元504可以是控制单元500(例如计算机)的一部分。
存储器单元505还可以能够存储程序指令，所述程序指令可加载到处理单元504中并且被适配为在所述程序指令被处理单元504运行时使处理单元504执行本发明的步骤。
处理单元504可以是电路，例如：
-处理器或处理单元，适配为解释计算机语言指令，处理器或处理单元可包括存储器，可与包含指令的存储器相关联或附接到存储器，或者
-处理器/处理单元504和存储器的联合，处理器或处理单元504适配为解释计算机语言指令，该存储器包括所述指令，或者
-电子卡，其中本发明的步骤在硅中描述，或
-可编程电子芯片，诸如FPGA芯片(用于“现场可编程门阵列”)。
控制单元500还可以包括用于控制制造单元507的接口506。
制造单元507可以包括如上详述的3D打印机。
为了便于与计算机的交互，可以提供屏幕501和键盘502并将其连接到控制单元500。
尽管已经参考制造身体部位、身体器官或器官的一部分的模型描述了许多实施例，但是本发明的实施例不限于此方面，并且相同的系统和方法可以用于制造其他内部元素的仿真设备。
术语“包括”、“包含”、“具有”及其缀合物表示“包括但不限于”。术语“由...组成”表示“包括并限于”。术语“基本上由......组成”是指组合物、方法或结构可包括附加的成分、步骤和/或部件，但仅在附加的成分、步骤和/或部件不实质上改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征和新颖特征的情况下。
应当理解，为了清楚起见，在单独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各种特征也可以分开提供或以任何合适的子组合提供，或者在本发明的任何其他描述的实施例中适当地提供。在各种实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的基本特征，除非该实施例在没有那些元素的情况下无法操作。

Claims (35)

1.一种用于制造位于对象(7)内部的感兴趣的内部元素(9)的物理仿真设备(2)的方法，所述方法至少包括以下步骤：
-接收对位于对象(7)内的成像区域(8)的至少一个非破坏性测量，所述成像区域(8)包括对象(7)的感兴趣的内部元素(9)，
-从所述至少一个非破坏性测量，确定成像区域(8)的三维模型(11)和表示在三维模型(11)的至少一个位置中的对象(7)的材料的至少一个对象材料类别指示符，
-从所述三维模型(11)生成第一体积模型(14)和第二体积模型(18)，所述第一和第二体积模型(18)分别被划分成多个基本体积元素，
-基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，将在固有材料特性的数据库中选择的固有材料特性分配给第一体积模型(14)的每个基本体积元素，
-基于所分配的固有材料特性，计算在第一组预定义的载荷和约束下第一体积模型(14)的变形配置，
-基于第一体积模型(14)的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型(18)的至少一个基本体积元素，
-根据具有所分配的材料的第二体积模型(18)制造感兴趣的内部元素(9)的仿真设备(2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将材料分配给第二体积模型(18)的每个基本体积元素的步骤包括以下操作：
·定义分别与第二体积网格的每个基本体积元素相关联的来自仿真材料的数据库的材料的组合，
·计算在第二组预定义的载荷和约束下第二体积模型(18)的变形配置，其中第二体积模型(18)的每个基本体积元素已被分配了与为所述基本体积元素定义的材料相关联的固有材料特性，
·计算第二体积模型(18)的变形配置与第一体积模型(14)的变形配置之间的位移误差函数，
·基于位移误差函数更新材料的组合，直到满足收敛标准。
3.根据权利要求2所述的方法，其中计算所述第二体积模型(18)的变形配置与所述第一体积模型(14)的变形配置之间的位移误差函数包括计算第二体积模型(18)的至少一个基本体积元素和第一体积模型(14)的至少一个相关联的基本体积元素之间的距离。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述第一体积模型(14)被划分为：
内部元素区域(16)，其对对象(7)的感兴趣的内部元素(9)建模，和
-周围区域(17)，其对围绕内部元素的对象(7)的附加部分(10)建模。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述第二体积模型(18)包括对所述仿真设备(2)的操作部分(3)建模的设备区域(20)。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二体积模型(18)被划分为：
-所述设备区域(20)，其对仿真设备(2)的操作部分(3)建模，
-支撑区域(21)，其对仿真设备(2)的物理支撑(5)建模，
-以及可选地，在设备区域(20)和支撑区域(21)之间的中间区域(22)，所述中间区域(22)对仿真设备(2)的设备接口(4)建模。
7.根据权利要求4以及权利要求5和6之一所述的方法，其中，所述第二体积模型(18)的所述设备区域(20)的每个基本体积元素分别与第一体积模型(14)的内部元素区域(16)的至少一个基本体积元素相关联，
并且其中，基于第一体积模型(14)的内部元素区域(16)的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型(18)的设备区域(20)的每个基本体积元素。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在第一体积模型(14)的内部元素区域(16)的变形配置与第二体积模型(18)的设备区域(20)的变形配置之间计算位移误差函数。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，分配给支撑区域(21)的每个基本体积元素的材料是预定义的并且在方法的操作期间保持相同。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中，基于所述第二体积模型(18)的所述设备区域(20)以及可选地第二体积模型(18)的所述中间区域(22)一起，制造所述仿真设备(2)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中制造所述仿真设备(2)的步骤至少部分地通过对具有所分配的材料的第二体积模型(18)的增材制造来执行。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述仿真材料的数据库包括多个3D打印材料，并且可选地，包括诸如水、凝胶、金属、离子、陶瓷、生物分子等等的附加的不可打印材料。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述成像区域(8)的三维模型(11)包括至少一个表面网格(12)，所述表面网格(12)表示所述对象(7)的内部元素的对象界面(13)，具体地，与对象(7)的物理特性的不连续性相关联的对象(7)的界面。
14.根据权利要求13所述的方法，其中通过执行有限元体积模型生成从所述三维表面网格(12)生成所述第一体积模型(14)。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中，所述第二组预定义的载荷和约束包括所述对象(7)的所述对象界面(13)上的载荷。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其中，所述对象(7)是活组织。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，通过以下方式确定表示所述三维模型(11)的位置中的所述活组织的材料的对象材料类别指示符：
-执行对测量的拓扑分割以标记包括所述三维模型(11)的所述位置的活组织的器官，
-基于器官标记、另外提供的关于活组织的元数据、以及可选地通过至少一个非破坏性测量获得的在所述位置处的活组织的局部物理参数，确定所述对象材料类别指示符，
具体地，其中所述另外提供的元数据包括所述活组织所属的用户的年龄和性别。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，基于所述对象材料类别指示符选择的所述固有材料特性是对活组织的生物力学特征进行建模的非线性粘弹性函数。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述方法是非侵入性的或微创的。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给所述第二体积模型的至少一个基本体积元素包括至少以下步骤：
a)定义第二体积模型的基本体积元素的簇，
b)通过最小化通过计算在一组预定义的载荷和约束下第二体积模型的至少一个变形配置而确定的所述簇的成本函数来选择对象材料的数据库中的簇对象材料，其中所述簇的至少一个基本体积元素已被分配与对象材料的数据库的材料相关联的固有材料特性，
c)基于所述簇的变形配置，将所述簇的基本体积元素划分为至少两个子簇，
d)对于所述至少两个子簇中的每一个重复至少一次步骤b)，和
-生成用于从第二体积模型和分配给第二体积模型的每个基本体积元素的材料制造对象的3D模型。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述成本函数是所述簇的变形配置和所述第一体积模型的变形配置的函数。
22.根据权利要求20或21所述的方法，其中步骤b)包括计算与所述对象材料的数据库的至少一个材料相关联的所述第二体积模型的变形配置成本函数的操作b1)，所述操作b1)包括：
bl-1)将与所述材料相关联的相同的固有材料特性分配给所述簇的每个基本体积元素，
bl-2)确定在预定义的载荷和约束的预定义的载荷集下第二体积模型的变形配置，
b1-3)计算与所述材料相关联的所述簇的成本函数，所述成本函数是所述簇的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的应变误差的函数。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，针对对象材料的数据库的M个材料的子集中的每个材料执行计算第二体积模型的变形配置成本函数的所述操作b1)，
并且其中步骤b)还包括通过比较针对在对象材料的数据库的所述材料的子集中的每个材料计算的成本函数，来选择对象材料的数据库中的簇对象材料的操作b2)。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，对象材料的数据库的M个材料的有序子集与第二体积模型的簇相关联，
并且其中所述有序子集的材料根据所述材料的物理特性排序，具体地，根据所述材料的刚度排序。
25.根据权利要求24所述的方法，针对对象材料的数据库的M个材料的有序子集中的预选材料执行计算第二体积模型的变形配置成本函数的所述操作bl)，并且其中步骤b)进一步包括以下操作：
b2)将所述成本函数的函数与终止标准进行比较，以确定是否能够选择所述预选材料作为簇对象材料，
b3-l)如果能够选择所述预选材料作为簇对象材料，则执行步骤c)，
b3-2)如果不能选择所述预选材料作为簇对象材料，则通过将所述成本函数与方向标准进行比较，预选对象材料的数据库的M个材料的子集中的另一材料，并将操作b1)至b3-l)、b3-2)重复至少一次。
26.根据权利要求20至25中任一项所述的方法，其中，所述第二体积模型的所述簇的每个基本体积元素分别与所述第一体积模型的至少一个基本体积元素相关联。
27.根据权利要求20至26中任一项所述的方法，其中步骤c)包括将所述簇的变形配置中的至少一个基本体积元素的位置与第一体积模型的变形配置中的至少一个基本体积元素的位置进行比较的操作c1)。
28.根据权利要求20至27中任一项所述的方法，其中，将簇的基本体积元素划分为至少两个子簇的步骤包括：对于所述至少两个子簇中的每个子簇，基于簇的变形配置，确定与所述子簇相关联的对象材料的数据库的材料的子集的操作c2)。
29.根据权利要求20至28中任一项所述的方法，其中重复步骤b)和c)，直到每个子簇包括单个基本体积元素。
30.根据权利要求20至29中任一项所述的方法，其中重复步骤b)和c)，直到所述对象的第二体积模型的变形配置与第一体积模型的变形配置之间的差异满足收敛标准。
31.一种仿真设备(2)，其特别用于再现在预定义的载荷和约束下活组织内的器官或器官的一部分的至少机械特征，所述器官或器官的一部分位于活组织内并且被活组织的附加部分(10)围绕，
其中仿真设备(2)再现所述器官或器官的一部分的拓扑，但不再现所述活组织的所述附加部分(10)的拓扑，
其中，仿真设备(2)的材料使得在所述预定义的载荷和约束下仿真设备(2)的变形配置类似于在所述预定义的载荷和约束下被所述活组织的附加部分(10)围绕的器官或器官的一部分的变形配置。
32.根据权利要求31所述的仿真设备(2)，其中，所述仿真设备(2)通过以下步骤生产：
-接收对位于活组织内的成像区域(8)的至少一个非破坏性测量，所述成像区域(8)包括活组织的器官或器官的一部分，
-从所述至少一个非破坏性测量确定成像区域(8)的三维模型(11)和表示在三维模型(11)的至少一个位置中的对象(7)的材料的至少一个对象材料类别指示符，
-从所述三维模型(11)生成第一体积模型(14)和第二体积模型(18)，所述第一和第二体积模型(18)分别被划分成多个基本体积元素，
第一体积模型(14)被划分成：
内部元素区域(16)，其对对象(7)的感兴趣的内部元素(9)建模，以及
周围区域(17)，其对围绕内部元素的对象(7)的附加部分(10)建模，
第二体积模型(18)包括对仿真设备(2)的操作部分(3)建模的设备区域(20)，
第二体积模型(18)的设备区域(20)的每个基本体积元素分别与第一体积模型(14)的内部元素区域(16)的至少一个基本体积元素相关联，
-基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，将在固有材料特性的数据库中选择的固有材料特性分配给第一体积模型(14)的每个基本体积元素，
-基于所分配的固有材料特性，计算在预定义的载荷和约束下第一体积模型(14)的变形配置，
-基于第一体积模型(14)的内部元素区域(16)的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型(18)的设备区域(20)的至少一个基本体积元素，
-根据具有所分配的材料的第二体积模型(18)制造感兴趣的内部元素(9)的仿真设备(2)。
33.根据权利要求31或32所述的仿真设备(2)，其中，所述仿真设备(2)的材料包括至少两个不同的3D打印材料，以及可选地，诸如水、凝胶、金属、离子、陶瓷、生物分子等的附加的不可聚合材料。
34.一种感兴趣的内部元素(9)的仿真系统(1)，包括：
-具有至少一个槽(6)的物理支撑(5)，
-根据权利要求31至33中任一项所述的感兴趣的内部元素(9)的仿真设备(2)，其能够被插入物理支撑(5)的所述至少一个槽(6)中，
其中，仿真设备(2)的材料使得在所述预定义的载荷和约束下插入物理支撑(5)的所述至少一个槽(6)中的仿真设备(2)的变形配置类似于在所述预定义的载荷和约束下被所述活组织的所述附加部分(10)围绕的器官或器官的一部分的变形配置。
35.一种用于制造位于对象(7)内部的感兴趣的内部元素(9)的物理仿真设备(2)的装置(100)，所述装置(100)包括：
-通信单元(503)，其可操作以接收对位于对象(7)内的成像区域(8)的至少一个非破坏性测量，所述成像区域(8)包括对象(7)的感兴趣的内部元素(9)，
-存储器单元(505)，其可操作以存储固有材料特性的数据库和仿真材料的数据库，
-处理单元(504)，其可操作以
从所述至少一个非破坏性测量，确定成像区域(8)的三维模型(11)和表示在三维模型(11)的至少一个位置中的对象(7)的材料的至少一个对象材料类别指示符，
从所述三维模型(11)生成第一体积模型(14)和第二体积模型(18)，所述第一和第二体积模型(18)分别被划分成多个基本体积元素，
基于从所述至少一个非破坏性测量确定的对象材料类别指示符，将在固有材料特性的数据库中选择的固有材料特性分配给第一体积模型(14)的每个基本体积元素，
基于所分配的固有材料特性，计算在预定义的载荷和约束下第一体积模型(14)的变形配置，
基于第一体积模型(14)的变形配置，将在仿真材料的数据库中选择的材料分配给第二体积模型(18)的至少一个基本体积元素，和
-制造单元(507)，其可操作以根据具有所分配的材料的第二体积模型(18)制造感兴趣的内部元素(9)的仿真设备(2)。
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