CN110383390A - 假体适配器 - Google Patents

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M·格拉斯
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Abstract

患者特异性的假体装置和方法。所述患者特异性的假体装置包括假体设备和假体适配器，所述假体适配器被配置为与所述假体设备固定在一起，其中，所述假体适配器包括所述匹配假体设备的一部分的形状的内表面和匹配患者的解剖结构的外表面。

Description

假体适配器
技术领域
本文中描述的各种实施例涉及针对假体的方法和设备，并且更具体地但不排他地涉及针对患者特异性的假体的方法和设备。
背景技术
高保真三维(3D)成像技术(诸如计算机断层摄影(CT)扫描、磁共振成像(MRI)和图像后处理)已经在生成假体设备方面是有用的。这些假体设备可以包括用于臀部、臂部、腿部、肩部、颅盖骨的设备、与软组织相关联的设备(例如，气管夹板)等。
3D打印的部件(诸如颅骨板、夹板、牙齿植入物和功能组织)现在是广泛可用的。随着打印的成本降低、打印的速度增加并且打印机的操作变得更容易，3D打印的部件可以在医疗中变得甚至更普遍。当这发生时、3D打印可以在诸如规划操作、模拟外科手术任务、研发植入物和引导操作的应用中成为标准工具。
然而、3D打印不是没有其缺点。一个是，力学和功能需要在不同的患者之间相当大地改变。因此，对于一个患者，给定的3D打印的备件(stock)材料可以是满足的，但是对于另一患者，是不满足的。假体设备与患者之间的不适当匹配可以导致具体材料或宿主组织上的不可接受的负荷，并且导致不期望的自适应组织改变。这继而可以导致假体设备在宿主-植入物界面处的失效或甚至假体设备本身的失效。
现有3D打印程序的另一缺点是高水平的工作人员训练和采集(一幅或多幅)图像、生成模板和打印最终设备所需的资源。
发明内容
提供该概要是要以简明的形式来引入概念的选集，其在下文中的详细描述的部分中被进一步详细描述。该概要并非旨在识别或排除请求保护的主题的关键特征或实质特征，也不旨在被用作对确定请求保护的主题的范围的辅助。
根据前述内容，将期望提供组合批量制造假体设备与患者特异性的假体适配器的方法和装置，所述患者特异性的假体适配器是容易制造的并且能够满足具体患者的功能和机械要求。
在一个方面中，各种实施例涉及一种用于生成患者特异性的假体装置的方法。所述方法包括：接收患者的解剖结构的三维模型；接收假体设备的三维模板；从所述患者的解剖结构的所述三维模型减去所述假体设备的所述三维模板以生成针对假体适配器的差异模型；并且基于针对所述假体适配器的所述差异模型来制造三维假体适配器，其中，所制造的假体适配器包括匹配所述假体设备的所述部分的形状的内表面和匹配所述患者的解剖结构的外表面。
在一个实施例中，所述方法还包括将所述假体设备固定到所述所制造的假体。在一个实施例中，将所述假体设备固定到所述假体适配器包括将所述假体设备至少部分地固定在所述假体适配器内。
在一个实施例中，所述假体设备经由所述假体设备和所述假体适配器中的每个上的多个螺纹或经由至少一个销被固定到所述假体适配器。
在一个实施例中，所述方法还包括收集所述患者的解剖结构的影像。在一个实施例中，所述方法还包括将所收集的所述患者的解剖结构的所述影像转换为所述患者的解剖结构的所述三维模型。
在一个实施例中，所述假体适配器通过三维打印来制造。
在一个实施例中，所述假体适配器被配置为适应局部变化的刚性和弹性要求。
在另一方面中，各种实施例涉及一种患者特异性的假体装置。所述装置包括：假体设备；以及假体适配器，其被配置为被固定在所述假体设备内，其中，所述假体适配器包括：匹配所述假体设备的一部分的形状的内表面，以及匹配患者的解剖结构的外表面。
在一个实施例中，所述假体设备被至少部分地固定在所述假体适配器内。
在一个实施例中，所述假体适配器通过三维打印来制造。
在一个实施例中，所述假体适配器被配置为适应局部变化的刚性和弹性要求。
在一个实施例中，所述假体设备经由所述假体设备和所述假体适配器中的每个上的多个螺纹或经由至少一个销被固定到所述假体适配器。
在一个实施例中，所述假体适配器被配置为多个部件。
在又一方面中，各种实施例涉及一种包括计算机可执行指令计算机可读介质，所述计算机可执行指令用于生成患者特异性的假体装置。所述介质包括：用于接收患者的解剖结构的三维模型的计算机可执行指令；用于接收假体设备的三维模板的计算机可执行指令；用于从所述患者的解剖结构的所述三维模型减去所述假体设备的所述三维模板以生成针对假体适配器的差异模型的计算机可执行指令；以及用于基于针对所述假体适配器的所述差异模型来制造三维假体适配器的计算机可执行指令，其中，所制造的假体适配器包括：匹配所述假体设备的所述部分的形状的内表面和匹配所述患者的解剖结构的外表面。
本文中描述的各种实施例涉及用于生成患者特异性的假体装置的方法、包括用于执行所述方法的处理器的设备、以及被编码有用于使处理器执行所述方法的计算机可读介质；所述方法包括：获得表示患者的解剖结构的一部分的图像数据；获得表示备件设备的至少一部分的三维备件模板；基于所述图像数据和所述备件模板来生成表示适配器设备的三维适配器模型，其中，所述适配器模型定义与所述备件设备的所述部分和由所述图像数据定义的表面互补的至少一个腔。
描述了各种实施例，其中：所述图像数据包括三维图像数据；并且生成所述三维适配器模型包括从所述图像数据的体积数据减去所述备件模板的体积数据。
描述了各种实施例，其中：所述图像数据将骨组织表示为三维体积，并且将所述患者的髓腔表示为空的空间；并且生成所述三维适配器模型包括：将所述图像数据和备件模板进行对齐，使得所述备件设备的所述部分被设置在所述髓腔内，并且生成表示所述备件设备的所述部分与所述骨组织之间的体积的体积数据。
描述了各种实施例，其中，所述备件模板在所述备件设备的所述部分上定义至少一个联接结构，其中，生成所述三维适配器模型在所述适配器设备上生成至少一个互补联接结构。
描述了各种实施例，其中获得表示所述患者的解剖结构的一部分的图像数据包括接收通过成像设备获得的三维解剖结构模型。
描述了各种实施例，其中获得表示所述患者的解剖结构的一部分的图像数据包括：接收通过成像设备获得的医学扫描数据；并且将所述医学扫描数据转换为三维解剖结构模型。
各种实施例额外地包括将所述三维适配器模型传输给三维打印机以用于生产。
描述了各种实施例，其中所述三维适配器模型包括被配置为适应局部变化的刚性和弹性要求的材料元数据。
附图说明
为了更好地理解各种示范性实施例，参考附图，其中：
图1图示了根据一个实施例的用于生成患者特异性的假体装置的系统；
图2图示了根据一个实施例的患者的解剖结构的一部分的模型；
图3图示了根据一个实施例的备件假体设备的模板；
图4图示了根据一个实施例的图3的模板的前视图；
图5图示了根据一个实施例的图3的模板的侧视图；
图6A–B图示了被叠加到图2的模型上的图3的模板的部分；
图7图示了根据一个实施例的针对假体适配器的差异模型；
图8图示了根据一个实施例的所制造的假体适配器；
图9图示了根据一个实施例的正被组装的患者特异性的假体装置；
图10图示了根据一个实施例的所组装的患者特异性的假体装置；
图11图示了根据一个实施例的具有螺纹的假体设备和假体适配器；
图12A–B图示了根据一个实施例的具有销和闩锁固定机构的假体设备和假体适配器；
图13描绘了根据一个实施例的用于生成患者特异性的假体装置的方法的流程图；
图14描绘了根据另一实施例的用于生成患者特异性的假体装置的方法的流程图；并且
图15图示了根据一个实施例的用于实施本文中描述的方法的硬件设备的范例。
具体实施方式
下面参考形成本发明的一部分并且示出特定示范性实施例的附图更完全地描述各种实施例。然而，本公开的概念可以以许多不同的形式实施并且不应当被解读为限于本文所阐述的实施例；相反，这些实施例被提供为透彻和完整公开内容的一部分以将本公开的概念、技术和实施方案的范围传达给本领域技术人员。实施例可以被实践为方法、系统或设备。因此，实施例可以采取硬件实施方案、完全软件实施方案或者组合软件和硬件方面的实施方案的形式。因此，以下详细描述不应在限制性的意义上理解。
在说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例所描述的具体特征、结构或特性被包括在根据本公开的至少一个范例实施方案或技术中。说明书中的各个地方的短语“在一个实施例中”的出现不一定全部指代同一实施例。
根据被存储在计算机存储器中的非瞬态信号上的操作的符号表示来呈现下面的描述的一些部分。这些描述和表示被数据处理领域中的技术人员用于最有效地将其工作的实质传达给本领域其他技术人员。这样的操作通常要求对物理量的物理操纵。通常，尽管不是必要地的，这些量采取能够被存储、转移、组合、比较和以其他方式操纵的电、磁或光学信号的形式。方便地，有时主要出于常用的原因，将这些信号称为比特、值、元素、符号、字母、术语、数字等。此外，同样方便地，有时在失一般性的情况下，将要求物理量的物理操纵的步骤的某些布置称为模块或代码设备。
然而，所有这些和相似术语将与适当的物理量相关联并且仅仅是应用到这些量的方便的标签。除非另外特别说明，否则如根据下文的讨论明显的，将意识到，贯穿本说明书，利用诸如“处理”或“运算”或“计算”或“确定”或“显示”等术语的讨论指代计算机系统或者类似电子计算设备的动作和过程，其操纵并且变换被表示为计算机系统存储器或寄存器或其他这样的信息存储、传输或显示设备内的物理(电子)量的数据。本公开的各部分包括过程和指令，所述过程和指令可以以软件、固件或硬件来实现并且当以软件实现时可以被下载以驻留在由各种操作系统使用的不同平台上并且从其来操作。
本公开还涉及用于执行本文中的操作的装置。该装置可以专门出于所要求的目的而构造或者其可以包括由被存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算机。这样的计算机程序可以被存储在计算机可读存储介质中，所述计算机可读存储介质可以包含易失性和非易失性存储器两者(但不包括瞬态信号)，诸如但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、CD-ROM、磁光盘、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、EPROM、EEPROM、磁或光卡、专用集成电路(ASIC)或者适于存储电子指令的任何类型的介质，并且每个可以被耦合到计算机系统总线。此外，说明书中所提到的计算机可以包括单个处理器或者可以是采用针对增加的计算能力的多个处理器设计的架构。
本文所提出的过程和显示器固有地不涉及任何具体计算机或其他装置。各种通用系统也可以与根据本文中的教导的程序一起使用，或者构造更多专用装置以执行一个或多个方法步骤可以证明是方便的。在以下描述中讨论了用于各种这些系统的结构。另外，可以使用足以实现本公开的技术和实施方案的任何具体编程语言。各种编程语言可以被用于实施本公开，如本文所讨论的。
另外，在说明书中所使用的语言已经主要被选择用于可读性和指导性的目的并且其可能未被选择为描绘或限制所公开的主题。因此，本公开旨在说明而非限制本文所讨论的概念的范围。
鉴于上面讨论的现有假体设备和方法的缺点，本文中描述的各种实施例的特征涉及包括备件假体设备和假体适配器的患者特异性的假体装置。本文中描述的该装置和方法组合被批量制造为精确地匹配期望的功能性质(例如，机械刚度)的备件假体设备与3D打印的假体适配器。假体适配器实质上充当用于假体设备的“护套”。假体适配器可以提供期望的患者特异性解剖形状，同时在其功能性质方面也容许更松的要求。
图1图示了根据一个实施例的用于生成患者特异性的假体装置的示范性系统100。系统100可以包括可由操作者访问的用户接口102、系统总线104、通信设备106、图像收集设备108、存储设备110、存储器112、处理器114和制造设备116。适合于实践本文中描述的原理的其各种备选部件或布置将会是显而易见的。例如，应理解，在一些实施例中，图像收集设备108和制造设备116中的一个或多个可以是与包含处理器114的设备(和系统100的其他部件)在物理上分开且独立的设备。进一步地，在一些实施例中，特定部件可以被完全省略。例如，在一些实施例中，用户接口102可以被省略，并且处理器114可以通过经由通信设备106从另一设备接收的指令被命令为驱动植入物的创建。
用户接口102可以是能够从操作者(例如，医务人员)接收指令并且向操作者呈现信息的任何种类的接口。用户接口102可以包括显示器、扬声器、麦克风，并且可以被配置为PC、笔记本电脑、平板电脑、移动设备等。(一个或多个)用户接口102的精确配置可以改变，只要(一个或多个)用户接口102能够从操作者接收指令并且向操作者呈现信息。
系统总线104可以使得信息能够在系统100的各种设备之间被传输。例如，系统总线可以使得指令能够从用户接口102被通信给图像收集设备108。
通信设备106可以实现系统100的部件与其他外部部件之间的通信。例如，通信设备106可以包括有线或无线网络接口、USB接口、或用于允许消息在设备之间被交换的其他接口。通信设备106可以例如接收与一个或多个患者有关的模板、模型或其他类型的影像。类似地，通信设备106可以将关于具体患者的数据(例如，影像)通信给系统100外部的其他设备。这种通信可以通过本领域中已知的任何类型的有线或无线连接来进行。
图像收集设备108可以是能够收集关于患者的解剖结构的信息的任何类型的成像设备。图像收集设备108可以是能够收集患者的解剖结构(或患者的解剖结构的一部分)的2D或3D图像的设备。在一个实施例中图像收集设备108可以是计算机断层摄影(CT)扫描设备。在这些实施例中，CT扫描设备可以收集并组合从关于患者的各种位置获取的多幅X射线图像。这些多幅图像可以被组合以产生例如患者的解剖结构的各种部分的横截面图像或切片。在其他实施例中，图像收集设备108可以是磁共振成像(MRI)设备。在一些实施例中，图像收集设备108可以不与系统总线104直接通信，并且替代地可以是物理上分开的设备，并且可以经由通信设备106与例如处理器114通信。
图像收集设备108不一定是3D成像设备。在一些实施例中，图像收集设备108可以收集患者的解剖结构的二维(2D)影像。例如，图像收集设备108可以使用本领域中已知的投影技术收集能够用来形成(一个或多个)3D模型的多个2D X射线图像。在一些实施例中，2D图像可以用来修改预先存在的模板3D模型，例如，在所采集的2D图像一起不足以重建整个3D模型的情况下。在这样的实施例中，2D图像可以至少足以基于能够被观察到的(一个或多个)解剖概况来定制模板3D模型的一个或多个表面部分。在一些这样的实施例中，在可用图像中不可见的3D模型上的其他表面的随后内插在一些应用中可以提供植入物的有用‘局部’定制。
存储设备110可以以各种各样的格式存储各种类型的数据。例如，存储设备110可以存储与具体患者有关的数据(诸如其解剖结构)以及其他类型的医学信息。
存储设备110还可以存储备件假体设备的任何数量的3D模板。这些假体设备可以是之前建模的，并且可以是通过公共和/或私人服务可获得的。
存储设备110可以存储用于各种各样的不同身体部分的假体设备的3D模板。这些可以包括假体臀部设备、假体臂部设备、假体腿部设备等的模型。还可以存在针对这些各种假体设备的多种多样的形状和尺寸以适应各种尺寸、体格和形状的患者。例如，存储设备110可以存储可以在长度和厚度上改变的股骨假体设备的多个模板。虽然本文中描述的各种实施例涉及股骨髓内植入物，进行修改以将该原理应用于其他形式的植入物(例如，髓内或以另外的方式)将是显而易见的。
存储器112可以是L1、L2、L3高速缓存或RAM存储器配置。存储器112可以包括如上面讨论的非易失性存储器(诸如闪存、EPROM、EEPROM、ROM和PROM)或易失性存储器(诸如静态或动态RAM)。存储器112的精确配置/类型当然可以改变，只要信息(诸如与模型生成、模板生成和制造有关的指令)能够被存储和被检索。
处理器114可以是能够执行被存储在存储器112中的指令以处理关于影像的数据、生成、模型并且为制造设备116提供指令的任何硬件设备。处理器114可以是微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、或类似类型的设备。在一些实施例中，诸如依赖于一个或多个ASIC的那些，被描述为经由软件部分地提供的功能性反而可以被配置到ASIC的设计内，并且因此相关联的软件可以被省略。
处理器114可以还包括图像处理模块118和减法模块120。图像处理模块118可以对所接收的影像执行任何必要的处理步骤。例如，图像处理模块118可以处理患者的解剖结构的多幅X射线图像以生成患者的解剖结构的3D模型。
处理器114还可以查询存储设备110以检索一个或多个之前存储的3D假体设备模板。或，骨科外科医生或其他医务人员可以经由用户接口102针对来自一组备件假体设备模板的适当模板来查询存储设备110。骨科外科医生等可以基于任何数量的准则来选择该模板。
图2图示了患者的解剖结构的示范性3D模型200。如所图示的，该模型200是患者的股骨部分的3D模型。然而，本文中描述的各种实施例的特征可以涉及患者的解剖结构的任何部分。
图3图示了股骨假体设备的3D模板300。模板300可以包括头部分302、颈部部分304和轴部分306。该具体假体设备(和其对应模板300)可以已经基于其在尺寸上与图2的3D模型200的类似性和/或基于任何数量的准则来选择。模板300基于的实际假体设备可以由操作者(诸如医务人员)容易地访问。例如，具体医疗机构可以具有大量的各种备件假体设备。这些假体设备一般由钢或钛形成。
患者的解剖结构的3D模型200和备件假体设备的3D模板300然后可以被通信给减法模块120。模型200和模板300可以经由用户接口102上的显示器使用任何合适的计算机辅助绘图(CAD)工具被呈现给操作者(诸如骨科外科医生)。模型200和模板300可以被定位在任何类型的CAD工具的相同坐标系中。
接下来，模板300的一部分可以被选择。例如，图4图示了模板300和模板300的选定部分400的前视图。该选定部分400可以由操作者(诸如医务人员等)定义。操作者可以通过例如在部分400上面拖曳光标来选择该部分400。尽管部分400在二维上进行定义，但是突出的部分400也可以在三维上进行定义。图5图示了模板300的侧视图，并且类似地图示了模板300的另一选定部分500。
选定部分400和500(以及任何其他所需的选定部分)然后可以被叠加到模型200上。例如，突出显示的部分400和模型200可以被定位在CAD程序中的相同坐标系中。操作者可以将选定部分400定位在模型200上面，使得模型200的顶部和选定部分400的顶部彼此对齐，如在图6A中图示的。因此，模板300的选定部分400在模型200“内”。
类似地，图6B图示了被叠加在模型200的侧视图(通过该组坐标轴指示)上的选定部分500。如在图6A中，操作者可以定位选定部分500，使得选定部分500的顶部与模型200的顶部对齐。因此，模板300的部分500在模型200“内”。
减法模块120然后可以减去或要不然移除模型200的对应于在图4和5中选择的模板的部分的形状和尺寸的部分。减法模块120可以使用任何合适的CAD技术、命令或工具减去该部分。将会显而易见的是，虽然术语‘减法’在本文中描述各种实施例中使用，但是在其他实施例中取决于图像数据或模型数据的形式，其他操作可以是适当的。例如，对于解剖结构模型200将髓内腔表示为实体体积的髓内植入物，减法可以是适当的。在备选实施例中，其中解剖结构模型200的实体体积表示骨或其他组织并且髓内腔被表示为没有体积数据，模型200、300可以被对齐，并且反演操作可以被执行以创建适配器的模型。
还将显而易见的是，在一些实施例中，在模型准备好打印之前，两个模型200、300之间的减法、反演或其他操作可以不是最终操作。例如，在一些实施例中(例如，使用反演的那些)，额外体积(诸如完全在骨外部的任何体积)可以从反演的模型“修剪掉”。在一些实施例中，适配器模型的表面可以相对于中心轴线被稍微缩小或扩大，以提供适配器与备件植入物或患者解剖结构之间的更宽的公差配合。在一些实施例中，额外的减法可以被执行以确保适配器能够被完全纵向地插入到患者的髓腔内(例如，内部突出可以被平滑)。各种额外的后处理步骤将会是显而易见的。
在一些实施例中，减法可以在没有任何手动选择的情况下被执行。例如，两个模型200、300可以基于共同参考点(例如，指示原点或其他感兴趣点的元数据)被自动对齐。备选地，处理器可以简单地将植入物模型在图像数据中定义的腔(例如，髓腔)内以腔内完成设置的许多可能的对齐中的一种对齐。在一些实施例中，植入物模型300可以仅描绘要被使用的物理备件植入物的一部分，例如，仅要被插入到骨内或要被设置在要被创建的适配器内的那些部分。
图7图示了假体适配器的差异模型700(其为在减法之后的模型200)的等轴测视图。如能够看出的，部分702已经被移除(通过虚线指示)。移除的部分702具有与在图4和5中选择的模板300的部分至少基本上相同的形状和尺寸。操作者(诸如医务人员、骨科外科医生等)也可以有机会执行对差异模型700的进一步修改。
针对假体适配器的差异模型700可以被通信给制造设备116(即，制造设备116的计算单元)以进行制造。差异模型700可以以数字模型数据、3D模型、添加制造文件(AMF)、立体光固化成型(STL)文件等的形式被通信。因此，制造设备116可以是任何类型的3D打印或添加制造设备。在各种实施例中，制造设备116可以是独立的设备，并且替代地可以经由通信设备106与例如处理器114通信。
所使用的确切制造工艺可以改变。制造设备116可以经由选择性激光熔化技术、直接金属激光烧结技术、选择性激光烧结技术、熔融沉积建模技术、熔融线材制造技术、立体光固化成型技术、分层实体制造技术等中的任一种来制造假体适配器。制造技术的类型(以及制造设备116的类型)可以改变，并且可以取决于速度、成本、和操作者和/或患者的具体需要。
所制造的假体适配器的材料也可以改变。一般地，假体适配器可以由任何类型的材料形成，无论是现在可用的还是今后发明的，只要它能够实现具体患者的生物功能要求。
假体适配器不必被建模/制造为一件。例如，图8图示了根据一个实施例的所制造的假体适配器800。在该实施例中，假体适配器800包括四个部件802。例如，部件可以经由粘合剂物质或机械联接装置被接合在一起。在一些这样的实施例中，图像处理模块118可以进一步适合于添加或减去一些机构，为从患者的解剖数据产生的模型200提供这样的联接装置。在一些实施例中，联接装置可以已经被形成在备件植入物模型中(例如，在螺纹的情况下)，并且初始减法步骤可以已经足以实现补充联接结构在适配器模型中的创建。
图9图示了根据一个实施例的正被组装的患者特异性的假体装置900。在图9中，假体装置900包括假体设备902和所制造的基于图7的差异模型700的假体适配器904。在该具体实施例中，假体设备902是图3的模板300基于的设备。
具体地，图9图示了假体设备902正被插入到假体适配器904内。这种插入通过箭头906来指示。图10图示了假体设备902被至少部分地插入到假体适配器904内。
患者特异性的假体装置900的部件可以以各种各样的方式被固定或者被紧固在一起。例如，图11图示了假体适配器1100和假体设备1102，两者都包括多个螺纹1104。因此，假体设备1102可以被拧入假体适配器1100，并且经由多个螺纹1104与假体适配器1100紧固在一起。
在其他实施例中，患者特异性的假体装置的部件可以经由销和闩锁机构被固定或者被紧固在一起。例如，图12A图示了假体适配器1200和假体设备1202的局部视图。假体适配器1200和假体设备1202中的每个可以包括被附加在其上的一个或多个闩锁机构1204，使得当假体设备1202被插入到假体适配器1200内时，闩锁机构1204的孔彼此同心地对齐。
图12B图示了假体设备1202被插入到假体适配器1200内。闩锁机构1204的孔被对齐，使得销1206能够通过每个闩锁机构1204的孔被插入，由此固定假体设备1202与假体适配器1200。销1206可以还包括可移除帽，以确保销不从闩锁机构1204滑出。
这些类型的机构仅仅是示范性的，并且其他紧固或固定方法可以被类似地使用。例如，假体适配器的内部和/或假体设备的外部可以在插入之前被涂覆有粘合剂物质。或，部件可以纯粹通过压配合来紧固。一旦被构建，患者特异性的假体装置就可以被植入在患者中。
图13描绘了根据一个实施例的用于生成患者特异性的假体装置的方法1300的流程图。在一些实施例中，方法1300(或其一些步骤)可以对应于属于图像处理模块118或减法模块120的软件指令。步骤1302包含接收患者的解剖结构的三维模型。该模型可以类似于图2的模型200。模型可以从任何合适类型的图像捕获设备和/或图像处理模块接收。该模型实质上充当患者特异性适配器的基础。模型的外表面可以匹配患者的解剖结构的一部分，诸如患者的股骨的形状(例如，患者的股骨髓腔的内表面)。模型可以经由用户接口被呈现给操作者，诸如骨科外科医生或其他类型的感兴趣人员。
步骤1304包含接收假体设备的三维模板。操作者可以搜索或查询一个或多个数据库，诸如用于三维模板的存储设备110。操作者可以基于假体设备的类型和/或基于在步骤1302中接收的解剖结构模型的尺寸和形状来搜索具体假体设备的模板。例如，操作者可以经由用户接口102通过输入或选择“股骨假体设备”来查询存储设备110，并且然后基于尺寸、材料等对结果进行过滤。
诸如操作者工作的医疗机构可以具有多个假体设备的常备供应，并且存储设备110可以存储库存的假体设备的模板。此外，存储设备110可以存储医疗机构中未库存的假体设备的模板。在这种情况下，操作者会必须从供应商订购具体假体设备。
步骤1306包含从患者的解剖结构的三维模型减去假体设备的三维模板的一部分以生成针对假体适配器的差异模型。该步骤可以由任何合适的CAD程序、工具或命令来执行，并且可以经由之前讨论的方法来执行。例如，操作者可以选择对应于要从患者的解剖结构的模型移除的部分的假体设备模板的具体部分。该部分的尺寸和形状可以改变，只要所制造的假体适配器和假体设备能够被固定在一起以实现被本文中描述的各种特征。
步骤1308包含基于针对假体适配器的差异模型来制造三维假体适配器，其中所制造的假体适配器包括匹配假体设备的该部分的形状的内表面和匹配患者的解剖结构的外表面。步骤1308可以由如之前讨论的任何合适的三维打印设备来执行。内表面可以匹配假体设备的该部分的形状，使得假体适配器能够至少接收假体设备的该部分。此外，假体适配器的外表面可以至少基本上匹配患者的解剖结构的一部分(例如，患者的股骨解剖结构)的形状。
假体适配器也可以被制造为适应局部变化的刚性和弹性要求。这些要求可以基于假体设备的具体形状和尺寸、假体适配器的形状和尺寸、感兴趣的解剖部分、以及特异于患者的其他要求。例如，如果它遭受大量压力或力，与模型一起包括的元数据可以指定假体适配器的某些部分可以被制造得更密实。或，元数据可以定义其材料或性质，使得假体适配器的某些部分可以配置得更有弹性以允许一定程度的柔韧性。
图14描绘了根据另一实施例的用于生成患者特异性的假体装置的方法1400的流程图。在一些实施例中，方法1400(或其一部分)可以对应于属于图像处理模块118或减法模块120的软件指令。步骤1406、1408、1410和1412分别类似于图13的步骤1302、1304、1306和1308，并在此不进行重复。
步骤1402、1404和1414是任选的。步骤1402包含收集患者的解剖结构的影像。该影像可以是患者的解剖结构的具体部分，诸如患者的股骨或其一部分。例如，在所图示的植入物的实施例中，影像可以至少捕获患者的左或右(取决于植入物的预期位置)股骨髓腔的近侧部分。该影像可以在医疗机构处使用例如CT扫描器、MRI扫描器或X射线机器来收集。
步骤1404包含将所收集的患者的解剖结构的影像转换成患者的解剖结构的三维模型。所收集的影像可以使用任何合适的图像分析工具、程序、技术或命令被转换为3D模型。
步骤1414可以在假体适配器被制造之后发生，并且包含将假体设备固定到所制造的假体适配器。如之前提到的，操作者可以访问多个备件假体设备。操作者因此可以获得假体设备模板基于的实际假体设备。假体设备和假体适配器可以以各种各样的方式被固定到彼此。如之前讨论的，这些可以包括螺纹、销和闩锁机构、粘合剂、或压配合。所使用的精确设备或技术可以改变，只要假体设备和假体适配器能够被固定在一起以实现本文中描述的各种特征。
图15图示了根据一个实施例的用于生成患者特异性的假体装置的示范性硬件设备1500。如图所示，设备1500包括经由一个或多个系统总线1510相互连接的处理器1520、存储器1530、用户接口1540、网络接口1550和存储设备1560。应理解，在一些方面中图15构成必要的简化，并且设备1500的部件的实际组织可以是比所图示的更复杂的。
处理器1520可以是能够执行被存储在存储器1530或存储设备1560中的指令或要不然能够处理数据的任何硬件设备。因此，处理器可以包括微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、或其他类似的设备。
存储器1530可以包括各种存储器，例如L1，L2，或L3高速缓存或系统存储器。因此，存储器1530可以包括静态随机存取存储器(SRAM)、动态RAM(DRAM)、闪存、只读存储器(ROM)、或其他类似的存储器设备。
用户接口1540可以包括用于实现与用户的通信的一个或多个设备。例如，用户接口1540可以包括显示器、鼠标、和用于接收用户指令的键盘。在一些实施例中，用户接口1540可以包括可以经由网络接口1550被呈现给远程终端的命令行接口或图形用户接口。
网络接口1550可以包括用于实现与其他硬件设备的通信的一个或多个设备。例如，网络接口1550可以包括被配置为根据以太网协议通信的网络接口卡(NIC)。此外，网络接口1550可以实施用于根据TCP/IP协议的通信的TCP/IP栈。用于网络接口1550的各种备选或额外硬件或配置将会是显而易见的。
存储设备1560可以包括一个或多个机器可读存储介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪烁存储器设备、或类似的存储介质。在各种实施例中，存储设备1560可以存储用于由处理器1520执行的指令或处理器1520可以对其操作的数据。
例如，存储设备1560可以包括操作系统1561，所述操作系统1561包括用于处理所收集的患者的解剖结构的影像并且将它转换为3D模型的图像分析模块1562、用于从3D模型减去备件假体设备模板的一部分以形成用于假体适配器的差异模型的减法模块1663、用于定制适配器的图像数据1564(例如，从用于患者的成像设备检索的数据)、以及备件植入物、适配器植入物的3D模型等。
上文所讨论的方法、系统和设备是范例。各种配置可以酌情省略、替换或者添加各种流程或部件。例如，在备选配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行方法，并且可以添加、省略或组合该各种步骤。同样地，关于某些配置所描述的特征可以被组合在各种其他配置中。可以以类似的方式组合配置的不同方面和元件。同样地，技术演变并且因此许多元件是范例并且不限制本公开或权利要求的范围。
例如，以上参考根据本公开的实施例的方法、系统和计算机实施的产品的框图和/或操作图示描述本公开的实施例。框中所指出的功能/动作可以脱离如任何流程图中所示的顺序发生。例如，连续所示的两个框可以实际上基本上并发执行或可以有时以相反的顺序执行，这取决于所包含的功能/动作。额外地或备选地，并非任何流程图中所示的所有框都需要执行和/或运行。例如，如果给定流程图具有包含功能/动作的五个框，则可以是仅执行和/或运行五个框中的三个框的情况。在该范例中，可以执行和/或运行五个框中的三个框中的任一个。
值超过(或多于)第一阈值的陈述相当于值满足或超过比第一阈值稍微更大的第二阈值的陈述，例如，第二阈值是在相关系统的分辨率中比第一阈值更高的一个值。值小于(在其内)第一阈值的陈述相当于值小于或等于比第一阈值稍微更低的第二阈值的陈述，例如，第二阈值是在相关系统的分辨率中比第一阈值更低的一个值。
在说明书中给出了特定细节以提供对范例配置(包括实施方案)的透彻理解。然而，可以在没有这些特定细节的情况下实践配置。例如，众所周知的电路、过程、算法、结构和技术已经在没有不必要的细节的情况下被示出以便避免使配置难以理解。本说明书仅提供范例配置，并且不限制权利要求的范围、适用性或配置。相反，配置的先前描述将给本领域技术人员提供用于实施所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以在元件的功能和布置中做出各种改变。
已经描述若干范例配置，在不脱离本公开的精神的情况下，可以使用各种修改、备选构造、和等同物。例如，以上元件可以是更大的系统的部件，其中，其他规则可以接管流程或以其他方式修改本公开的各种实现试或技术的应用。同样地，可以在考虑以上元件之前、期间或者之后进行若干步骤。
已经提供本申请的描述和图示，本领域技术人员可以预想落入本申请中所讨论的一般发明构思内的变型、修改和替换实施例，其不脱离以下权利要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于生成患者特异性的假体装置的方法，所述方法包括：
获得表示患者的解剖结构的部分的图像数据；
获得表示备件设备的至少部分的三维备件模板；
基于所述图像数据和所述备件模板来生成表示适配器设备的三维适配器模型，其中，所述适配器模型定义与所述备件设备的所述部分和由所述图像数据定义的表面互补的至少一个腔。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述图像数据包括三维图像数据；并且
生成所述三维适配器模型包括从所述图像数据的体积数据减去所述备件模板的体积数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述图像数据将骨组织表示为三维体积并将所述患者的髓腔表示为空的空间；并且
生成所述三维适配器模型包括：
将所述图像数据和备件模板进行对齐，使得所述备件设备的所述部分被设置在所述髓腔内，并且
生成表示所述备件设备的所述部分与所述骨组织之间的体积的体积数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述备件模板在所述备件设备的所述部分上定义至少一个联接结构，
其中，生成所述三维适配器模型在所述适配器设备上生成至少一个互补联接结构。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，获得表示所述患者的解剖结构的部分的图像数据包括接收由成像设备获得的三维解剖结构模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，获得表示所述患者的解剖结构的部分的图像数据包括：
接收由成像设备获得的医学扫描数据，并且
将所述医学扫描数据转换为三维解剖结构模型。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述三维适配器模型传输给三维打印机以便进行生产。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述三维适配器模型包括被配置为适应局部变化的刚性和弹性要求的材料元数据。
9.一种计算机可读介质，包含用于生成患者特异性的假体装置的计算机可执行指令，所述介质包括：
用于获得表示患者的解剖结构的部分的图像数据的指令；
用于获得表示备件设备的至少部分的三维备件模板的指令；
用于基于所述图像数据和所述备件模板来生成表示适配器设备的三维适配器模型的指令，其中，所述适配器模型定义与所述备件设备的所述部分和由所述图像数据定义的表面互补的至少一个腔。
10.根据权利要求9所述的计算机可读介质，其中：
所述图像数据包括三维图像数据；并且
生成所述三维适配器模型包括从所述图像数据的体积数据减去所述备件模板的体积数据。
11.根据权利要求9所述的计算机可读介质，其中：
所述图像数据将骨组织表示为三维体积并将所述患者的髓腔表示为空的空间；并且
用于生成所述三维适配器模型的所述指令包括：
用于将所述图像数据和备件模板进行对齐使得所述备件设备的所述部分被设置在所述髓腔内的指令，以及
用于生成表示所述备件设备的所述部分与所述骨组织之间的体积的体积数据的指令。
12.根据权利要求1所述的计算机可读介质，其中，所述备件模板在所述备件设备的所述部分上定义至少一个联接结构，
其中，用于生成所述三维适配器模型的所述指令在所述适配器设备上生成至少一个互补联接结构。
13.根据权利要求1所述的计算机可读介质，其中，用于获得表示所述患者的解剖结构的部分的图像数据的所述指令包括用于接收由成像设备获得的三维解剖结构模型的指令。
14.根据权利要求1所述的计算机可读介质，其中，用于获得表示所述患者的解剖结构的部分的图像数据的所述指令包括：
用于接收由成像设备获得的医学扫描数据的指令
用于将所述医学扫描数据转换为三维解剖结构模型的指令。
15.根据权利要求1所述的计算机可读介质，还包括用于将所述三维适配器模型传输给三维打印机以便进行生产的指令。
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