CN110536660A - 定制的植入物创建 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及定制植入物的创建。为了提供具有改进适应性的植入物，提供了一种用于定制植入物数据集创建的设备(10)。所述设备包括输入接口(12)和输出接口(14)；以及处理单元(16)。所述输入接口被配置为向处理单元提供要插入植入物的患者的肌肉骨骼系统数据集(18)。为了制造定制的植入物，所述处理单元被配置为基于所述肌肉骨骼系统数据集来生成定制的植入物数据集(19)。

Description

定制的植入物创建
技术领域
本发明涉及用于定制植入物数据集创建的设备，涉及具有这样的设备的系统，涉及用于创建定制植入物数据集的方法，涉及用于控制这样的设备的计算机程序单元和存储有所述程序单元的计算机可读介质。
背景技术
植入物被使用，例如，为了替换诸如骨骼或关节的身体结构。植入物可以被提供为适应患者的几何条件。作为示例，考虑到除患者的几何特性之外的其他准则，可能意图使植入物尽可能地适应患者。WO 2013134584 A1描述了一种通过以下来设计、生成和制造定制植入物的方法：获得要接收植入物的部位的3D图像，模拟所述部位的体积变化，生成虚拟3D植入物，并且制造真实3D植入物。然而，已经表明植入物应该具有改进的适应能力。
发明内容
因此可能需要提供具有改善的适应性的植入物。
本发明的目的通过独立权利要求的主题来解决；在从属权利要求中并入了另外的实施例。应当注意，本发明的以下描述的方面也适用于用于定制植入物数据集创建的设备，适用于具有这种设备的系统，适用于创建定制植入物数据集的方法，并且适用于控制这样的设备的计算机程序单元并且还适用于存储有所述程序单元的计算机可读介质。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于定制植入物数据集创建的设备，所述设备包括输入接口、输出接口和处理单元。所述输入接口被配置为向处理单元提供要插入植入物的患者的肌肉骨骼系统数据集。所述处理单元被配置为基于所述肌肉骨骼系统数据集来生成定制植入物数据集以用于制造定制植入物。肌肉骨骼系统数据集由不同的成像模态生成，包括谱计算机断层摄影(CT)扫描器、谱X射线扫描器、磁共振断层摄影(MRT)与计算机断层摄影(CT)扫描器的融合中的至少一个。
创建定制植入物数据集以根据插入体内的位置来获得针对患者的最佳匹配植入物。通过使用增强数据的益处，例如从光谱扫描器或其他合适的数据采集系统，可以以最佳方式构建植入物。除了几何信息之外，利用诸如光谱扫描器的设备的数据采集提供了关于骨的特性的额外信息，其用于使定制的植入物适应骨结构。这导致骨结构与植入物之间具有最佳匹配组合。
肌肉骨骼系统也可以称为人体运动系统，移动装置，运动装置或骨骼结构。
通过如上所述地生成肌肉骨骼系统数据集，可以获得关于骨骼周围的软组织结构(例如肌肉、肌腱和/或筋膜)的信息。这提供了关于(例如植入物将被插入其中的)人体位置处的动态力的信息。结果，围绕骨信息的软组织结构与骨骼密度和几何形状的叠加提供了肌肉骨骼系统的功能信息。该信息用于根据患者的肌肉骨骼系统的特定条件来定制植入物。
CT扫描器可以包括X射线管，所述X射线管发射电离辐射，所述电离辐射穿过检查区域和其中的物体或对象的一部分并且照射探测器阵列，所述探测器阵列被设置在检查区域对面，与所述X射线管相对。所述探测器产生指示探测到的辐射的投影数据。可以重建数据以生成指示对象或对象的部分和几何结构的体积图像数据。例如，对于光谱CT，光谱数据集或投影数据包括对应于不同光子能量范围的信号。在示例中，信号可以由至少一个探测器同时获得。在另一个示例中，两个能量信号可以通过两层探测器(例如光子计数探测器)同时通过在至少两个不同的峰值千伏(kVp)之间顺序切换而获得。有几种方法用于执行光谱CT扫描。例如，CT扫描器可以包括两个或更多个源，和/或至少一个被配置为在至少两个不同峰值千伏(kVps)之间切换的源，和/或具有能量分辨探测器的探测器阵列。在另一个示例中，可以通过应用不同的能谱过滤来获得光谱数据集。利用同时双层探测器(例如基于钇闪烁体)，探测器同时识别高能量和低能量的光子，从而允许不仅查看解剖结构，而且还查看关键结构的材料的含量。因此，光谱数据集是有价值的并且提供必要的信息以使植入物以最佳方式适应肌肉骨骼系统的检测材料特性。
肌肉骨骼系统数据集可以通过不同的成像模态生成，例如MRT系统和CT扫描器的融合，以获得骨结构的增强的成像数据，即作为输入数据的也针对软组织(肌肉)等的更多材料特性。
根据示例，处理单元还被配置为还考虑患者特定的负载概况来生成所述定制植入物数据集。
利用患者特定的负载概况的这样的额外信息，还可以使植入物适应患者特定的性质。患者特定的负载概况描述了患者的静态和动态运动情景。
患者特定的负载概况可以列出患者自然运动过程(如坐、站立、骑行、跑步、游泳等)的预期主要活动。
根据示例，肌肉骨骼系统数据集由骨骼几何形状、骨骼密度、骨骼健康和/或骨骼周围的组织结构组成。
捕获此信息显示了光谱扫描的过程值。在一个示例中，还可以预见将光谱CT扫描与标准DICOM(医学数字影像及通信)CT几何信息组合。
骨骼几何形状表示骨骼在三维坐标系中的尺寸，如长度、高度等。
骨骼密度表示骨骼状况。骨骼密度可能因患者而异。例如，这可以包含骨结构的孔隙率的信息。
骨骼健康表示骨骼状态，即例如骨骼是否被磨损或发炎。
围绕骨骼的组织结构包括例如肌肉结构、肌腱结构、骨骼周围的结缔组织或筋膜部分等。
通过考虑肌肉结构，植入物可以适应例如肌肉向骨骼的力传递，尤其是植入物与界面。这对于每个患者是不同的并且可以被考虑。
根据一个示例，所述定制植入物数据集包括植入物的尺寸和形状，植入物与骨结构的界面形状，植入物和骨结构上的固定点的位置，固定的方法；和/或材料的使用。
植入物的尺寸和形状包含植入物几何形状的信息。植入物与骨结构的界面形状还包含植入物界面点处的几何信息，以便最佳地匹配骨的界面点。固定点的位置提供了植入物上固定点的布置的信息。例如，固定点的位置涉及布置螺钉等以固定植入物的位置。将植入物固定在骨结构上的方法提供了使用哪种固定的信息。例如，它可以是螺纹连接或胶合连接。另外，所述数据集可以提供关于植入物中使用的材料的信息。在一个示例中，所述植入物利用单一材料或多种材料制成。例如，提供具有多种材料的植入物以设计植入物的功能部分并且植入物的界面部分利用生物相容性材料(涂层或多孔印刷以使骨生长到植入物中)。在植入物的设计中还存在额外的机会以改变专用位置处的材料特性以适应均匀动态负载匹配设计的刚度和/或柔性，以降低植入物与骨和/或固定点之间的界面处的过载区域的风险。
在示例中，所述处理单元被配置为基于肌肉骨骼系统数据集和患者特定的负载概况来执行静态模拟和动态模拟，以生成定制植入数据。
在示例中，所述处理单元被配置为基于肌肉骨骼系统数据集和患者特定的负载概况来执行静态模拟和动态模拟，以通过修改标准植入物数据集来生成定制植入物数据。
术语“标准植入物”涉及标准固定和尺寸的使用。使用标准植入物可能导致外科医师总是以相同的方式准备骨骼，然而，这可能具有缺点，但至少外科医师习惯于流程。可以通过修改标准植入物数据集来组合两者(即标准植入物和定制植入物)的优点。
标准植入物可以列在列出标准植入物的目录中，所述目录基于植入物在患者体内的目的地、大小等。
模拟可以在从一些标准值开始调整几何形状但考虑患者特定的负载概况和肌肉骨骼系统数据集的迭代过程中自动运行。
使用来自光谱数据集的完整几何信息以使完全定制的植入物精确地适合(剩余的)骨结构的几何形状，具有适应患者的个体几何形状的优点。
在一个示例中还提供了从零开始模拟，即，没有选择标准植入物，并且基于肌肉骨骼系统数据集和患者负载概况来生成定制植入物数据集，而无需从标准植入物开始。
通过基于骨骼结构的个体属性和患者特定的负载概况来模拟肌肉骨骼系统数据集和定制植入数据的不同组合，可以生成在定制植入物数据集中生成的完美匹配组合。例如，植入物和具有固定点的骨骼之间的界面可以以这样的方式配置：使得在患者的自然运动过程中在骨骼结构和定制植入物的界面上施加的力针对患者的属性以最佳方式调整。
根据示例，所述处理单元被配置为利用机械有限元分析来执行与患者特定的负载概况相关的静态模拟和动态模拟。有限元分析可以模拟例如在植入物的界面处和各个区域处相互作用的力，以基于患者负载概况设计在骨结构与植入物之间的动态相互作用期间具有最佳匹配特性的植入物。
根据本发明的第二方面，还提供了一种用于创建定制植入物数据集的系统。该系统包括光谱扫描器和用于定制植入物数据集创建的设备。光谱扫描器被配置为采集患者的光谱数据并生成肌肉骨骼系统数据集并将所述肌肉骨骼系统数据集提供给设备。
光谱扫描器可以是谱计算机断层摄影(CT)扫描器、谱X射线扫描器、或者磁共振断层摄影(MRT)与计算机断层摄影(CT)扫描器的融合。
根据示例，所述系统还包括3D打印机(三维打印机)。所述设备的输出接口被配置为将生成的定制植入物数据集发送到3D打印机。3D打印机被配置为基于定制植入物数据集来制造植入物。
根据示例，所述系统还包括基于定制植入物数据集来提供处置引导的图像数据集。
术语“图像数据集”涉及虚拟骨骼和定制植入物的图像信息。基于该图像数据集，向外科医师提供处置引导，即外科医师可以准备医学介入。可以以2D或3D数据提供虚拟图像数据集。
根据本发明的第三方面，还提供了一种用于创建定制植入物数据集的方法。所述方法包括以下步骤：
a)提供肌肉骨骼系统数据集；所述肌肉骨骼系统数据集是植入物要插入其中的骨结构的光谱CT数据集；并且
b)基于所述肌肉骨骼系统数据集来生成定制植入物数据集。
所述肌肉骨骼系统数据集由不同的成像模态生成，所述成像模态包括以下组中的至少一个：
-谱计算机断层摄影扫描器；
-谱X射线；以及
-磁共振断层摄影与计算机断层摄影器的融合。
根据示例，所述方法还包括提供患者特定的负载概况的步骤，并且在步骤b)中，还考虑所述患者特定的负载概况来生成定制植入物数据集。
提供患者特定的负载分布的步骤可在提供肌肉骨骼系统数据集之后操作，但也可同时操作。
这同样适用于步骤b)，即，仅考虑肌肉骨骼系统数据集或者还考虑患者负载概况来生成定制植入物数据集。
根据另一示例，所述方法还包括以下步骤：基于所述肌肉骨骼系统数据集和所述患者特定的负载概况来执行静态模拟和动态模拟，以生成定制植入数据；或者基于所述肌肉骨骼系统数据集和所述患者特定的负载概况执行静态模拟和动态模拟，通过修改标准植入物数据集来生成所述定制植入数据。
不应将这些步骤视为步骤a)和b)之后的附加步骤。这些步骤显示了在生成定制植入物数据集时处理单元的工作方式。
根据一个示例，所述方法包括以下步骤：
c)将定制植入物数据集发送到3D打印机；以及
d)基于定制植入物数据集来打印植入物。
在本发明的另一示范性实施例中，提供了一种计算机程序或计算机程序单元，其特征在于，其适于在合适的系统上执行根据前述实施例中的一个的方法的方法步骤。
计算机程序单元因此可以存储在计算单元上，其也可以是本发明的实施例的部分。该计算单元可以适于执行上述方法的步骤或引起上述方法的步骤的执行。此外，其可以适于操作上述装置的部件。所述计算单元可以适于自动地操作和/或执行用户的命令。计算机程序可被加载到数据处理器的工作存储器中。数据处理器因此可以被装备为实施本发明的方法。
本发明的该示例性实施例覆盖了从最开始使用本发明的计算机程序和借助于更新将现有程序转变为使用本发明的程序的计算机程序。
更进一步，计算机程序单元可以能够提供用以实现如上所述方法的范例性实施例的过程的所有必要步骤。
根据本发明的另一范例性实施例，提出了一种计算机可读介质，诸如CD-ROM，其中，所述计算机可读介质具有存储在其上的计算机程序单元，所述计算机程序单元由前一部分所描述。计算机程序可以存储和/或分布在适合的介质上，诸如与其他硬件一起提供的或者作为其一部分的光学存储介质或者固态介质，但也可以以其他形式分发，诸如经由互联网或其他有线或无线电信系统。
然而，计算机程序也可以通过如万维网的网络来提供并且可以被从这样的网络下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另外的示范性实施例，提供了一种用于使得计算机程序单元可供下载的介质，所述计算机程序单元被布置为执行本发明的先前描述的实施例中的一个。
参考下文所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并将得以阐述。
附图说明
下面将参考附图来描述本发明的示范性实施例：
图1示出了用于创建定制植入物数据集的设备的示例；
图2示出了具有这种设备的系统的示例；
图3示出了该系统的另一个示例；
图4图示了用于创建定制植入物数据集的方法的示例；并且
图5图示了用于基于定制植入物数据集来制造植入物的方法的示例。
具体实施方式
图1示出了用于定制植入物数据集创建的设备10。该设备包括输入接口12和输出接口14以及处理单元16。输入接口被配置为向处理单元提供患者的肌肉骨骼系统数据集18，其中，所述肌肉骨骼系统数据集是植入物要被插入其中的骨结构的光谱数据集。所述处理单元被配置为基于肌肉骨骼系统数据集来生成定制植入物数据集以用于制造定制植入物19。
所述光谱数据集由包括谱计算机断层摄影扫描器和/或谱X射线、和/或磁共振断层摄影和计算机断层摄影器的融合的不同光源来生成。
在另一个也未示出的示例中，所述处理单元还被配置为还考虑患者特定的负载概况来生成定制植入物数据集。
在另一个也未示出的示例中，所述肌肉骨骼系统数据集包括骨骼几何形状、骨骼密度、骨骼健康和骨骼周围的组织结构的数据。
在又一个未示出的示例中，定制植入物数据集包括植入物的尺寸和形状、植入物与骨结构的界面形状、植入物上的固定点的位置和骨结构的数据、固定的方法和/或材料的使用。
在未详细示出的另一示例中，所述处理单元被配置为利用机械有限元分析来执行与患者特定的负载分布相关的静态模拟和动态模拟。
图2示出了用于创建定制植入物数据集的系统20。系统20包括光谱扫描器22和设备10。光谱扫描器22被配置为采集患者的光谱数据24并生成肌肉骨骼系统数据集并将肌肉骨骼系统数据集18提供给所述设备。光谱扫描器可以是光谱CT扫描器、谱X射线扫描器和/或MRT扫描器。
图3示出了系统20的另一个实施例。系统20还包括3D打印机26，其中，设备10的输出接口14被配置为将定制植入物数据集19发送到3D打印机26。这可以直接或通过医院中的网络或外部传递服务来完成。3D打印机26被配置为基于定制植入物数据集来制造植入物28。
在未进一步示出的示例中，所述系统还包括基于定制植入物数据集来提供处置引导的图像数据集。
图4示出了方法40的基本步骤，其中，所述方法包括以下步骤：在第一步骤42中，也称为步骤a)，提供肌肉骨骼系统数据集。所述肌肉骨骼系统数据集是植入物要插入其中的骨结构的光谱CT数据集。在第二步骤44中，也称为步骤b)，基于所述肌肉骨骼系统数据集来生成定制植入物数据集。
图5示出了方法40的另一示例性实施例。该方法还包括提供46患者特定的负载概况的步骤。在步骤b)中，生成44定制植入物数据集也考虑所述患者特定的负载概况。
在示例中，由处理单元通过基于肌肉骨骼系统数据集和患者特定的负载概况来迭代地(由阵列示出)执行静态模拟和动态模拟来生成定制植入物数据集，以生成定制植入数据。
在另一示例中，由处理单元通过基于肌肉骨骼系统数据集和患者特定的负载概况执行静态模拟和动态模拟来生成定制植入物数据集，以通过修改标准植入物数据集来生成定制植入数据。
此外，一旦确定了定制植入物数据集，在一个示例中，所述方法还包括以下步骤：c)经由医院中的直接接口或外部递送服务将定制植入物数据集发送48到3D打印机，以及d)基于定制植入物数据集来打印50植入物。
必须指出，本发明的实施例是参考不同主题进行描述的。尤其地，一些实施例是参考方法型权利要求来描述的，而其他实施例是参考设备型权利要求来描述的。然而，本领域技术人员以上和以下描述可以得出，除非另行指出，除了属于同一类型的主题的特任的任何组合之外，涉及不同主题的特征之间的任何组合也被认为由本申请公开。然而，所有特征能够被组合，提供超过所述特征的简单加和的协同效应。
尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及从属权利要求，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单一处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的几个项目的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。权利要求书中的任何附图标记均不应被解释为对范围的限制。

Claims (14)

1.一种用于定制植入物数据集创建的设备(10)，所述设备包括：
-输入接口(12)和输出接口(14)；以及
-处理单元(16)；
其中，所述输入接口被配置为向所述处理单元提供植入物要被插入其中的患者的肌肉骨骼系统数据集；并且
其中，为了制造定制植入物，所述处理单元被配置为基于所述肌肉骨骼系统数据集来生成定制植入物数据集(19)；并且
其中，所述肌肉骨骼系统数据集由不同成像模态生成，所述不同成像模态包括以下组中的至少一个：
-谱计算机断层摄影扫描器；
-谱X射线；以及
-磁共振断层摄影与计算机断层摄影器的融合。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理单元还被配置为还考虑患者特定的负载概况来生成所述定制植入物数据集；
其中，所述患者特定的负载概况描述所述患者的静态和动态运动情景；并且
其中，优选地，所述患者特定的负载概况列出所述患者的自然运动过程的作为主要活动，所述患者的自然运动过程为以下组中的至少一项：坐、站立、骑行、跑步和游泳。
3.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其中，所述肌肉骨骼系统数据集包括以下组中的至少一项的数据：
-骨骼几何结构；
-骨骼密度；
-骨骼健康；以及
-围绕骨骼的组织结构，包括肌肉、肌腱和筋膜的信息。
4.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其中，所述定制植入物数据集包括以下组中的至少一项的数据：
-植入物的尺寸和形状；
-所述植入物与所述骨骼结构的界面形状；
-所述植入物和所述骨骼结构上的固定点的位置；
-固定的方法；以及
-材料的使用。
5.根据前述权利要求中的一项所述的设备，其中，所述处理单元被配置为利用机械有限元分析来执行与患者特定的负载概况有关的静态模拟和动态模拟。
6.一种用于创建定制植入物数据集的系统(20)，所述系统包括：
-光谱扫描器(22)；以及
-根据前述权利要求中的一项所述的设备(10)，
其中，所述光谱扫描器被配置为采集患者的光谱数据(24)并生成肌肉骨骼系统数据集；并且向所述设备提供所述肌肉骨骼系统数据集。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述系统还包括：
-3D打印机(26)；
其中，所述设备(10)的输出接口(14)被配置为将生成的定制植入物数据集(19)发送到所述3D打印机；并且
其中，所述3D打印机被配置为基于所述定制植入物数据集来制造植入物(28)。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其中，所述系统还包括：
-基于所述定制植入物数据集来提供处置引导的图像数据集。
9.一种用于创建定制植入物数据集的方法(40)，所述方法包括以下步骤：
a)提供(42)植入物要被插入其中的肌肉骨骼系统数据集；并且
b)基于所述肌肉骨骼系统数据集来生成(44)定制植入物数据集；
其中，所述肌肉骨骼系统数据集由不同成像模态生成，所述不同成像模态包括以下组中的至少一个：
-谱计算机断层摄影扫描器；
-谱X射线；并且
-磁共振断层摄影与计算机断层摄影器的融合。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述方法还包括以下步骤：
a1)提供(46)患者特定的负载概况；并且
其中，在步骤b)中，生成(44)定制植入物数据集也考虑所述患者特定的负载概况；
其中，所述患者特定的负载概况描述所述患者的静态和动态运动情景；并且
其中，优选地，所述患者特定的负载概况列出所述患者的自然运动过程的作为主要活动，所述患者的自然运动过程为以下组中的至少一项：坐、站立、骑行、跑步和游泳。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述方法还包括：
-基于所述肌肉骨骼系统数据集和所述患者特定的负载概况来执行静态模拟和动态模拟，以生成所述定制植入物数据；或者
-基于所述肌肉骨骼系统数据集和所述患者特定的负载概况来执行静态模拟和动态模拟，以通过修改标准植入物数据集来生成所述定制植入物数据。
12.根据权利要求9至11中的一项所述的方法，还包括：
c)将所述定制植入物数据集发送(48)到3D打印机；并且
d)基于所述定制植入物数据集来打印(50)所述植入物。
13.一种用于控制根据权利要求1至8中的一项所述的设备的计算机程序单元，所述计算机程序单元当由处理单元运行时适于执行根据权利要求9至12中的一项所述的方法的步骤。
14.一种存储有根据权利要求13所述的程序单元的计算机可读介质。
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