CN111491592A - 用于生产矫形装置的计算机实现的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于生产矫形装置的计算机实现的方法，包括以下步骤：a)接收具有患者数据(ScanData)的至少一个数据集；b)处理患者数据(ScanData)以创建患者模型；c)使用患者模型确定患者参数(P1，P2)；d)在使用患者参数(P1，P2)和装置参数(V1，V2)的同时生成矫形装置的虚拟表示；e)从至少一个用户接收至少一个输入；f)基于输入修改患者参数(P1，P2)和/或装置参数(V1，V2)中的至少一个；g)物理创建矫形装置。

Description

用于生产矫形装置的计算机实现的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种用于生产矫形装置的计算机实现的方法以及一种用于生产矫形装置的相应系统。
背景技术
矫形装置包括矫形器(矫正和预防)和假体(外假体和内假体)。当今，假体通常由模块化系统组装而成。构造不同的基础元件(例如，假体承窝、假体脚或手和假体管)，这些元件通过标准化的适配器螺纹连接在一起。围绕技术架构，通常创建美容装置，该美容装置尽可能接近地模仿天然的腿或手臂。在这方面，存在使患者辅助装置的外观尽可能地适配天然状况的需要。然而，通常无法掩饰与天然四肢的差别。因此，努力使这种患者辅助装置适配患者或穿戴者的个人需要或喜好。
从DE 20 2017 000 442 U1中已知这种矫形装置的示例。
当今，一名或多名医学专家还使内假体单独适配患者。在这方面，美学匹配自然不如定制的形式和功能重要。图案化的表面更有可能具有功能性，使得可以改善嵌入行为。
已知在计算机辅助下生产合适的矫形装置、特别是矫形器。特别是矫形器的最终生产现在日益伴随着计算机辅助方法(参见US 2014/0180185 A1)。因此，通常可能产生高度个体化的矫形器，其中描述患者辅助装置的装置参数包括个人喜好和功能细节。然而，在现有技术中，矫形患者辅助装置的模型的生成通常仅考虑由患者和/或监督矫形器生产的专家人员(例如，认证的修复师/矫形师、整形外科医生或医生)提供的很少信息。因此，需要进一步定制相关的矫形器并改善所涉及的人与系统之间的相互作用。
预防性矫形器(预防器、保护器)同样如此。但是，出于医学原因，也可以穿戴这些矫形器，以防例如在接触性运动、极限运动类型或赛车运动中受伤。在做出(购买)决定时，特别是美学上的适配(定制)可能是非医疗必需装置中的重要标准。这些预防性矫形器旨在为患者或穿戴者提供针对性支撑，以防止在运动期间受伤或受到外力或超负荷。例如，这可以是膝盖受伤后的定制预防性矫形器，它可以在康复期间或运动期间使膝盖承受一定的负荷。也可以考虑将定制颈椎矫形器用作摩托车骑手或赛车手的保护器，这保护他们在碰撞或事故期间免受伤害。进一步的示例是针对业余和专业领域中接触性运动的人(诸如足球运动员、冰球运动员、橄榄球和曲棍球运动员以及许多其他人)的定制保护器。
发明内容
从现有技术出发，本发明的目的是提供一种用于生产矫形装置的改进方法。特别地，优选在迭代过程中提供生产高级定制装置的可能性。此外，通过提供相应的方法来改善相应装置的功能和可接受性。
本发明通过提供根据权利要求1所述的计算机实现的方法来实现该目的。
特别地，该目的通过一种用于生产矫形装置的计算机实现的方法来解决，该方法包括以下步骤：
a)接收具有患者数据的至少一个数据集；
b)处理患者数据以创建患者模型；
c)使用患者模型确定患者参数；
d)在使用患者参数和装置参数的同时生成矫形装置的(虚拟)表示；
e)从至少一个用户接收至少一个输入；
f)基于输入修改患者参数和/或装置参数中的至少一个；
g)利用装置参数、患者参数和/或基于患者参数生成的矫形装置的模型来物理创建矫形装置。
因此，本发明的一个构思在于使用例如由断层扫描仪或(光学)扫描仪供应的原始数据，以生成患者模型。
因此，可以执行光学扫描方法(例如，使用具有结构化光的激光扫描仪、激光支持的扫描仪或立体光学扫描仪)，以获得原始数据。在一个实施例中，相机、特别是立体光学相机和/或仅具有一个透镜系统的相机用于从一系列图像进行数字3D重建。非光学扫描方法也可以用于获取原始数据。为此，可以执行CT扫描或MRI扫描。
附加地或替代地，也可以例如借助于直接位于患者身上的卷尺、或者通过测量患者的印模(例如石膏底片)手动获得必要的患者数据。也可以考虑触觉测量可能性，诸如测量卡尺、尺子或自动触觉测量机。
然后，可以使用该患者模型来得出患者参数，这些参数最终对于装置的最佳功能是必需的。
本发明的另一构思在于在装置的生产中考虑用户的输入，无论是由认证的修复师/矫形师还是患者的输入。适当的输入可以极大地有助于改善功能和患者辅助装置的可接受性。
矫形装置的物理创建可以包括控制至少一个生产机器、特别是3D打印机。通常，在该技术领域中，增材方法是优选的，并且产生极其稳定且重量轻的患者辅助装置。然而，根据本发明，也可以利用使用例如数控铣床的减材方法。也可以考虑使用不同的打印机和/或制造机器的组合方法。
本发明的另一构思在于生产过程的优化。前提是，监督生产的认证修复师/矫形师和有关患者应尽可能紧密地参与生产过程。因此，本发明提出了患者模型和/或装置和/或装置的模型的可视化。
然而，根据本发明，附加地或替代地，各个患者参数和/或装置参数也可以被可视化。为此目的，可以使用带有相关标签的(简单)图形。例如，可以显示在该技术领域中已知的以图形方式示出的测量表。
可视化可以是交互式的或静态的。可视化可以通过2D或3D模型进行。在一个实施例中，例如以对纸的2D或对3D打印机的3D的形式进行患者模型和/或装置模型的打印输出。
在一个实施例中，该可视化将在最早可能的时间点进行。在一个实施例中，生成患者模型的虚拟表示，其中矫形装置与患者模型一起被表示。可以使用Web服务器进行相应的表示。因此，图像或甚至3D数据可以通过Web浏览器可视化。在另一实施例中，本地程序可以被安装在用户(认证的修复师/矫形师或患者)的计算机上，以便提供患者模型和/或装置的适当表示。
在一个实施例中，可视化既可以显示给医学用户也可以显示给患者。对于提高矫形装置的可接受性水平，例如，如果用户(例如，在通常可访问的系统、诸如Web浏览器中)以3D形式或以2D形式(诸如PDF文件或JPG图像的一般可读格式)使矫形装置对患者的可视化，这特别有帮助。
该程序或Web浏览器也可以用于从(多个)用户获取输入。在一个实施例中，虚拟装置的表示与患者模型对齐。该对齐过程可以以自动化或部分自动化的方式进行。该方法的用户可以使用该表示来得出对患者模型或患者参数的必要适配。可以直接对患者模型或间接对患者参数进行相关适配。此外，用户可以适配装置参数，其中通过虚拟表示来支持用户的选择。
患者参数可以包括指定颈围、患者体重、一个或多个角度(例如脚的角度)、肩膀宽度以及适配器的位置的参数。装置参数还可包括至少一个设计参数和/或至少一个功能参数和/或至少一个设计参数，例如矫形患者辅助装置的颜色或所使用的图案。如所描述的，从至少一个用户接收至少一个输入可以包括从第一用户、例如从认证的修复师/矫形师接收至少一个第一输入，其中在一个实施例中，患者模型和/或至少一个患者参数基于第一用户的输入而发生。因此，根据本发明的方法使得能够与第一用户、特别是认证的修复师/矫形师进行交互。
附加地或替代地，该接收可以包括从至少一个第二用户、例如患者接收至少一个第二输入，其中优选地，基于第二用户的输入来修改至少一个装置参数。特别是在第一用户和第二用户进行输入的配置中，根据本发明的方法可以实现该输入的同步，从而考虑所有修改建议。
在一个实施例中，该方法对第一用户和/或第二用户进行认证，使得不会发生未授权或不希望的相关参数改变。优选地，实现授权数据库，该授权数据库例如将多个装置分配给该用户被允许处理的第一用户。例如，该认证可以基于第一用户最初订购装置的事实。附加地或替代地，授权数据库可以规定第二用户可以修改哪些参数、特别是哪些装置参数。在第二用户是患者的情况下，可以实施限制，从而防止第二用户改变功能上相关的参数。而是可以使第二用户专有地修改装置参数，诸如例如输入患者辅助装置的外观。
在一个实施例中，授权数据库还可以用于将特定的授权级别分配给相同类型的特定用户，例如，认证的修复师/矫形师或医生。因此，例如，已经根据所描述的方法执行了多个矫形装置或被标记为系统中的专家的认证的修复师/矫形师可以访问多个参数(专家模式)。
在一个实施例中，患者数据另外包括第二用户或患者的联系数据。该方法可以包括将消息电子传输到患者，提示患者进行输入或先前描述的输入。在一个实施例中，该消息包含URL，该URL使用户能够访问相应的输入掩码。替代地和附加地，可以包括用户识别和/或密码。附加地或替代地，患者数据可以用于认证患者。优选地，患者仅在他或她已经能够成功认证他或她自己时才可以输入。
引言中提到的目的进一步通过一种具有指令的计算机可读存储器来实现，所述指令用于在至少一个计算机单元上执行所述指令时用于实现根据前述方法之一。
出现与关于该方法所描述的优点类似的优点。
此外，该目的通过一种用于生产矫形装置的系统来实现，该系统优选地执行关于该方法描述的至少一些步骤。
在一个实施例中，该系统是具有以下的系统：
设计服务器，包括：
-至少一个数字接口，用于接收具有患者数据的数据记录；
-至少一个数据库，具有训练数据，用于基于患者数据和训练数据来创建患者模型；
-至少一个计算机单元，用于生成矫形装置的3D数据；和
-可视化设备，特别是web服务器，被配置为以装置的虚拟表示形式显示3D数据并从至少一个用户接收至少一个输入；
其中计算机单元使用输入以便
a)修改装置参数和/或患者参数，并且，
b)基于装置参数和患者参数，生成用于物理创建矫形装置的生产数据。
该系统还产生与结合该方法已经描述的优点类似或相同的优点。
附图说明
现在将使用在附图中示出的若干示例性实施例来更详细地描述本发明。
在附图中：
图1是用于生产矫形装置的系统的各个部件；
图2是图1的生产服务器的元件；
图3是用于生产矫形装置的各个方法步骤；
图4是根据本发明获得的足假体的示例；和
图5是根据本发明的图4的足假体的可视化。
1、互联网；10、CPO电脑；12、扫描仪；20、设计服务器；23、设计服务器接口；24、计算机单元；25、数据库；40、Web服务器；50、生产服务器；52、3D打印；100、患者计算机；210、预处理(例如，骨骼数据提取)；220、数据验证和优化；240、患者参数提取；260、矫形器模型创建；280、可视化；290、矫形器生产；ScanData、原始数据；MeshData、表面网络；MeshData’、校正后的表面网络；OrthData、3D矫形器模型数据；SkelData、骨数据；P1，P2，P2’、患者参数；V1，V2，V1’、矫形器参数。
具体实施方式
在下面的描述中，相同的附图标记将用于相同和相似作用的部分。
图1示出了在根据本发明的生产方法的过程中彼此通信的一些部件。这涉及CPO计算机10、患者计算机100、生产服务器50和设计服务器20。所有这些部件都可以经由网络通信，在所描述的示例性实施例中，经由互联网1相互连接。
CPO计算机10包括用于获取患者的表面结构的光学扫描仪12。这将产生原始数据(ScanData(扫描数据))。
在所描述的示例性实施例中，生产服务器50具有3D打印机52，因此可以产生任何期望的矫形器，只要设计服务器20提供了必要的数据即可。
现在将参考图2更详细地描述设计服务器20的各个部件。设计服务器20具有计算机单元24，该计算机单元至少部分地实现了下面描述的方法。另外，提供了设计接口23以用于与已经描述的CPO计算机10和患者计算机100进行通信。在优选的示例性实施例中，该通信经由网络服务器40发生，使得计算机10、100不需要它们自己的用于与设计服务器20通信的任何软件。因此，可以通过Web浏览器访问由设计服务器20提供的服务。
另外，提供了数据库25。该数据库25可以供应必要的模型数据，使得设计服务器20可以生产矫形器的模型。此外，可以将能够制作单个患者模型的模板或参数保存在数据库25中。数据库25还可以包含认证信息，以便管理对设计服务器20的访问，特别是对由此提供的服务的访问。
从图3可以看出，设计服务器20通过CPO计算机10接收由认证的修复师/矫形师获取的原始数据。该原始数据ScanData可以例如以DICOM格式提供。在预处理步骤210中，从原始数据获得患者的表面网络MeshData和骨骼数据SkelData。表面网络MeshData(Mesh)可以例如以STL格式生成为三角形网络。为了获得表面网络MeshData，从原始数据ScanData中提取表面点，并将获得的点云嵌入相应的网络中。
在骨骼数据SkelData的情况下，根据本发明，作为三角形网络的建模也是可能的。然而，优选地，关节和关节连接例如通过向量进行建模，并包括在合适的数据结构中。此外，对于每个关节，存储关于旋转和/或平移运动的通常自由度。
可以在随后的数据验证和优化步骤220中优化和验证表面网络MeshData和骨骼数据SkelData。在一个示例性实施例中，在步骤220中进行数据的显示，其中自动或通过计算机辅助进行校正。基于进行的校正，得到校正后的表面网络MeshData’。校正可以包括根据预定义的可能标准化的对齐来使骨骼数据SkelData进行对齐，其中，根据骨骼头数据SkelData的对齐来使校正后的表面网络MeshData’变形。
在患者参数提取步骤240中处理校正后的表面网络MeshData’和骨骼数据SkelData。优选地，在该步骤240中，借助于数据库25，获得患者模型。基于该患者模型，得出患者参数P1、P2。这些患者参数P1、P2可以在矫形器模型创建步骤260中使用，以生成矫形器的模型。优选地，提供矫形器参数的一些装置参数V1、V2已经可用。矫形器模型以及可能还有患者模型可以在可视化步骤280中可视化。
在一个示例性实施例中，可视化可以用于适配一些参数，例如，装置参数V1和患者参数P2。相应的适配可以由认证的修复师/矫形师进行，或者由相关的患者进行。可以在一个步骤中或在单独的步骤中执行适配。在参数改变之后，在新的矫形器模型创建260中，例如，可以使用修改后的装置参数V1’和修改后的患者参数P2’来创建矫形器的更新模型。这产生矫形器模型数据OrthData，如果在新的可视化280之后得到用户的认可，该数据将被传递到生产服务器50，以启动矫形器生产290。
在一个示例性实施例中，数据验证和优化步骤220包括例如根据特定的标准化规范的对齐校正。
为了校正扫描位置，需要表面网络MeshData和骨骼数据SkelData。如上所述，骨骼数据SkelData可以是简化的骨骼框架，该骨骼框架位于获取的对象的内部，因此位于表面网络MeshData内。在一个示例性实施例中，可获得对骨骼数据SkelData和表面网络MeshData之间的相互作用进行建模的数据。
例如，向量可以指定表面网络内的距离或支撑位点。可以基于存储在数据库25中的模板来获得相应的向量。
用于对齐校正的骨骼运动导致建模的3D对象变形，并因此导致修正的表面网络。
根据本发明，可以考虑解剖条件。在一个示例性实施例中，利用模板，骨骼数据SkelData适配于所获得的表面网络，并通过进一步的处理步骤进行改进，以便能够对最现实的可能变形进行建模。所得的校正后的表面网络MeshData’可以用于提取患者参数。
例如，在生产患者定制的踝足矫形器(AFO)时，可以检查小腿扫描。根据本发明，在步骤220中，可以将扫描或相关联的原始数据ScanData置于校正位置。为此目的，在第一步骤中，识别脚的取向并将其置于定义的取向。
为了能够在扫描期间评估位置，对骨骼模型(骨骼数据SkelData)的角度以及其他生物特征轴和平面进行研究。如果这些角度偏离选定的测量值，则将适配/对齐骨骼数据SkelData，使得扫描也被更改(校正后的表面网络MeshData)。
根据本发明，例如执行以下步骤：
-基于骨骼数据SkelData和表面数据MeshData创建患者模型；
-在患者模型中找到脚；
-使用现有数据来确定支撑平面；
-基于骨骼数据SkelData修改模型，直到支撑平面平行于虚拟基础表面定向，例如围绕脚踝旋转(第一对齐校正)；
-修改模型，直到膝关节的角度达到预定值(第二对齐校正)。
基于第一对齐校正和第二对齐校正来修改表面数据MeshData，以获得校正后的表面数据MeshData’。
所描述的对齐校正可以能够提取患者数据或可以显著改善结果。
在一个示例性实施例中，患者参数提取步骤240遵循以下方案。
例如，对于构建患者定制的踝足矫形器(AFO)，需要对脚和小腿进行不同的长度和周长测量(患者参数)。为了从原始数据ScanData中提取这些测量，可以按以下步骤进行：
对齐患者的表面数据MeshData并将其置于参考系统，从中可以得出结论：扫描的哪一部分代表脚，哪一部分代表腿。然后将简化的足模型放置在表面数据MeshData中。
已知该足模型(该足模型可能存储在数据库25中)，并且可以基于其自由度(例如长度、缩放、子部件的旋转等)进行修改。
在优化过程中，将足模型的自由度适配于表面数据MeshData，直到MeshData和足模型的相关性优化(具有最小可能偏差)为止。在示例性实施例中，该过程相应地通过显著点模型(SPM)继续，该模型用于提取测量值。
SPM由提取测量值之间的点和平面组成。来自SPM的测量提取点被投影到表面数据MeshData或校正后的表面数据MeshData’上。根据测量类型，这不同地发生。周长测量需要截面平面，而长度测量只需要点。
在这些投影点之间或沿截面平面提取尺寸。例如，可以将它们输入到测量表中。在一个示例性实施例中，可视化步骤280包括创建矫形器的3D图像。在另一示例性实施例中，为了患者数据的可视化，显示和/或打印出与图5所示相似或相同的测量表。
上面已经描述了用于生产矫形器的生产方法和系统。使用本发明的基本特征，也可以无困难地生产假体(例如图4所示的足假体)。
也可以考虑通过相同的方法生产外假体或预防性矫形器(用于康复和运动的保护器)。

Claims (12)

1.一种用于生产矫形装置、特别是矫形器或假体的计算机实现的方法，包括以下步骤：
a)接收具有患者数据(ScanData)的至少一个数据集；
b)处理患者数据(ScanData)以创建患者模型；
c)使用患者模型确定患者参数(P1，P2)；
d)在使用患者参数(P1，P2)和装置参数(V1，V2)的同时生成矫形装置的虚拟表示；
e)从至少一个用户接收至少一个输入；
f)基于输入修改患者参数(P1，P2)和/或装置参数(V1，V2)中的至少一个；
g)利用装置参数(V1，V2)、患者参数(P1，P2)和/或基于患者参数生成的矫形装置的模型(OrthData)来物理创建矫形装置。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于：
步骤f)包括控制至少一台生产机器(50)、特别是至少一台3D打印机。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于：
步骤d1)，其中生成患者模型的虚拟表示，其中，在步骤d)中，特别是利用web服务器，将矫形装置与患者模型一起表示。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于：
步骤d2)，其中将患者模型(MeshData)的虚拟表示相对于矫形装置的虚拟表示对齐。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于：
患者参数(P1，P2)包括指定颈围、肩宽的参数，和/或装置参数(V1，V2)包括至少一个设计参数和/或至少一个功能参数(例如材料厚度、柔韧性)和/或至少一个设计参数(例如矫形装置的颜色)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于：
从第一用户、特别是医生或认证的修复师/矫形师接收至少一个第一输入，并基于第一用户的输入修改患者模型和/或至少一个患者参数(P1，P2)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于：
从第二用户、特别是患者接收至少一个第二输入，以及基于第二用户的输入来修改至少一个装置参数(V1，V2)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于
i.在接收第一用户输入之前对第一用户认证和/或
ii.在接收第一用户的第二输入之前对第二用户认证。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法、特别是根据权利要求7所述的方法，
其特征在于：
在授权数据库中搜索第二用户能够修改哪些装置参数，并仅显示第二用户能够根据授权数据库修改的用于修改的装置参数(V1，V2)。
10.根据前述权利要求中的一项所述的方法，
其特征在于：
患者数据(ScanData)包括患者的联系数据，其中所述方法包括：
i.利用联系数据将带有[URL]的消息电子传输给患者，
ii.利用联系数据和/或患者参数对患者进行认证，使得患者能够作为用户、特别是作为第二用户进行至少一个输入。
11.一种具有指令的计算机可读存储器，所述指令用于在至少一个计算机单元上执行所述指令时用于实现根据前述权利要求中任一项所述的方法。
12.一种用于生产矫形装置、特别是矫形器或假体的系统，其中优选地实现根据权利要求1至10所述的方法的至少一些步骤，所述系统具有：
设计服务器(20)，包括：
-至少一个数字接口(23)，用于接收具有患者数据(ScanData)的数据记录；
-至少一个数据库(25)，具有训练数据，用于基于患者数据(ScanData)和训练数据来创建患者模型；
-至少一个计算机单元，用于生成矫形装置的3D数据；和
-可视化设备，特别是web服务器(40)，被配置为以装置的(虚拟)表示形式显示3D数据并从至少一个用户接收至少一个输入；
其中计算机单元使用输入以便
a)修改装置参数(V1，V2)和/或患者参数(P1，P2)，并且，
b)基于装置参数(V1，V2)和患者参数(P1，P2)，生成用于物理创建矫形装置的生产数据。
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