DE10225854A1 - Method for production of medical prostheses in which a model is based on medical image data and an iterative process is followed to ensure a 3-D model for use with a CNC machine accurately matches the input medical data - Google Patents

Method for production of medical prostheses in which a model is based on medical image data and an iterative process is followed to ensure a 3-D model for use with a CNC machine accurately matches the input medical data

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DE10225854A1
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Abstract

Method for construction of a medical prosthesis in which medical image data is converted to a 3-D output model that is converted into a matching prosthesis model via an intermediate step so that a final prosthesis can be produced using a CNC machine. The intermediate step comprises a number of partial steps in which a first 3-D comparison model is compared with actual reference points on the 3-D medical output model. The comparison model is then adjusted until it is nearer to the medical output model. The steps are interated until agreement between the models is reached. The resulting model is then used by the CNC machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Prothesen.The invention relates to a method for the rapid construction of medical prostheses and manufactured by this method Prostheses.

In der Humanmedizin besteht oft die Aufgabe, durch Unfall oder Krankheit beschädigte oder verlorengegangene Körperteile, Gewebe bzw. andere funktionelle Strukturen, wie bspw. Knochen, zu ersetzen.In human medicine there is often the task of accident or Disease damaged or lost body parts, tissues or to replace other functional structures, such as bones.

Hierbei ist es notwendig, die Teile, welche die ursprünglichen Strukturen ersetzen, unter verschieden Kriterien zu gestalten.Here it is necessary to use the parts that represent the original structures replace, to design under different criteria.

Wesentliche Gesichtspunkte stellen dabei die Wiederherstellung bzw. die Aufrechterhaltung der ursprünglichen Funktionalität sowie häufig auch die kosmetische Rehabilitation dar.The main aspects are the restoration and the Maintaining the original functionality as well as often cosmetic rehabilitation.

In den genannten Fällen besteht die Aufgabe, eine möglichst exakte Formgestaltung der Prothese durchzuführen. Dieser Schritt sollte sich unter objektiven Gesichtspunkten möglichst automatisch, mit einem vertretbaren Aufwand, wenigen Arbeitsschritten und unter Einbeziehung der jeweils am einzelnen Patienten vorliegenden anatomischen Verhältnisse gestalten.In the cases mentioned, the task is to be as precise as possible Perform the shape of the prosthesis. This step should be from an objective point of view, as automatically as possible, with a reasonable effort, a few steps and with inclusion the anatomical present on the individual patient Shape relationships.

Es ist bekannt, dass, ausgehend von medizinischen Daten, wie bspw. CT und MRT, eine speziell für einen Patienten entwickelte Prothese hergestellt werden.It is known that, based on medical data such as CT and MRI, a prosthesis specially developed for a patient getting produced.

In US 5,741,215 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem auf der Basis von medizinischen Bilddaten eines Patienten über ein stereolithografisches Modell eine entsprechende Prothese oder ein anatomisches Modell erstellt werden kann.In US 5,741,215 a method is described in which on the Basis of a patient's medical image data via a stereolithographic model a corresponding prosthesis or anatomical model can be created.

In dieser Schrift wird auch eine Methode erwähnt, bei der im Zuge der Ermittlung der Form der Prothese zur Behebung eines vorhandenen Defektes die dem Defekt gegenüberliegende symmetrische Seite Beachtung findet. This document also mentions a method in which, in the course of Determining the shape of the prosthesis to correct an existing one Defect the symmetrical side opposite the defect Attention.  

Weiterhin ist bekannt, dass bei der Vorbestimmung der Form solcher Prothesen auch anderweitig ermittelte Vergleichsmodelle benutzt werden können. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn aufgrund der Lage des zu schließenden Defektes Symmetrieeigenschaften des menschlichen Köpers nicht genutzt werden können.It is also known that when determining the shape of such Prostheses can also be used for other comparison models can. This is especially necessary if, due to the location of the defects to be closed symmetry properties of human Bodies can not be used.

In US 5,824,085 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der Defekt an das einzusetzende Implantat angepasst wird. Dabei wird aus einer Datenbank von Normteilen (Hüftgelenke) ein ungefähr passendes Implantat gewählt und nach dessen Form ein Modell sowie die Lage des passenden Gegenstückes ermittelt und durch einen Roboter angefertigt.In US 5,824,085 a method is described in which the defect the implant to be inserted is adjusted. One becomes Database of standard parts (hip joints) an approximate one Implant selected and according to its shape a model and the location of the matching counterpart determined and made by a robot.

In ähnlicher Art und Weise nutzt das in DE 199 22 279 A1 offenbarte Verfahren eine Datenbank von Vergleichsmodellen, bei dem jeweils das ähnlichste anhand von wenigen typischen anatomischen Punkten mit Hilfe eines Algorithmusses zur Ähnlichteilsuche vorausgewählt wird.In a similar way, the one disclosed in DE 199 22 279 A1 uses Process a database of comparison models, in which the most similar with the help of a few typical anatomical points of an algorithm for the search for similar parts is preselected.

In US 5,798,924 wird ein Verfahren erwähnt, bei welchem, ausgehend von medizinischen und anatomischen Daten, Modelle des Defektgebietes und des gewünschten Ergebnisses gegeneinander angepasst werden. Dies wird verfahrensbedingt erst durch die Approximation beider Modelle zu an Stützstellen orientierten Flächendaten ermöglicht.In US 5,798,924 a method is mentioned in which starting of medical and anatomical data, models of the defect area and the desired result can be adjusted against each other. This is only due to the approximation of both models area data oriented at support points.

Allen vorgenannten Verfahren ist gemein, dass zur Herstellung einer entsprechenden Prothese verschiedene aufwendige Fertigungsschritte notwendig sind (Fig. 1).All of the aforementioned methods have in common that various complex manufacturing steps are necessary to produce a corresponding prosthesis ( FIG. 1).

Mit steigender Anzahl solcher Schritte steigt der zeitliche sowie gerätetechnische Aufwand bis zur Fertigstellung des einzusetzenden Produktes. Die Anzahl der für die Implantatkonstruktion verwendeten Stützstellen wird dabei z. T. drastisch reduziert, obwohl die Ausgangsdaten erheblich mehr Informationen liefern.With increasing number of such steps the temporal as well equipment expenditure until the completion of the to be used Product. The number of used for the implant construction Support points are z. T. drastically reduced, although the Output data provide considerably more information.

Auch erhöht jeder zusätzlich eingebrachte Schritt in der Verfahrenskette den Gesamtfehler. Schritte, wie bspw. die Erzeugung des 3D-Modells, die interaktive Rekonstruktion der Daten und die Generierung der eigentlichen Implantatdaten erfordern zusätzlich das interaktive Eingreifen des Menschen. Each additional step in the process chain also increases the total error. Steps, such as the generation of the 3D model, the interactive reconstruction of the data and generation of the actual implant data additionally require interactive intervention of the human.  

Den Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen anzugeben, das, ausgehend von medizinischen Bilddaten, eine schnelle, genaue und automatische Formgestaltung für Prothesen ermöglicht.The invention has for its object a method for rapid Construction of medical prostheses to indicate that starting medical image data, fast, accurate and automatic Shape design for prostheses enables.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch den untergeordneten Anspruch 2 angegeben.According to the invention, this object is achieved by the characterizing Features of the first claim solved. advantageous Refinements are made by subordinate claim 2 specified.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass durch den automatischen Ablauf von einzelnen, im folgenden noch genauer erläuterten, aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten die Interaktion (das Eingreifen des Menschen) bei der Implantatherstellung auf ein Minimum begrenzt wird, die Berücksichtigung aller Informationen der Ausgangsdaten gewährleistet ist und die Erzeugung der virtuellen Form der Prothese in wenigen Stunden durchführt werden kann.The essence of the invention is that by the automatic Sequence of individual, explained in more detail below, successive procedural steps the interaction (the intervention of humans) is kept to a minimum during implant production is taking into account all information of the output data is guaranteed and the generation of the virtual shape of the prosthesis in can be carried out within a few hours.

Ausgangspunkt sind dabei, wie bei den bekannten Verfahren, spezifische medizinische Bilddaten des Patienten. Diese sind bspw. Schichtdaten aus der Computertomographie. Diese Daten werden in einem anschliessenden Schritt zu einem dreidimensionalen Volumenmodell des Patienten zusammengefügt, das alle für die Generierung des Prothesenmodells notwendigen Daten enthält. Dazu zählen insbesondere Knochenstruktur sowie die Rekonstruktion des Weichgewebes (z. B. Muskeln, Nerven, Sehnen, Blutgefäße usw.).As with the known methods, the starting point is specific medical image data of the patient. These are, for example, shift data computer tomography. These data are in a subsequent Step to a three-dimensional volume model of the patient put together, all for the generation of the prosthesis model contains the necessary data. This includes in particular bone structure as well as the reconstruction of the soft tissue (e.g. muscles, nerves, Tendons, blood vessels, etc.).

An dieser Stelle setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, indem auf dem Ausgangsmodell, welches anhand spezifischer medizinischer Bilddaten von Patienten auf bekannte Weise in 3-D ermittelt wird, und einem ersten 3-D-Vergleichsmodell beliebig je ein Bezugspunkt in örtlich gleichartig gelegenen Regionen beider Modelle festgelegt und die Distanz zwischen den beiden Bezugspunkten und die Richtungsorientierung beider Bezugspunkte zueinander bestimmt wird. Anhand der ermittelten Verschiebung dieser beiden Bezugspunkte zueinander wird die Verschiebung der Datenpunkte des 3-D-Ausgangsmodells auf das erste 3- D-Vergleichsmodell übertragen. At this point, the method according to the invention starts by the initial model, which is based on specific medical Image data from patients is determined in a known manner in 3-D, and a first 3-D comparison model any reference point in local similarly located regions of both models and the distance between the two reference points and the directional orientation of both reference points to each other is determined. Based on the determined The shift of these two reference points to each other becomes the Shift of the data points of the 3-D output model to the first 3-D Transfer D comparison model.  

Diese Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Erzeugung von n 3-D-Vergleichsmodellen n-fach wiederholt, wobei die so erzeugten n 3-D-Vergleichsmodelle zur Erzeugung des Prothesenmodells verwendet werden, indem ein differenzierter Abgleich der n 3-D-Vergleichsmodelle zueinander zu einem einzigen Modell erfolgt, welches in bekannter Weise zur CNC gestützten Fertigung der Prothese dient.These steps of the method according to the invention are used for generation of n 3-D comparison models repeated n times, the so generated n 3-D comparison models used to generate the prosthesis model by making a differentiated comparison of the n 3-D comparison models to each other to form a single model, which in a known manner is used for the CNC-supported production of the prosthesis.

Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist, dass die Verwendung eines vollständigen Volumendatensatzes sicher stellt, dass alle zugänglichen Informationen der Patientendaten zur Prothesenherstellung verwendet werden, da keinerlei Datenreduktion (wie bspw. bei Polygonmodellen oder Flächenmodellen) durchgeführt wird.The advantage of the method according to the invention is that the use of a complete volume data set ensures that all accessible information of patient data for prosthesis production can be used because there is no data reduction (such as with Polygon models or surface models) is carried out.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to the drawings and the Exemplary embodiments explained in more detail. Show it:

Fig. 1 Ablauf bekannter Verfahren zur Konstruktion von medizinischen Prothesen, Fig. 1 sequence of known methods for the construction of medical prostheses,

Fig. 2 allgemeiner Verlauf des erfindungsgemässen Verfahrens, Figure 2 is a general history. Of the inventive method,

Fig. 3 Verfahrensschritte der Geometrieermittlung, Fig. 3 process steps of determining geometry,

Fig. 4a Erzeugung eines 3-D-Vergleichsmodelles und FIG. 4a producing a 3-D model and comparison

Fig. 4b Erzeugung des Prothesenmodells aus zwei 3-D- Vergleichsmodellen. FIG. 4b generating the prosthesis model from two 3-D models comparison.

Fig. 5a Schädeldefekt: Ausgangsmodell, FIG. 5a skull defect: output model,

Fig. 5b Schädeldefekt: Vergleichsmodell Fig. 5b skull defect: comparison model

Fig. 6 Fehlermaß in der Umgebung des Schädeldefektes, Fig. 6 of error in the vicinity of the skull defect,

Fig. 7 Prothesenmodell. Fig. 7 prosthesis model.

Bei dem Verfahren werden spezifische medizinische Bilddaten von Patienten in bekannter Weise in ein 3-D-Ausgangsmodell umgewandelt. Auf diesem umgewandelten 3-D-Ausgangsmodell und einem ersten 3-D- Vergleichsmodell wird je ein Bezugspunkt beliebig in örtlich gleichartig gelegenen Regionen beider Modelle festgelegt.In the process, specific medical image data from Patients converted into a 3-D output model in a known manner. On this converted 3-D output model and a first 3-D  Comparative model is a reference point arbitrarily in locally similar regions of both models.

Danach wird im folgenden Schritt die Distanz zwischen den beiden Bezugspunkten und die Richtungsorientierung beider Bezugspunkte zueinander bestimmt. Dabei sind die Verschiebungsvektoren durch Betrag sowie Richtung gegeben und können durch Ermittlung der spezifischen Volumenschwerpunkte bestimmt werden, wobei immer ein eindeutig zuordenbare Volumenschwerpunkte gefunden werden können.Then the next step is the distance between the two Reference points and the directional orientation of both reference points determined to each other. The displacement vectors are by amount given as well as direction and can be determined by determining the specific Volume focal points are determined, always a clear assignable volume centers can be found.

Anhand der ermittelten Verschiebung dieser beiden Bezugspunkte zueinander wird die Verschiebung der Datenpunkte des 3-D- Ausgangsmodells auf das erste 3-D-Vergleichsmodell übertragen (Fig. 4a).Based on the determined shift of these two reference points to one another, the shift of the data points of the 3-D output model is transferred to the first 3-D comparison model ( FIG. 4a).

Diese die Verfahrensteilschritte können zur Erzeugung von n 3-D-Vergleichsmodellen n-fach wiederholt werden, wobei die so erzeugten n 3-D-Vergleichsmodelle, wie in Fig. 4b für n = 2 beispielhaft gezeigt, zur Erzeugung des Prothesenmodells verwendet werden, indem ein differenzierter Abgleich der n 3-D-Vergleichsmodelle zueinander zu einem einzigen Modell erfolgt.These partial steps of the method can be repeated n times to generate n 3-D comparison models, the n 3-D comparison models generated in this way, as shown by way of example in FIG. 4b for n = 2, being used to generate the prosthesis model by A differentiated comparison of the n 3-D comparison models to one another takes place to a single model.

Dieser differenzierte Abgleich wird durch n-maligen Vergleich der n 3-D- Vergleichsmodelle zu dem 3-D-Ausgangsmodell durchgeführt, wobei räumliche Daten ermittelt werden, die in ihrer Gesamtheit der CNC­ gestutzten Fertigung einer Prothese zugeführt werden.This differentiated comparison is made by comparing the n 3-D Comparative models to the 3-D starting model carried out, whereby spatial data are determined in their entirety the CNC trimmed production of a prosthesis.

Die Datenermittlung zur Fertigung einer Prothese erfolgt somit in den Schritten:
The data acquisition for the manufacture of a prosthesis takes place in the following steps:

  • - Festlegung spezifischer Punkte im Ausgangs- und Vergleichsmodell (bspw. bei leicht zu identifizierenden Punkten der Modelle, s. g. "Landmarks");- Definition of specific points in the initial and comparison model (e.g. with easily identifiable points of the models, see g. "Landmarks");
  • - Ermittlung der Verschiebung (gekennzeichnet durch Betrag und Richtung) der Punkte im Ausgangs- und Vergleichsmodell;- Determination of the shift (identified by amount and Direction) of the points in the initial and comparison model;
  • - Anwendung der "inversen" Verschiebung auf benachbarte Punkte im Vergleichsmodell und dadurch Berechnung von Punkten für das Vergleichsmodell;- Application of the "inverse" shift to neighboring points in the Comparison model and thereby calculation of points for the Comparison model;
  • - Ermittlung der Abweichung zwischen Vergleichsmodell und Ausgangsmodell sowie Bestimmung des Abweichungsfehlers; - Determination of the deviation between the comparison model and Initial model and determination of the deviation error;  
  • - Vergleich des Abweichungsfehlers mit einem vorgebbaren Wert, Wiederholung aller vorangegangener Schritte, wenn die Fehlerabweichung zu gross ist;- comparison of the deviation error with a predeterminable value, Repeat all previous steps if the Error deviation is too large;
  • - Wenn der Fehler minimiert ist, werden die ermittelten Punkte auf alle Punkte des Vergleichsmodells transformiert;- If the error is minimized, the determined points are on all Points of the comparison model transformed;
  • - Bildung des Prothesenmodell durch Bool'sche Subtraktion von Ausgangsmodell und Vergleichsmodellen.- Creation of the prosthesis model by Boolean subtraction from Initial model and comparison models.

Die Besonderheit des Verfahrens ist:
The peculiarity of the process is:

  • - Je nach Auswahl der Anfangspunkte ergeben sich unterschiedliche "Konturen" bzw. Vergleichsmodelle. Notwendig ist eine automatische Korrektur der Randpunkte und eine Skalierung der gesamten Punktmenge (Fig. 4a);- Depending on the selection of the starting points, different "contours" or comparison models result. An automatic correction of the edge points and a scaling of the entire point set is necessary ( FIG. 4a);
  • - Ermittlung einer endlichen Anzahl n von Vergleichsmodellen (wegen 3D maximale Anzahl = Anzahl der Randpunkte);- Determination of a finite number n of comparison models (because of 3D maximum number = number of edge points);
  • - Bestimmung und Zuordnung "eng" benachbarter Punkte in den Vergleichsmodellen;- Determination and assignment of "closely" neighboring points in the Compare models;
  • - Berechnung eines Fehlermaßes (Abweichung, Distanzen) zwischen den einzelnen Vergleichsmodellen (bspw. Summe der quadratischen Abweichung);- Calculation of an error measure (deviation, distances) between the individual comparison models (e.g. sum of the quadratic Deviation);
  • - Wichtigstes Kriterium ist "stetiger Übergang" der Verbindung an den Randpunkten Einführung einer Wichtung des Einflusses der Punkte je nach Entfernung vom Rand bei der Ermittlung des Fehlermasses (Randpunkte Wichtung = 1 mit Entfernung vom Rand Wichtung -<0);- The most important criterion is "constant transition" of the connection to the Edge points Introduction of a weighting of the influence of the points each by distance from the edge when determining the error measure (Edge points weighting = 1 with distance from edge weighting - <0);
  • - Vorgabe einer zu erreichenden Minimalabweichung;- Specification of a minimum deviation to be achieved;
  • - Ermittlung der Verschiebungen zwischen den n Randpunkten und aus dem Endpunkt des jeweils aus dem "gegenüberliegenden" Randpunkt generierten Vergleichsmodells;- Determination of the shifts between the n boundary points and off the end point of the "opposite" edge point generated comparison model;
  • - Anwendung einer gewichteten Verschiebung auf Punkte des Vergleichsmodells welche mit Entfernung vom Randpunkt abnimmt (in Fig. 4b bis ca. Hälfte der Kurve des Randmodells Wichtung Eins, ab dann Null).- Applying a weighted shift to points of the comparison model which decreases with distance from the edge point (in Fig. 4b to about half of the curve of the edge model weighting one, from then zero).
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11

Ausgangsmodell des Schädel
Initial model of the skull

22

Ausgangsmodell des Knochendefekts
Initial model of the bone defect

33

Vergleichsmodell des Knochendefekts
Comparative model of the bone defect

44

Prothesenmodell
prosthesis model

Claims (2)

1. Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen, bei dem spezifische medizinische Bilddaten von Patienten in ein 3-D- Ausgangsmodell umgewandelt werden und über einen Zwischenschritt ein passendes Prothesenmodell erzeugt wird, anhand dessen durch CNC gestützten Fertigung eine Prothese hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Zwischenschritt die Teilschritte a) bis d) wie folgt durchlaufen werden:
  • a) auf dem Ausgangsmodell und einem ersten 3-D-Vergleichsmodell wird beliebig je ein Bezugspunkt in örtlich gleichartig gelegenen Regionen beider Modelle festgelegt;
  • b) die Distanz zwischen den beiden Bezugspunkten und die Richtungsorientierung beider Bezugspunkte wird zueinander bestimmt;
  • c) anhand der ermittelten Verschiebung dieser beiden Bezugspunkte zueinander wird die Verschiebung der Datenpunkte des 3-D- Ausgangsmodells auf das erste 3-D-Vergleichsmodell übertragen;
  • d) die Verfahrensteilschritte a) bis c) werden zur Erzeugung von n 3-D-Vergleichsmodellen n-fach wiederholt, wobei die so erzeugten n 3-D-Vergleichsmodelle zur Erzeugung des Prothesenmodells verwendet werden, indem ein differenzierter Abgleich der n 3-D- Vergleichsmodelle zueinander zu einem einzigen Modell erfolgt.
1. A method for the rapid construction of medical prostheses, in which specific medical image data of patients are converted into a 3-D output model and an appropriate prosthesis model is generated via an intermediate step, on the basis of which a prosthesis is produced by means of CNC-assisted production, characterized in that that the sub-steps a) to d) are carried out as follows in the intermediate step:
  • a) on the starting model and a first 3-D comparison model, a reference point is defined in regions of the same location in both models;
  • b) the distance between the two reference points and the directional orientation of the two reference points is determined;
  • c) on the basis of the determined displacement of these two reference points relative to one another, the displacement of the data points of the 3-D output model is transferred to the first 3-D comparison model;
  • d) the sub-steps a) to c) are repeated n times to generate n 3-D comparison models, the n 3-D comparison models thus generated being used to generate the prosthesis model by performing a differentiated comparison of the n 3-D - Comparative models to each other are made into a single model.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der differenzierte Abgleich durch n-maligen Vergleich der n 3-D- Vergleichsmodelle zu dem 3-D-Ausgangsmodell durchgeführt wird, wobei räumliche Daten ermittelt werden, die in ihrer Gesamtheit der CNC gestützten Fertigung einer Prothese zugeführt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the differentiated comparison by comparing the n 3-D Comparison models to the 3-D output model is carried out, whereby spatial data are determined which in their entirety the CNC-assisted manufacturing of a prosthesis.
DE10225854A 2001-06-07 2002-06-07 Method for production of medical prostheses in which a model is based on medical image data and an iterative process is followed to ensure a 3-D model for use with a CNC machine accurately matches the input medical data Withdrawn DE10225854A1 (en)

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