TW200938154A

TW200938154A - System and method for manufacturing arthroplasty jigs

Info

Publication number: TW200938154A
Application number: TW097143993A
Authority: TW
Inventors: Ilwhan Park; Stephen M Howell
Original assignee: Otismed Corp
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-09-16
Also published as: EP2319450B1; US20120310400A1; US20090157083A1; JP2011506040A; EP2234553A4; AU2008338828A1; EP2234553B1; US8221430B2; JP5909787B2; US8968320B2; WO2009079118A1; EP2234553A1; CA2708393C; AU2008338828B2; EP2319450A1; JP2015027453A; CA2708393A1

Description

200938154 九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本專利申請案主張在2007年12月18日提出申請且名稱為 System and Method for Manufacturing Arthroplasty

Jigs”之美國非臨時專利申請案第11/959,344號的優先權’該專利申請案的内容係以其整體以參考的方式加入本文之中。本發明相關於用於製造客製化人工關節切削工模的系〇統以及方法。更具體地說，本發明是相關於製造此等工模的自動化系統以及方法。【先前技術】隨著時間經過以及通過重複的使用，骨頭以及關節可能會變成受傷或磨損。舉例來說，在骨頭及關節上的反覆應變（例如，透過體育活動）、外傷事件以及某些疾病（例如，關節炎）可能會在關節區域中造成一般會提供緩衝小果的軟骨損耗。當軟骨損耗時，流體可能會累積在關節區〇域中，而造成疼痛、僵硬、以及降低活動性。人工關節成型程序可以被用來修復受傷的關節。在一個典型人工關節成型程序期間，有關節炎、不然就是功能異常的關節可以被重新塑造或重新對準，或是一個植入物可以被植入受到傷害的區域之中。人工關節成型程序可以在身體的任何一些不同區域中發生，像是膝蓋、臀部、肩膀或是肘部。種類型的人工關節成型程序是一種全膝關節成型術 200938154 (*全人工膝關節置換術’“ TKA”）’其中—個受傷的膝關 :係以義肢的植入物來置換。該膝關節可能已經以被例如是關節炎（例如，嚴重的骨性關節炎或是退化性關節炎卜外傷、或是-種罕見的破壞性關節疾病所傷害。在Μ程序期間’在股骨遠端區域中的一個受傷的部位可以被移除並且以-個金屬外殼來取代，並且在脛骨的近端區域中的 -個受傷部位可以被移除並且以一個具有金屬柄桿的導槽式塑膠件來取代。在一些TKA程序之中，一個塑膠扣子也可以視膝蓋骨的條件而被增加於膝蓋骨的表面下方。被植入受傷區域中的植入物可以提供支樓以及結構到該受傷的區域，並且可以幫助修復該受傷的區❺，藉此強化其機能。在將一個植入物植入一個受傷的區域之前，可以使該受傷區域準備好接收植人物。舉例來說在一項人工膝關節成型程序之中，膝部區域中的__個或多個骨頭，像是股骨及/或脛骨可以被處理（例如，切削、鑽孔、擴孔及/或表面重建），用以提供—個或多個能夠與植入物對準的表面並且藉此適應該植入物。植入物對準的精確性對於TKA程序的成功與否來說是 —項重要的因f。—毫米到二毫米的平移對準偏移或是一度到二度的旋轉對準偏移可能會產生不平衡的韌帶，並且可能會因此顯著地影響TKA程序的結果。舉例來說，植入物的對準偏移可能會產生令人無法忍受的術後疼痛，且也可能使得病人無法完全地伸展腿部以及穩定地屈曲腿部。為了要達成精確的植入物對準，在骨頭的任何區域進 200938154 行處理（例如，切削、鑽孔、擴孔及/或表面重建）之前，很重要的是正確地決定將會進行處理的位置以及處理將會如何定向。在—些方法之中，可以使用人工關節工模可以來精確地定位以及定向一個最後的器具，像是在骨頭區域上進行切削、鑽孔、擴孔或表面重建的器具。人工關節工模可以例如包括有一個或多個被建構成用以接受如此的器具的開孔及/或狹長孔。 ❹ ❹ 已經發展出一種用於製造客製化人工關節工模的系統以及方法，該客製化人工關節工模係被建構成容許外科醫生可以精確且快速地進行使關節復原到退化之前之對準狀況的人工關節程序，藉此增進此等程序的成功率。具體地說，客製化人工關節工模係被編入索引，使得它們能夠以配對的方式接收要接受一項治療（例如，切削、鑽孔、擴孔及/或表面重建）的骨頭區域。該等客製化人工關節工模亦被編入索引，用以提供相對於骨頭區域的適當治療位置及方位。客製化人工關節工模的編歹,^索引的觀點係容許骨頭區域的治療能夠快速地且以很高的精確性完成，而將容許植入物可以使病人的關節復原到大體上退化之前 (pre-deteri〇rated)的狀態。然而，用於產生客製化工模的系統以及方法通常是仰賴一個人，，眼晴盯著（巧吡川），，在電腦螢幕上的骨頭模型’來決定用於產生客製化工模所需要的構造。這種”眼睛盯著（eyebaU)，，或以手工操控在電腦螢幕上的骨頭模型很沒有效率並且不必要地抬古與製造客製化人工關節工模有關的時間、人力資源二 200938154 本再者，較不需要人力的方法可以增進所產生的工模的精域性。在各知技術中係有對於降低與產生客製化人工關節工模：關之勞力的系統以及方法之需要。在習知技術中係也有種對於增加客製化人工關節工模之精確性之系統以及方法的需要。【發明内容】揭不於本文之中的是一種人工關節工模的製造方法。在項實例之中，該方法包括有：產生形成__個關節之骨 ^ 夕個部位的多的二維影像；從該等二維影像產生 =頭的至j/ -個部位的第一三維電腦模型；從該等二維二象產生該月頭的至少一個部位的第二三維電腦模型；使得第-以及第二三維電腦模型共同地具有一個參考位置，其中該參考位置包括有相對於一個原點的一個位置以及一個定向的至少其中之一. (j 、，以第一三維電腦模型產生第一類 :數據’ U第二三維電腦模型產生第二類翌數據；利用該參考位置來將第一以及第二類型數據整合成一個整合的工 =數據；在-個製造裝置處使用該整合的工模數據用以製造人工關節工模。揭示於本文之β 、疋一種製造人工關節工模的方法。在一項實例之中，訪古、t . ^方法包括有：產生形成一個關節之骨頭的至V個部位的多個二維影像；在至少其中一些的二維影像之中的一個人 . 工關知目標區域延伸一個開迴路輪廓 •從該等開迴路輪廓線產生人工關節目標區域的一個三 200938154 維電腦模型；從該三維電腦模型產生關於人工關節目標區域的表面輪廓數據；以及在一個製造機器處使用表面輪廓數據’用以製造該人工關節工模。揭示於本文之中的是一種製造人工關節工模的方法。在-項實例之中’該方法包括有：從一個影像決定與—個骨頭的一個部位相關的至少一個尺寸；將該至少—個尺寸拿來與至少二個候選工模坯料大小的尺寸相比較；選擇工模链料大小中最小的大小，該大小係足夠大來容納該至少一個尺寸；將一個選擇尺寸的工模坯料提供給—個製造機器；以及從該工模坯料製造出人工關節工模。揭示於本文之中的是根據任何前述製造方法所製造的人工關節工模。在一些實例之中，該等人工關節工模可以被編列索引來以匹配的方式接收一個關節骨頭的多個人工關節目標區域。該等人工關節卫模也可以被編列索引，以便於將鋸切狹長孔以及鑽孔的引導件定向成，使得當該等 0 人工關節目標區域以匹配的方式被人工關節工模所接收時，經由鋸切狹長孔以及鑽孔引導件而提供給人工關節目標區域的鋸切狹長孔以及鑽孔將有助於使人工關節植入物大體上將關節復原到一個退化之前的狀態。揭不於本文之中的是一種電腦產生形成關節之骨頭之人工關節目標區域的三維表面模型的方法。在一項實例之中，該方法包括有：產生該骨頭之至少一個部位的二維影像；沿著在至少一些二維影像中的人工關節目標區域產生一個開迴路的輪廓線；以及從開迴路輪廓線產生人工關節 9 200938154 目標區域的三維模型。揭示於本文之中的县—^ ^ . ^ 的疋一種產生三維人工關節工模電腦 =的方法。在—項實例之中，該方法包括有：將一個關 ::-個骨頭的至少—個部位的尺寸拿來與候選的工模链小相比較；以及從候選的工模堪料大小選擇出一個最 Γ的工模㈣大小，該最小的卫模链料大小係能夠容納骨頭之至少一個部位的尺寸。揭示於本文之中的是一種產生三維人工關節工模之電腦模31的方法。在-項實例之中，該方法包括有：形成-内。卩一維表面模型’其係代表一個骨頭之至少一個部位的個人工關節目標區域；形成一個外部三維表面模型，其係代表-個工模坯料的一個外部表面；以及結合該内部 5面模型以及該外部表面模型，用以分別形成三維人工關節工模電腦模型的内部表面以及外部表面。揭不於本文之中的是一種產生與人工關節工模的製造相關之生產檔案的方法。該方法包括有：產生與一個關節骨頭之人工關節目標區域的一個表面輪廓相關的第一數據；產生與一個鋸切孔以及一個鑽孔的至少其中之一相關的第二數據’該等鋸切孔及鑽孔是要在一個人工關節程序期間被提供到該人工關節目標區域在；以及整合該等第— 以及第二數據’其中第一數據相對於一個原點的一個位置關係以及第一數據相對於該原點的一個位置關係是彼此協調’而分別在產生第一以及第二數據期間是大體上相同的。雖然揭示了多個實例’對於所屬技術領域具有通常知 200938154 識者來說’本發明另外的其他實例從以下顯示以及描述本發明說明性實例的詳細說明將會變得明顯。如將會了解的疋’本發明能夠在各種方面中進行修改，而不會偏離本發明的精神以及範圍。據此，圖式以及詳細說明的本質是要被視為是說明性的，而不是限制性的。【實施方式】揭不於本文之中的是客製化人工關節工模2以及用於產生此等工模2的系統4以及方法。該等工模2是客製化 © 的，用以配合特定病人的特定骨頭表面。取決於實例以及或多或少的程度，該等工模2是被自動規劃以及產生，並且可以相似揭示於以下的三個美國專利申請案之中者：授予 Park 等人、名稱為 “Anthr〇plasty Devices and Related Methods且在2007年1月19曰提出申請的美國專利申請案第11/656,323號；授予park等人、名稱為“ impr〇ved Total Joint Anthroplasty System” 且在 2002 年 5 月 15 日提出申請的的美國專利申請案第10/146,862號；以及授予Park等 n w 人、名稱為 “ Anthroplasty Devices and Related Methods” 且在2006年12月19日提出申請的美國專利第i i/642,385 號。這三個美國專利申請案的揭示内容係整體以參考的方式加入此發明說明之中。 a.用於製造客製化人工關節切削工模之系統以及方法的概述為了要概略地討論用於製造客製化人工關節工模2的系統4以及方法，請參照圖1A到圖1E。圖1A是一個用於 11 200938154 利用本文所揭示之自動工模製造方法之系統4的概略圖。圖1B到圖1E是概略描繪出本文所揭示之工模製造方法的流程圖。以下的概略討論可以被分解成二個部分。針對圖1A以及圖1B到圖1E的[方塊1〇〇_125]，所討論的第一區段是關於一種在三維（“3D”）的電腦模型環境之中，決定相對於被稱為復原骨頭模型28之3D電腦模型的鋸切切口及鑽孔位置30，32的示例性方法。所產生的“鋸切以及鑽孔數據” 44係參照復原的骨頭模型28，用以提供將會容許人工關節植入物來將病人的關節復原到其未退化之前的狀態鋸切切口以及鑽孔。針對圖1A以及圖1B到圖1E的[方塊ΐ〇〇·105以及 130-145]所討論的第二區段是關於一種輸入病人關節骨頭的3D電腦產生的關節炎模型36之人工關節目標區域42的 3D電腦產生的工模模型38及3D電腦產生的表面模型40 的示例性方法。所產生的“工模數據” 46是被用來製造出一個工模，該工模係被客製化而以匹配的方式接收病人關節之個別骨頭的人工關節目標區域。針對圖1Α以及圖1Ε的[方塊150-165]所討論的第三區段是關於一種將“鋸切以及鑽孔數據，，44與“工模數據” 46加以組合或整合來產生“整合的工模數據，’ 48的方法。 ‘‘整合的工模數據” 48係被提供到CNC機器1〇,用於從提供到該CNC機器10的工模坯料5〇製造出客製化的人工關節工模2。所產生的客製化人工關節工模2包括有定位在工模2之中的鑛切狹長孔以及鑽孔，使得當工模2以匹配的 200938154 方式接收病人骨頭的人工關節目標區域時，該等切削狹長孔以及鑽孔係有助於以容許人工關節關節植入物能夠大體上將病人的關節線恢復到其退化之前的狀態的方式來準備人工關節目標區域c 如圖1A所示，該系統4包括有具有一個中央處理器7、一個監視器或螢幕9以及一個操作者界面控制裝置u的電腦6。該電腦6係被連結到一個像是一個CT或MRI機器8 的醫學成像系統8，以及一個像是CNC銑床10的電腦控制 © 的機械切削系統10。如在圖1A之中所表示出的’病人12具有要被更換的關節14 (例如，一個膝蓋’財部，足踝，手腕，髖部，肩部，頭蓋骨/脊椎骨或脊椎骨/脊椎骨界面，等等）^病人12 係使得該關節14在醫學成像系統8中被掃描。該醫學成像系統8係對關節14進行複數次掃描，其中每次掃描都是關於該關節14的一個薄切片。如可以從圖1B 了解的，該等複數次掃描是被用來產生 © 關節14的複數個二維（“2D” ）影像16[方塊1〇〇]。舉例來說，當關節14是一個膝蓋14時，2D影像將會是股骨18 以及脛骨20。成像程序可以透過CT或MRI進行。在一項使用MRI的實例之中，成像的程序可以是如同揭示在授予

Park 之名稱為 “Generating MRI Images Usable For The

Creation 0f3D Bone Models Employed To Make Customized Arthroplasty Jigs”的美國專利申請案第1 1/946,〇〇2號，該申請案是在2007年11月27日提出申請，並且其全部内容 13 200938154 係以參考的方式加入此詳細說明之中β 如可以從圖1Α 了解的，2D影像係被送到電腦6，用於創造出電腦產生的3D模型。如在圖1B中說明的，在一項實例之中，位置點P係在2D影像之中被辨識出來16[方塊 105]在一項實例之中，如同在圖1A的[方塊1〇5]中所表示的，位置點P可以是在接近病人關節14的内侧-外側以及前部-後部中心處。在其他實例之中，位置點P可以是在2D 影像16之中的任何其他位置處，包括有在骨頭1 8，2〇或骨頭18，20所形成的關節14上的任何處、接近或遠離接近或遠離骨頭18’ 20或骨頭18’ 20所形成的關節14。如稍後在此概述中描述的，位置點p可以被用來坐落從2D影像16所創造出來的電腦產生的3D模型22，28， 36以及用以經由該等3D模型整合所產生的資訊。視實例而定，當做一個位置及/或方位參考的位置點p可以是單一的位置點、二個位置點、三個位置點、一個位置點加上一個平面、一個向量等等，只要該位置點p可以被用來定位及/ 或定向經由2D影像16所產生的3D模型22，28，36。如圖1C所示’該等2D影像16被用來創造出電腦產生的形成病人關節14之骨頭18,20的只有骨頭的3D骨頭（亦即’“骨頭模型” ）22[方塊11〇]。該等骨頭模型22係被坐落成使得位置點P是位於相對於χ_γ_ζ轴的一個原點 (Χ〇，Υ〇 ’ Ζ〇)的座標（X〇-j ’ Υο.』，z〇 j )處[方塊！ 1〇]。該等骨頭模型22係描繪出在目前退化狀況辛的骨頭ι8, 2〇連同它們各自的退化關節表面24, 26，其可以是骨關節病、 200938154 受傷、其等組合等等的結果。用於從2D影像16創造出3D電腦產生的骨頭模型22 的電腦程式係包括有：得自美國堪薩斯Overland Park的 AnalyzeDirect 股份有限公司的 Analyze ; Insight Toolkit，一種可以從 www.itk.org 的 Medicine Insight Segmentation and Registration Toolkit ( “ ITK” ）的國家圖書館獲得的開放原始編碼軟體，3D slicer，一種可以從www.slicer.org 獲得的開放原始編碼軟體；可以得自美國密西根Ann Arbor © 的 Materialise 獲得的 Mimics;以及可以在 www.paraview.org 獲得的Paraview。如在圖1C中指示出的，3D電腦產生的骨頭模型22是被用來創造出3D電腦產生的“復原骨頭模型”或是“規劃的骨頭模型’’ 28，其中退化的表面24，26係被修改或復原到接近它們各自在退化之前的狀況[方塊115]。因此，復原骨頭模型28的骨頭1 8，20係表現在接近它們退化之前的狀況中。該等復原的骨頭模型28係座落成使得位置點p是 ❹ 位在相對於原點（X〇，Y〇，Z〇 )的座標（X0-j，Y〇 j，Z(H ) 處。因此，復原的骨頭模型28與骨頭模型22共同分享相同的相對於原點（X〇，Y〇，Z〇 )的定向以及定位。在一項實例之中，復原的骨頭模型28是被坐在電腦6 前方且以目視的方式將骨頭模型22以及它們的退化表面 24’26當做在電腦螢幕9上的3D電腦模型觀察的人以手動的方式從骨頭模型22所創造出來的。那個人以目視的方式觀察退化表面24’ 26來決定在3D電腦骨頭模型22上的退 15 200938154 化表面24’ 26是需要如何及以何種程度被修改，用以將它們復原到它們退化之前的狀況。藉著與電腦控制裝置u進行互動’那個人係從而透過3D製做模型的電腦程式以手動的方式操控3D退化表面24，26，用以將該等表面24，26 復原到那個人所相信的代表退化之前之狀況的狀態。這種手動的復原處理程序的結果是電腦產生的3D復原的骨頭模型28 ’其中表面24’，26’是表示處於沒有退化的狀態之中。在一項實例之中’以上所描述的骨頭復原處理程序是大體上或疋元全自動化的。換句話說，電腦程式可以分析

月頭模型22以及它們的退化表面24，26，用以決定在3D 電腦骨頭模型22上的退化表面24，26是需要如何及以何種程度被修改，用以將它們復原到它們退化之前的狀況。電腦程式接著係操控3D的退化表面24，26，用以將該等表面24，26復原到一個是要代表退化之前之狀況的狀態。這種自動化復原處理程序的結果是電腦產生的3D復原骨頭模型28,其中其中表面24’，26,是表示處於沒有退化的狀態之中。如描繪於圖1C之中的，該等復原的骨頭模型28是在外科手術前的規劃（“p〇p” ）程序之中被用來決定在病人月頭之中的鋸切位置3〇以及鑽孔位置32，該等位置將容許人工關節關節植入物可以大體上將病人的關節骨線復原到其退化之前的對準狀況中[方塊120]。在一項實例之中，該POP程序是一種手動的處理程序，其中電腦產生的3D植入物模型34(例如，在關節的技 200938154 術背景中的股骨以及脛骨植入物是一個膝蓋）以及復原的骨頭模型28是被一個人以手動的方式相對於彼此所操控，此人係坐在電腦6前方並且以目視的方式觀察在電腦螢幕9 上的植入物模型34以及復原的骨頭模型28,並且透過電腦控制裝製11操控模型28，34。藉著將植入物模型34疊置在復原的骨頭模型28上，或反之亦然，植入物模型34的關節表面可以被對準或是被致使對應於復原骨頭模型28的關節表面。.藉著導致導致模型28，34的關節表面以這樣的 © 方式對準，植入物模型34係相對於復原的骨頭模型28而定位，使得可以相對於復原的骨頭模型28來決定鋸切位置 30以及鑽孔位置32 » 在一項實例之中，該POP程序大體上或完全是自動化的。舉例來說，一個電腦程式可以將電腦產生的3D植入物模型34 (例如，在關節是一個膝蓋的背景之中的股骨以及脛骨植入物）以及復原的骨頭模型或規劃的骨頭模型28相對於彼此操控，用以相對於復原的骨頭模型28來決定鋸切以及鑽孔位置30，32。植入物模型34可以重疊放置在復原的骨頭模型28上，或反之亦然。在一項實例之中，植入物模型34係坐落在相對於原點（Xq，％，Zq)的位置點p|( Y〇-k，Z〇-k)處，以及復原的骨頭模型28是坐落在位置點p (X〇-j ’ Y〇_j ’ Ζ〇μ·)處。為了要使得模型28，34的關節表面可以對應，電腦程式可以將復原的骨頭模型28從位置點 P ( Xo-j ’ Yo-j，）移動到位置點 pi ( XQ k，Yu，)，或反之亦然。一旦該等模型28,34的關節表面是緊密的接 17 200938154 近，植入物模型34的關節表面可以被造型成形狀相匹配，用以與復原的骨頭模型28的關節表面對準或對應。藉著導致導致模型28，34的關節表面以這樣的方式對準，該等植入物模型34係相對於復原的骨頭模型28定位成使得可以相對於復原的骨頭模型28來決定鋸切位置3〇以及鑽孔位置32。如在圖1E中所指出的，在一項實例之中，關於相對於位置點P’（ X〇-k ’ γ〇 k，z〇 k)之鑛切以及鑽孔位置3〇，32 的數據44係被包裝或結合成為“鋸切以及鑽孔數據” ❹ 44[方塊145]。“鋸切以及鑽孔數據，，44接著被如在下文中相對於圖1E中的[方塊15〇]般地使用。如可以從圖1D 了解的’在上文中相對於圖ic的[方塊 11 0]所討論的被用來產生骨頭模型22的2D影像1 6也是被用來創造出形成病人關節14的骨頭18，20之電腦產生的 3D骨頭以及軟骨原骨模型（亦即，“關節炎模型” ）36[方塊130]。如同上文所討論的骨頭模型22，該等關節炎模型 36係坐落成使得位置點p是在相對於χ_γ_ζ主轴之原點〇 (Χ〇 ’ Υ〇 ’ Ζ〇)的坐標（X〇 j，γ〇』，z〇 j)處[方塊 13〇]。因此’骨頭以及關節炎模型22，36是共享著相對於原點 (X〇 ’ Y〇，Z〇 )的相同位置以及方位。在相對於圖B到圖 1E所討論的程序中係大體上維持著這種位置/方位關係。據此’相對於骨頭模型22之原點（Xq，Yg，Zg )的運動以及它們的各種子體（亦即，復原的骨頭模型28、骨頭的鋸切位置30以及鑽孔位置32)也被應用到關節炎模型36以及 18 200938154 它們的各種子體（亦即，工模模型38)。維持介於骨頭模型22與關節炎模型36以及它們各自的子體之間的位置/方位關係可以容許“鋸切以及鑽孔數據，，44被整合成“工模數據” 46,用以形成被CNC機器1〇用來製造出客製化人工關節工模2的“整合的工模數據” 48。用於從2D影像16創造出3D電腦產生的關節炎模型 36的電腦程式包括有.得自美國堪薩斯〇veriand park的

AnalyzeDirect 股份有限公司的 Analyze; Insight Toolkit， © 一種可以從 www.itk.org 的 Medicine Insight Segmentation andRegistrationToolkit( “ITK” ）的國家圖書館獲得的開放原始編碼軟體，3D slicer ’ 一種可以從www.slicer.org 獲得的開放原始編碼軟體；可以得自美國密西根Ann Arbor 的 Materialise獲得的 Mimics，以及可以在 www.paraview.org 獲得的Paraview。與骨頭模型22相似的’該等關節炎模型36係描緣出在此退化狀況中的骨頭1 8，20以及它們各自的退化的關節 ❹ 表面24，26，其可以是骨關節病、受傷、其等組合等等的結果。然而，與骨頭模型22不同的是，該等關節炎模型36 並不是只有骨頭的模型，而是包括有除了骨頭之外的軟骨原骨。據此，該等關節炎模型36描繪出人工關節目標區域 42’所描繪的人工關節目標區域42大體上是在人工關節的外科手術程序期間，當客製化人工關節工模2以匹配的方式接收人工關節目標區域42時將會存在的》如在圖ID中指出的以及已經在上文中提到的，為了要 19 200938154 將骨頭以及關節炎模型36，36以及它們各自的子體的位置 /方位加以協調，復原的骨頭模型28從位置點p到位置點 P的任何運動係被追蹤，用以產生用於“關節炎模型” 3 6 的大體上相同的位移[方塊135]。如描繪於圖1D之中的，關節炎模型36之人工關節目 ‘區域42的電腦產生的3D表面模型40係被輸入到電腦產生的3D人工關節工模模型38之中[方塊14〇]，因此，工模模型3 8係被建構成或編索引，用以匹配地接收關節炎模型 36的人工關節目標區域42。被製造來配合此等工模模型38 0 的工模2將接著在人工關節的外科手術程序期間以匹配的方式接收真正關節骨頭的人工關節目標區域。在一項實例之中，用於將工模模型38編索引到人工關節目標區域42的程序是一項手動的處理程序。31)電腦產生的模型36’ 38是被-個坐在電腦6前方且以目視的方式觀察在電腦螢幕9上的工模模型38以及關節炎模型36且藉著與電腦控制裝置11互動來操控該等模型36，38的人以

手動的方式所操控。在一項實例之中，藉著將工模模型38 Q (例如，在關節是一個膝蓋的背景中的股骨以及脛骨人工

關節工模）重疊放置在關節炎模型36的人卫關節目標區域 42 U 或反之亦然，人工關節目標區域42的表面模型40 :乂被輪出到工模模型38之中，所產生的工模模型38係被編索引以匹配地接收關節炎模型36的人工關節目標區域 42位置點P’（ X0-k ’ Y0_k，Z〇-k )也可以被輸出到工模模型 38之中，所產生的工模模型38係相對於位置點p，（XQk， 20 200938154 Y〇-k，Zw)被定位及定向，用以容許該等模型可以與[方塊 125]的骨頭鋸切以及鑽孔數據44整合在一起。在一項實例之中，用於將工模模型38編索引到人工關節目標區域42的程序係大體上或完全是自動化的，這將在稍後於本發明說明中更詳細地討論。舉例來說，電腦程式可以創造出關節炎模型36之人工關節目標區域42的3D電腦產生的表面模型40。該電腦程式可以接著將表面模型4〇以及位置點P' ( X〇-k，Y〇-k，Z〇-k )輸入到工模模型3 8之中，所產生的工模模型38係被編索引，用以匹配地接收關節炎模型36的人工關節目標區域42。所產生的工模模型％亦相對於位置點P’（ k，Y〇 k，k)而被定位及定向，用以容許該等模型可以與[方塊125]的骨頭鋸切以及鑽孔數據 44整合在一起。在一項實例之中，關節炎模型3ό可以是從針對圖2D 到圖2F所討論的閉迴路處理程序所產生的3D體積模型。 ❹在其他實例中’該等關節炎模型36可以是從針對圖以到圖2C以及圖12A到圖12C所討論的開迴路處理程序所產生的3D表面模型。如在圖1E之中所指出的，在一項實例之中，關於相對於位置點p· (x0_k，Y0_k，z0-k)的工模模型38以及表面模型40的數據係被包裝或結合成為“鋸切以及鑽孔數據” 44[方塊145]。 ‘‘工模數據’’ 46接著如同在下文中針對圖 iE的[方塊150]所討論地使用。如可以從了解的圖1E， “鋸切以及鑽孔數據” 44與 21 200938154 “工模數據” 46整合在一起整合在一起’用以產生“整合的工模數據” 48[方塊150]。如在上文中所解釋的，由於“鋸切以及鑽孔數據” 44、“工模數據” 46以，及它們的各種原型（例如，模型22，28，36 ’ 38)係彼此配合，用於相對於位置點P以及P，的定位以及定向，“鋸切以及鑽孔數據” 44係相對於“工模數據” 46而被適當地定位以及定向’用於適當地整合到“工模數據” 46之中。將所產生的 “整合的工模數據” 48提供到CNC機器10時，所產生工模2係：（1 )被建構成以匹配的方式接收病人骨頭的人工 ❹ 關節目標區域；以及（2 )鋸有切削的狹長孔以及鑽孔，其係有助於製備人工關節目標區域，而能夠容許人工關節關節植入物可以大體上將病人的關節線復原到其退化之前的狀態。如可以從了解的圖1A以及1E， “整合的工模數據” 44從電腦6被轉移到CNc機器1〇[方塊155]。工模坯料50 被提供到CNC機器1〇[方塊160]，並且該CNC機器10採用該整合的工模數據”來從工模坯料50加工該等人工關 Ο 節工模2。為了要討論一項能夠經由上文所討論的處理程序而被製造出來的示例牲客製化人工關節切削工模2，請參照圖 1F到圖II。如上文所指出的’雖然上文所討論的處理程序可以被用來製造被建構成用於與膝蓋、肘部、足踝、手腕、瓶部、肩部、脊椎骨界面等等有關的人工關節程序之工模 2 ’描繪在圖1F到圖U之中的工模實施例是用於全人工膝 22 200938154 關節置換術（“TKR” ）程序。因此，圖1F以及圖1G分別疋示例性客製化人工關節股骨工模2A的仰視及俯視立體圖，且圖1Η以及圖丨丨分別是示例性客製化人工關節脛骨工模2Β的仰視及俯視立體圖。

如在圖1F以及圖ig中所指出的，一個股骨人工關節工模2Α可以包括有一個内部側邊或部位1 〇〇以及一個外部侧邊或部位1 〇2 ^當該股骨切削工模2 a使用在TKR程序之中時内邛側邊或部位1 〇〇係面對著且匹配地接收股骨下端的人工關節目標區域42 ,並且外部側邊或部位i〇2是位在股骨切削工模2A與内部部位100相反的侧邊上。 ^股骨工模2Α的内部部位1〇〇係被建構成用以配合病人股月1 8雙到傷害的下端（亦即，人工關節目標區域42 )的表面特點。因此’ f目標區域42在TKR外科手術期間被接吹在股骨工模2A的内部部位1〇〇之中時，目標區域42以及内部部位100的表面係相配合。 I股骨切削工模2A之内部部位1〇〇的表面係被機械切削、m是形成為—個所選擇的股骨卫模述料胤，並且 :基於或疋被界疋為病人股骨18受傷的下端或目標區域42 或目標區域42的-個3D表面模型40。如在圖1H以及圖u中所指出的，一個脛骨人工關節工模以包括有一個内部側邊或部们〇4以及一個外部 :邊或部位1〇6。當脛骨切削工模2B使用在TKR程序之中的内部側邊或。p位1〇4係面對著且匹配地接收脛骨上端關節目私區域42，並且外部側邊或部位106是位在 23 200938154

位104相反的側邊上。位104被建構成用以配合病人脛即’人工關郎目標區域42)的表域42在TKR外科手術期間被接 !位104之中時，目標區域42的郎部位104的表面的表面係被機個所選擇的脛骨工模坯料50B，並且是基於或是被界定為病人脛骨20受傷的上端或目標區 0 域42或目標區域42的一個π表面模型4〇。 b.用於將3D人工關節工模模型編索引到人工關節目標區域之自動化處理程序的概述如上文相對於圖1D的[方塊14〇]所提到的，用於將3D 人工關節工模模型38編索引到人工關節目標區域42的處理程序可以是自動化的。從該自動化的編索引處理程序的概述開始，此種自動化處理程序的實施例的討論現在將會與本詳細說明的其餘部分有關。 0 如可以從圖1A以及圖1B的[方塊1〇〇_1〇5] 了解的，病人12具有一個要被更換的關節14(例如，膝蓋、財部、足踝、手腕、肩部、髖部、脊椎骨界面等等）^病人12使得關節14在一個成像機器10 (例如，一個CT，MRI，等等機器）之中被掃描’用以產生形成病人關節14 (例如，膝蓋）的骨頭（例如，股骨18以及脛骨20)的複數個2D掃描影像16。每個掃描影像16都是目標骨頭^,20的一個 24 200938154 薄的切片n該等掃描影像16係被送到中央處理器7，〜中央處理器8利用—個沿著骨頭i 8，2〇掃描影像i 6之目標特點42的開迴路影像分析，用以產生用於沿著目標特點42的輪廉之每個掃描影像16的-個輪廊線。如可以從圖1A以及圖ic的[方塊11〇] 了解的，中央處理器7係編譯掃㈣像16，並且更具體地說，編譯輪廊線來產生病人關節骨頭18,2〇之目標特點Ο的3D電腦表面模關節炎模型，，）36<>在全人工膝關節置換術 © ( “TKR”）的外科手術之_，該等目標特點以可以是痛人叔月18的下方或膝關節端部以及病人脛骨2〇的上方戒膝關節端部。更具體地說，該等目標特點42可以是與病人股月18的關節連接表面相接觸的脛骨以及與病人脛骨2〇的關節連接表面相接觸的股骨。在一些實例之中，該“關節炎模型” 36可以是分別遂過開迴路或閉迴路的處理程序形成的表面模型或體積實心模型，使得輪廓線可以分別是開迴路或閉迴路。在一項在本文之中詳細討論的實例之令，“關節炎模型” ％可以是透過開迴路處理程序形成的表面模型。藉著採用開迴路以及表面模型的方法，如與閉迴路以及體積實心模型的方法相反的，該電腦模型處理程序需要較少的中央處理器7的處理性能以及時間，並且因此是更加具有成本效益的。系統4係測量“關節炎模型，，％之目標區域42的前部 -後部範圍以及内側_外側範圍。前部·後部範圍以及内側_夕卜側範圍可以被用來決定用於各自骨頭18,2〇之3d “關節炎 25 200938154 模型’’ 36的縱橫比、尺寸及/或構造。在下文所討論的一個工模坯料群組以及選擇方法的一項實例之中各自骨頭 18 ’ 20之3D “關節炎模型” 36的縱橫比、尺寸及/或構造可以使用於與下文所討論的一個工模坯料群組以及選擇方法中之候選工模坯料50的3D電腦模型的縱橫比、尺寸及/ 或構造相比較。在下文所討論的一個工模坯料群組以及選擇方法的一項實例之中，各自骨頭18,2〇<3D ‘‘關節炎模型” 36 #前部·後部尺寸及⑽外侧尺寸可以被用來與候選工模坯料50之3D電腦模型的前部_後部尺寸以及内側-❹ 外側尺寸相比較。在TKR的背景之中，該等工模2將會是股骨以及腔骨人工關節切削工模2Α，2Β’此等工模是被加工、不然就是從股骨以及脛骨工模这料嫩，湖形成的。複數個候選的工模坯料尺寸係存在於例如是一個工模坯料資料庫之中。雖然每個候選的工模述料可以具有獨特組合的前部後部以及内側-外側尺寸大小’在一些實例之中，二個或更多個候選工模场料可以共享—個共同的縱橫比或構造。資料庫& ◎ 候選工模述料可以沿著根據它們的縱橫比的緣圖的斜線而被群組起來H统4利用工模趣料的群組以及選擇方法來從合納在工模坯料資料庫之中的複數個可獲得的工模坯料尺寸選擇出-個工模链料50。舉例來說，在比較或沒有較”於關節炎模型3 6與候選工模迷料的模型之間的尺寸的情況下，脛骨以及股骨的3D關節炎模型36的構造、尺寸及/或縱橫比係被拿來與候選工模坯料之3D模型的構 26 200938154 造、尺寸及/或縱橫比相比較。或者，在一項實例之中，病人股骨以及脛骨18，20之關節炎模型36的目標區域的前部·後部以及内側_外側尺寸係透過-個數學公式增加。然後，所產生的數學修改的前部·後部以及内側-外側尺寸係被拿來與候選的工模坯料 50A’遍之模型的前部-後部以及内#卜外側尺寸相比較。在一項實例之中，所選擇的工模坯料5〇a，5〇b是具有前部 ❹ ❹ -後部以及内側·外側尺寸的工模柱料，此等前部_後部以及内側·外側尺寸的大小最接近病人骨頭18，2〇之數學修改的前部·後部以及内側-外側尺寸，而沒有被病人骨帛i8, 2q 之數學修改的尺寸所超過。在—項實例之中，該工模述料的選擇方產生-個選擇的卫模柱料5()，該選擇工模述料 50的大小係盡可能地接近病人膝蓋的特點，藉此將從一個工模坯料創造出一個工帛2 $相關的機械切削減少到最小的程度。在一項實例之中，如相對於圖1F到圖u所討論的，每個人工關Ip切削工帛2係包括有—個内部部位以及一個外部部位。該内部部位的尺寸係經過設計而對於是該人工關知之重點之病人骨頭的表面特點來說是特定的。因此當該人工關節是用於TKR外科手術時，該等工模將會是一個股骨工模及/或一個脛骨工模。股骨工模將會具有一個訂做的内部部位’其係被建構成用以匹配病人股骨之下方或關 :端部的受傷表面。該脛骨工模將會具有-個訂做的内部被建構成其係被建構成用以匹配病人脛骨之上方戋 27 200938154 關節端部的受傷表面。在一項實例之中，因為工模迷料的群組以及選擇方法，每個人工關節切削工模2的外部部位的大小大致上與病人股骨以及脛骨的3D關節炎模型36相似。然而，為了要提供用於切削工模2的適當構造完整性，該等工模2的外部部位可以用數學的方式修改，用以導致工模2的外部部位可以在各種方向中超過3D股骨以及脛骨模型，藉此提供所產生的具有在工模2的外部與内部部位之間之足夠工模材料的切削工模2，用以提供適當的構造強度。 ❹ 如可以從圖1D的[方塊140]了解的，一旦該系統4所選擇的股骨以及脛骨工模坯料50的大小以及構造充分地相似於病人股骨以及脛骨的電腦關節炎模型36的大小以及構

造’該系統4係將股骨18以及脛骨20之目標特點42的3D 電腦表面模型40疊加在所選擇的股骨以及脛骨工模38之各自3D電腦模型的内部部位上，或是更適當地在此實例的變化形式中’是工模坯料5〇。如可以從圖1E的[方塊丨45] 了解的’所得到的結果是股骨以及脛骨工模2之“工模數〇據’’ 46形式的電腦模型，其中該等股骨以及脛骨工模電腦模型具有：（1)非常接近病人股骨以及脛骨的整體大小以及構造的各自的外部部位；以及（2)具有舆病人股骨18 以及腔骨20的目標特點42相配合的表面之各自的内部部位係。該系統4係利用來自工模電腦模型（亦即，“工模數據46 )的數據，用以致使CNC機器10機械切削來自於實 28 200938154 際工模述料的工模2。所得到的結果是’可以自動化生產真正的股骨以及脛骨工模2,其係具有：⑴大體上匹配病人真正的股骨以及脛骨之大小以及整體構造的外部部位；以及（2)具有病人特定的尺寸以及構造的内部部位，該等病人特定的尺寸以及構造係對應於病人股骨以及脛骨之目払特點42的真正尺寸以及構造。本文揭示的系統4以及方法係容許能夠有效率地製造用於病人之特定骨頭特點的客製化人工關節工模2。 © ^ 該等工模2及系統4以及用於製造此等工模的方法係在膝蓋以及TKR外科手術的背景中說明於本文之中。然而’那些所屬技術領域具有通常知識者將會立刻了解的是’該等工模2及系統4以及用於製造此等工模的方法可以立即修改而適用於使用在其他關節以及關節置換外科手衔的背景之中，例如，肘部，肩部，髖部等等。據此，本文所有的關於工模2及系統4以及用於製造此等工模之方 Q 决的揭示内容不應該被視為限制於膝蓋以及TKR外科手衝’而是應該被視為涵蓋了所有類型的關節外科手術。 c.界定股骨下方端部3D之人工關節目標區域的表面模型’用於當做股骨人工關節切削工模之内部部位的一個表面使用。為了要討論產生病人股骨18受傷下方端部204之—個目標區域42的3D模型40的方法，請參照圖2Α到圖2G。圖2Α是病人股骨18受傷的下方或膝關節端部204的前部· 後部ΑΡ” ）影像切片208 ’其中該影像切片208包括有 29 200938154 一個開迴路輪廓線片段21〇， _.^ ° 其係對應於受傷的下方端部的目標區域42。圖2Β是複數個影像切片（16小μ， Π)連同匕們各自的開迴路輪廓線片段（210-1， ..21G η)，該等開迴路輪廉線片段21G係被累積來產生目標區域42的3D模划4Λ m

刃川模型40。圖2C是使用描繪在圖2B t之開迴路輪靡線片段（⑹，w，」6-n)時所產生的又傷的下方端部2〇4之目標區域42的一個模型仂。除

到圖2F疋有關與開迴路輪廓線相反的閉迴路輪廓線之外，圖2D到圖2F分別相似於圖2A到圖2C。圖Μ 疋說明1造出股骨工模2A之方法概述的流程圖。〇如可以從了解的圖1A，1B以及2A，成像器8係被用來產生病人股骨18之受傷的下方或膝關節端部2〇4的2d 影像切片16。如描繪於圖2A之中的，該2D影像切片16 可以是股骨18的AP視圖。視該成像器8是MRI或CT成像器而定，該影像切片16將會是一個厘幻或CT切片受傷的下方端部204包括有後部髁212、一個前部股骨軸桿表面214以及所關注的區域或目標區域42，該區域係從後部蘇212延伸到前部股骨轴桿表面214。股骨下方端部的目標區域42可以是股骨下方端部的關節連接的接觸表面，其係接觸對應的脛骨上方或膝關節端部的關節連接的接觸表面〇如圖2A所示，影像切片16可以描繪出疏質骨216、包圍該疏質骨的皮質骨218以及皮質骨218的關節軟骨原骨内層部位。輪廓線210可以沿著目標區域42延伸並且緊鄰 30 200938154 著皮質骨以及軟骨原骨，用以畫出股骨下方端部2〇4之目楳區域42的輪廓。輪廓線21〇係在後部髁212上的一個位置點A處開始沿著目標區域42延伸，並且在前部股骨轴桿表面214上的位置點b處結束。在一項實例之中，如在圖2A中指出的，該輪廓線21〇係沿著目標區域42延伸，但是不會沿著股骨下方端部2〇4 的其餘的表面延伸。其結果是，該輪廓線21〇形成—個開迴路，如將會相對於圖2B以及圖2(:所討論的，該開迴路 © 可以被用來形成一個開迴路區域或3D電腦模型40,該開迴路區域或3D電腦模型40係相對於圖1D的[方塊14〇]所討論的，並且緊密地匹配股骨下方端部之目標區域42的3d 表面。因此，在一項實例之中，該輪廓線是一個開迴路，並且不會畫出股骨下方端部204的整個皮質骨表面的輪廓而且，在一項實例之中，該開迴路的處理程序係被用來從該等3D影像16形成一個3D表面模型36，該3D表面模里36大體上係代替相對於圖的[方塊125· 140]所討論的關節炎模型36並且被用來創造出表面模型4〇，該表面模型40係使用在相對於圖iE的[方塊丨45_丨5〇]所討論的“工模數據” 4 6的創造之中。在一項實例之中並且與描繪於圖2A以及圖2B之中的開迴路輪廓線21 〇相反的，輪廓線是一個閉迴路輪廓線，其係描繪出股骨下方端部的整個皮質骨表面的輪廓並且產生—個如描繪於圖2D之中的閉迴路區域。每個影像切片b-1 ’ ...16-n的閉迴路輪廓線21〇，_2， 21〇，_n係被組合 31 200938154 起來，如在圖2E中所指出的。一個閉迴路區域可能需要以分析股骨下方端部204的整個表面區域，並且結果是形成如圖2F所說明的整個股骨下方端部2 〇4之3D模型。因此，從閉迴路處理程序所產生的3D表面模型最後成為共同具有很多的’如果不是全部的話’ 3D關節炎模型36的表面。在一項實例之中，閉迴路處理程序可以透過應用數學演算法從該等2D影像16產生一個3D體積解剖關節實心模型。 1995年12月26日提出申請且整體以參考的方式加入本文中的美國專利第5,682,886號係應用形成連續邊界或閉迴路 ❹ 的snake演算法。在已經描繪出股骨的輪廓之後，舉例來說，通過一種Bezier修補方法，一個模型處理程序係被用來創造出3D表面模型。其他3D模型處理程序，舉例來說，如同列在本詳細說明其他部分中的商業上可獲得的3D建構軟體可以應用到針對閉迴路的3D表面模型的產生、體積實心模型的形成。在一項實例之中，閉迴路的處理程序係被用來從31)影像16形成一個3D體積實心模型36，該3D體積實心模型 ❹ 36基本上與針對圖1D的[方塊125·14〇]所討論的關節炎模型36相同。該3D體積實心模型36係被用來創造表面模型 40,而該表面模型40係使用來創造出針對圖的[方塊 145-15 0]所討論的“工模數據” 46。整個股骨下方端部的3D體積實心模型的構成係利用可以是比使用開迴路輪廓線創造出股骨下方端部之目標區域 42的-個3D模型要多很多的記憶體且需要报多時間的處 32 200938154 理程序。據此，雖然閉迴路的方法可以被使用於本文所揭示的系統以及方法，對於至少一些實例來說，開迴路方法可能疋比閉迴路方法更佳的。閉迴路方法的一項實施例係揭示在授與Park的美國專利申請案第11/641，569號，該申請案的名稱為“ Impr_d Total Joint Anthroplasty System” 且是在 2〇〇7 年丨月 19 日提出申請的。這個申請案係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。 €1 如可以從圖2B以及圓2G 了解的，成像器8係透過重複的成像操作[方塊1000]產生複數個影像切片（， 16 2…16-n)。每個影像切片16都具有一個開迴路輪廓線 (210-1，210-2..·210·η)，其係以一種相對於以針對圖2A 的[方塊1005]所討論的方式沿著目標區域42延伸。在一項實例之中，每個影像切片都是一個二毫米的2D影像切片。該系統100編譯該等複數個2D影像切片（16-1， ❹ 16_2..·16·η)，並且更具體地說是進入描繪在圖2C之[方塊 1〇1〇]中的3D股骨表面電腦模型4〇的複數個開迴路輪廓線 (210-1 ’ 210-2 ’ _··2ΐ〇·η)。這種關於產生表面模型4〇的處理程序也討論在針對圖1Β的[方塊loo-1〇5]以及圖1D的 [方塊130-140]的概述部分中。相似的處理程序可以針對描繪在圖2D到圖2F中的閉迴路輪廓線使用。如可以從了解的圖2C，3D股骨表面電腦模型40是股骨下方端部之目標區域42的一個3D電腦圖像。在一項實例之中’該目標區域42的3D圖像是股骨遠端之關節連接 33 200938154 脛骨接觸表面的3D圖像。如與將會是的股哥山于會疋閉迴路輪廓線之結果 ~部的整個表面的3D模型相反的，因為開迴路模型4G^tT方端部之相關脛骨接觸部位固表面模型，該開迴路產生的3D模型4Q較不需要時間以及s己憶體就可以產生。在-項實例之中，如與股骨下方端部之整個表面的犯 ^相反的，開迴路產生的3D模型4Q是股骨下方端部面 ▲、脛骨之端面的表面模型。該3D模型4〇可以被用來辨 ❹ 遇出所感到興趣的區域或目標區& 42，如在前文中描述的，該區域可以是股骨下方端部的相關脛骨接觸部位。再次地，與會是由-個閉迴路輪廊線所產生之股骨遠端的整個表面的3D模型相比較，該開迴路產生的扣模型4〇較不需要時間以及記憶體就可以產生，，對於本文揭示的至少一些實例的變化形式來說，開迴路輪廓線的方法係比閉迴路輪廓線方法更好。然而，本文揭示的系、统4以及方

法可以使關迴路或閉迴路的方法，並且不應該被限制在其中一個或另一個。無論3D模型40是目標區域42的表面模型（亦即，從開迴路處理程序產生的且作用如同關節炎模型22的3〇表面模型）還是面對著股骨下方端部之端面的整個脛骨（亦即，從閉迴路處理程序且作用如同關節炎模型22的31)體積實心模型），與輪廓線210有關的數據可以經由揭示在前文所提到之授與Park的任何美國專利申請案中之表面顯像（rendering)的技術被轉換成3D輪廓電腦模型4〇。舉例 34 200938154 來說，所使用的表面顯像技術包括有點對點的映射、表面正向向量的映射、局部表面的映射以及整體表面的映射技術。視情況而定，可以使用一種映射技術或映射技術的一種組合。在一項實例之中，描繪在圖2C中之3D模型40的產生可以藉著使用該等影像切片16而形成，用以決定在圖2B 開迴路區域中之一連串分隔開的表面位置點的每個位置點的位置座標數值。接著可以使用數學模型來估算或計算在 © 圖2C之中的3D模型40。可以使用之其他醫學成像電腦程式的實施例包括有，但是不限制於：得自美國堪薩斯

Overland Park 的 AnalyzeDirect 股份有限公司的 Analyze ; 像是Kitware，Inc.之Paraview的開放原始編碼軟體；可以在 www.itk.org 獲得的 Insight Toolkit ( “ITK”）；可以從 www.slicer.org獲得的3D Slicer;以及可以得自美國密西根 Ann Arbor 的 Materialise 獲得的 Mimics。取代地或除了前文提及的用於產生描綠於圖2C中之 3D模型40的系統之外，用於產生圖2C之3D模型40的其他系統包括有 Non-Uniform Rational B-spline( “NURB” ）程式或B6zier程式的表面顯像技術。這些程式每個都可以被用來從複數的輪廓線210產生3D輪廓模型4〇。在一項實例之中’該NURB表面模型技術係應用到複數個影像切片16’並且更具體地說是應用到圖2B的複數個開迴路輪廓線210。NURB軟體係產生如描緣於圖2C之中的3D模型40 ’其中該3D模型40係具有受到關注的區域 35 200938154 或是目標區域42,該等區域係含有一個網目以及其控制點二者。舉例來說，參見Ervin等人，Landscape M二η:，

McGraw-Hill，2001年，其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。在一項貫例之中，NURB表面模型技術使用以 a 仏姆满卿ι) "ΪΓ 的衣面方程式：甘由1W · 其中p (1，j)係代表

列=(kl + Ι)以及！！行=(k2+1)的頂點矩陣，w〇 , j 代表每個頂點的-個頂點重量矩陣，bj(s)代表式函數的-個列方向的基底或混合，bj⑴WM2階“ :函數的-個行方向的基底或混合’ 8代表列方向結點的‘ 數陣列，以及t代表行方向結點的參數陣列。在-項實例之中，該驗表面模型技術利用⑽ 方程式（ 1972，Pierre B6zier)來產生描緣在目π之中* 3D模型40’其中該模型4〇具有所咸不丨油

所感到興趣的區域或目I

…2。-個給定的B6zier表面順序（n，m)係由 + 1 ) ( m+ 1 )控制點kij所界定。其 —it ^ ± ''將單位方塊映射至千^連續表面之中，該連續表面係埋置在—個相同詞又（h )的空間之内。舉例來說，如果^ β 、’、間之中的齡古赴认& 疋在個四維3 中的所有點的話’那麼該表面將會是在一之内。這個關係對於一維空間、二& # 仍然維持為正確的。 -、、間、五維空間等，二維的如如表面可以被界定成為參數表面，其中負 36 200938154 做參數座標u，v之函數的位置點P的位置是由以下方程式

*=0 /ssO 所提供：其係求出該單位方塊的蹲㈣=β部一贫严數值，其中 W 是Bernstein多項式，並且 nl 是二項式係數。參見1999年7月，Grune 等人的 On Numerical Algorithm and Interactive

Visualization for Optimal Control Problems，Journal of Computation and Visualization in Science » Vol. 1，No. 4，其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。

各種其他表面顯像技術係揭示在其他參考資料之中，舉例來說，參見揭示於以下出版品的表面顯像技術： Lorensen 等人，Marching Cubes : A high Resolution 3D

Surface Construction Algorithm, Computer Graphics > 21-3: 163-169，1987 年；Farin 等人，NURB Curves & Surfaces:

From Projective Geometry to Practical Use，Wellesley，1995 年；Kumar 等人，Robust Incremental Polygon Triangulation for Surface Rendering，WS.CG，2000 年；Fleischer 等人，

Accurate Polygon Scan Conversion Using Half-Open Intervals，Graphics Gems III，p· 362-365，code: p. 599-605, 1992 年；Foley 等人，Computer Graphics: Principles and Practice，Addison Wesley，1990 年；Glassner，Principles of Digital Image Synthesis，Morgan Kaufmann，1995 年，以上全部其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。 37 200938154 d.選擇尺寸及/或構造與病人的股骨下方端部之尺寸最相似的工模坯料如上文所提到的’像是股骨工模2A的人工關節工模2 匕括有_内部部位i 〇〇以及一個外部部位工⑽。該股骨工模2A是從一個股骨工模堪料5〇a所形成的在一項實例之中，该股骨工模迷料50A是從有限數目的股骨工模链料尺寸選擇的。該股骨工模链料5〇A的選擇是基於病人的股骨下方端部204與各種大小股骨工模坯料5〇A的尺寸及/或構故的比較，S以選擇在大小及/或構造方面與病人的股骨下❾ 方端部204最為相似的股骨工模坯料5〇A。這個選擇的股骨工模坯料50A具有一個形成股骨工模2A之外部部位232的外部或外部側邊或表面232。針對此詳細說明的緊接著上一個章知所討論的3D表面電腦模型4〇係被用來將一個3D表面40界定於一個股骨工模坯料5〇A的電腦模型的内部側邊 230之中。藉著選擇該股骨工模坯料50A為具有一個大小接近病人下方股骨端部204的外部部位232，可以增加在内部部位 ❹ 230與病人股骨之間的準確配合的可能性。而且，可以減少需要被機械切削、不然就是從工模坯料5〇A移除的材料量，藉此降低材料的浪費以及製造的時間。為了要討論選擇最接近地對應病人下方股骨端部之大小及/或構造的工模坯料50之方法，首先參照圖3到圖4B。圖3A是具有預定尺寸之左側股骨切削工模坯料5〇al的立體俯視圖。圖3B是描緣於圖3A中之工模坯料5〇 AL的立 38 200938154 體仰視圖。圖3C係描繪於圖3A中之工模坯料5〇al之外部側邊或部位232的平面視圖。圖4A係複數個可獲得尺寸的左側股骨工模坯料50AL，每個工模坯料都以與圖3C所示的相同視圖描繪。圖4B係複數個可獲得尺寸的右側股骨工模述料50AR，每個工模迷料都以與目％所示的相同視圖描繪。 ❹

共同的工模坯料，像是描繪於圖3A到圖3C之中且是要用來創造出可以與病人左侧股骨一域用t左側股骨工模的左側工模坯料50AL可以包括有後部邊緣24〇、前部邊緣242、外側邊緣244、外側邊緣246、外侧髁部位248、外側課部位250、外部侧邊232以及内部侧邊23〇。圖3a 到圖3C的工模坯料50AL可以是可獲得之有限數目標準尺寸之許多左側股骨工模坯料5 〇 A L的任何其中之一。舉例來可以是第i個左側股骨 m ’且m係代表最大數說’圖3A到·圖3C的工模述料50AL 工模坯料，其中i=l,2,3,4，目的左侧股骨工模坯料尺寸。如在圖3C中指出的，工模坯料5〇Αχ的前部-後部範屋 JAt係從工模坯料5〇AL的前部邊緣242測量到後部邊驾 240。工模㈣50AL的内側·外側範圍⑽係從工模㈣ 50AL的外侧邊緣244測量到内側邊緣2“。士可以從圖4A 了解的，一個有限數目的左側股骨工模述料尺寸是可以獲得的，用於選擇當做要被機械切削成左侧股骨切削工模2A的左側股骨工模坯料尺寸。舉例來說，在-項實例之中，有九種尺寸（m==9)的左侧股骨工㈣ 39 200938154 料50AL是可以獲得的。如可以從圖3C 了解的每個股骨工模坯料50AL都具有被界定為JAi對於（例如， JAi/JMi縱横比）的前部-後部/内側_外側縱橫比。因此，何以從® 4A 了解的，王模㈣50AIM具有被界定為 m JA,/JMl的縱橫比，工模坯料50AL-2具有被界定為的縱橫比，工模坯料5〇al_3具有被界定為 :JA3/JM3j的縱橫比’工模坯料50AL-4具有被界定為的縱橫比，工模坯料5〇al_5具有被界定為

JAS/JM5的縱橫比，工模坯料50AL-6具有被界定為 “JA萬”的縱橫比，工模㈣5〇al_7具有被界定為 JA7/JM7，，的縱橫比，工模㈣5帆_8具有被界定為 wm8”的縱橫比，以及工模迷料5〇al_9具有被界定為 JA9/JM9”的縱橫比。工模堪料縱橫比係被用來設計尺寸對於病人的左侧骨特點是獨特的左側股骨卫模2A。在__項實例之中，工链料的縱橫比可以是左側股骨工模2A的外部尺寸。在另 ❹ 項：例中’工模坯料縱橫比可以應用到左側股骨工模製 2，用於選擇具有接近所需左側股骨I模2A之尺寸的模㈣5GAL。這項實例可以改善左側股骨工處理程序的成本效益，料5。創造出所需工模2所：低了從選擇的工模所需模2所需要的機械切削量。在圖4A中，方向代表從氣.2移動到工模50心辦加的、〇^·3移動到工 “iA /T1U ” L1增加的工模縱橫比，並 JA3/JM3 < “JA2/JM2” < “JA /m ” ” < JA"JMi 。該等工模⑽ 40 200938154 的比率的增加代表了 JAi數值的對應增丹肀工模的JMi 數值則保持是相同的。換句話說，由於Ja3<ja2<ja!，且 JM3 叫M2 = JMi，因此“ JA3/JM3” < “％/他，< 。一個增量程度的一項實施例可以是從则 20%的增加。 ❹ ❹ 相同的基本原理可以應用到N_2方向以及方向。舉例來說，N-2方向代表了從工模5〇AL_6到工模5〇a°l_5 到工模50AL-4增加的工模縱橫比，其中“ JA4/JM4” < ja5/jm5 < “JA6/JM6” 。增加的工模5〇al比率代表了 JAi數值的對應增量’其中麗數值則保持是相同的。該 N-3方向代表了從工模5〇AL 9到工模5〇al_8到工模 50AL-7增加的工模縱橫比，其中“以7簡7，，< “~頂广 < “JA9/JM9”。增加的工模5〇AL比率代表了 JAi數值的對應增量’其中JMi數值則保持是相同的。如可以從指繪在圖7之中的緣圖3〇〇以及稍後在此詳細說明中討論的了解的，# c , μ 解的，該Ε-1方向係對應於斜線連結的群組1、群組4以及群細*7 m 群，，且7。同樣地，E_2方向對應於斜線連結的群組2、群組5以；5链& 0 及群組8。而且，E-3方向對應於斜線連結的群組3、群組6以及群組9。如在圖4A中指出的，沿著方向E-2，在工模50AL-2、 50AL-5 以及工模 5〇Ατ 〇 a ββ AL-8之間的工模縱橫比係繼續保持相同，其中 “JA2/jm2” 二 “ τA /τ jA5/JM5” = “ja8/jm8” 。然而，與工模50AL-2相輕> 之下’工模50AL-5的尺寸係訂定得比工模50AL-2更大且更4 a

尺長。延疋因為在所有的X，Y以及Z 200938154 轴方向中’工模50AL-5的JAS的值係與其JM5的值的增量以某種程度成比例地增加。以相似的方式，工模5〇AL_8的尺寸係訂定得比工模工模50AL-5更大且更長。因為在所有的X，Y以及Z轴方向中，JAS係與其JM8數值的增量以某種程度成比例地增加。該增量的一項實施例可以是從5%到 2 0 %的增加。相同的基本原理可以應用到方向E-1以及方向e-3。舉例來說’在E-3方向中，在工模50AL-3、50AL-6以及工模 50AL-9之間的工模縱橫比係繼續保持相同。與工模q 相較之下，工模50AL-6的尺寸係被訂定成較大且較長，這疋因為在所有的χ’γ以及2軸方向中，工模5〇al_6的以及JA0數值二者係成比例地增加。與工模5〇AL 6相較之下，工模50AL-9的尺寸係被訂定成較大且較長，這是因為在所有的χ，γ以及z軸方向中，工模5〇AL9的％以及 JA9數值二者係成比例地增加。如可以從圖4B 了解的，可以得到有限數目的右側股骨工模坯料尺寸，用於選擇當做要被機械切削成右侧股骨切 ❹ 削工模2A的右側股骨工模坯料的尺寸。舉例來說，在—項實之中有九種尺寸（m==9)的右侧股骨工模坯料5〇AR 是可以獲得的。如可以從圖3 了解的，每個股骨工模链料 50AR都具有一個被界定為到遞的前部-後部/内側·外側縱橫比（例如’ “ JAi/JMi”縱橫比卜因此，如可以從了解的圖，工模坯料5〇AR l具有被界定為“jAi/jMi” 的縱橫比’工模述料50AR·2具有被界定為“JA2/JM2,，的 42 200938154 縱橫比，工模㈣50AR_3具有被界定A “JA姻3”的縱横比，工模㈣5〇AR_4具有被界定為“从4舰4”的縱橫比’工模喊5〇AR_5具有被界定為“jA5/jM5”的縱橫比，工模㈣5GAR_6具有被界定為“从顧6，，的縱橫比，工模链料5〇AR_7具有被界定冑‘‘⑽助，，㈣橫比，工模趣料5〇AR-8具有被界定為“JA8/JM8，，的縱橫比，以及卫模链料50人^9具有被界定為“M痛9，，的縱橫比。 Ό ❹ 工模述料縱橫比係被用來輯尺寸對於病人的左側股骨特點是獨特的右側股骨卫模2A。在—項實例之中，工模堪料縱橫比可以是右側股骨工模2A的外部尺寸。在另一項實例之中’該工模述料縱橫比可以應用到右側股骨工模製造程序1於選擇具有接近所需右侧股骨m之尺寸的參數的左侧卫模迷料5GAR。這項實例可以改善右側股骨工模製梃處理程序的成本效益，因為其降低了從選擇的工模坯料50創造出所需工模2所需要的機械切削量。在圖4B，該N]方向代表了從工模5〇ar_3移動到工模50AR-2移動到工模寫反]增加的工模縱橫比，其中 “JA3/JM3”〈“ JA2/JM2” < “JAi/JMi，，。該等工…嫩的比率的增加代表了 JAi數值的對應增量，其中工模的jMi 數值則保持是相同的。換句話說，由於JA3 < JA2 <； JAi，且 jm3=jm2 = JMi，因此 “JA3/JM3 ” < “ja趟2:，〈 JAl/JMl 。一個增量程度的一項實施例可以是從5〇/到 20%的增加。 ° 相同的基本原理可以應用到N_2方向以及N3方向。 43 200938154 舉例來說，N-2方向代表了從工模5〇AR 6到工模mar-5 到工模50AR-4增加的工模縱橫比，其中“JA4/JM4” < “ja5/jm5” < “ja6/jm6”。增加的工模5〇ar比率代表了 JAi數值的對應增量，其中皿數值則保持是相同的。該 N-3方向代表了從工模5〇AR_9到工模5〇ar8到工模 50AR-7增加的工模縱橫比，其中“ JAW%，， <' “ja8/jm8” < “ja9/JM9”。增加的工模5峨&率代表了 JAi數值的對應增量，其中JMi數值則保持是相同的。 ❹ 如在圖4B中指出的’沿著方向E_2，在工模$⑽_2、 50AR-5以及卫模5〇AR_8之間的卫模縱橫比係繼續保持相同，其中 “ja2/jm2” = “JA5/JM5” = “JA8/jm8” 。然而，與工模50AR-2相較之下，工模5〇AR5的尺寸係訂定得比工模50AR-2更大且更長。這是因為在所有的χ，γ以及z 軸方向中’工模50AR_5的JA5的值係與其jM5的值的增量以某㈣度成比例地增加。以相似的方式’工模5gar_8的尺寸係訂定得比工模工模撤R_5更大且更長。因為在所有〇 =度轴方向中，係與其JM8數值的增量以某

度成比例地增加。該增量的-項實施例可以是從5%到 20%的增加。 &代〕/〇主J 相同的基本原理可以應用到方向E]以及方向例來說，在E-3古Α tb + f 竿' 向中，在模5〇AR-3、50AR-0以及工模 50AR-9之間的卫模縱橫貝话得相同。與工模50AR-3 相較之下，工模5〇ar_6的尺寸是因為在所有的^以及2^=定成較大且較長，這

釉方向^，工模50AR-6的JM 44 200938154 以及ja6數值二者係成比例地增加。與工模5gar 6相較之下’工模50AR-9的尺寸係被訂^成較大且較長，這是因為在所有的χ，γ以及z軸方向中，工模5gar_9的％以及、JA9數值二者係成比例地增加。病人股骨18的下方或膝關節形成端部2〇4的尺寸可以藉著以一種相似於針對工模述料5〇所討論的那些方式分析 3D表面模型40或D關節炎模型36來決定。舉例來說，如係病人左側股骨18的3D表面模型40或關節炎模型36在 ❹從遠到近延伸的方向中看到的轴向圖之圖5所描緣的表面模型40或關節炎模型36的下方端部2〇4可以包括有前部邊緣262、後部邊緣260、内側邊緣264、外側邊緣266、内側髁268以及外侧髁270。股骨的尺寸可以針對病人股骨 18的底部端面或脛骨的關節連接表面2〇4，透過分析31)關節炎模型36的3D表面模型4〇來決定。這些股骨的尺寸接著可以被用來建構股骨工模尺寸以及選擇一個適合的股骨工模。 ❹ 如圖5所不，病人股骨18的下方端部204 (亦即，無論是否透過開迴路或閉迴路分析而形成的關節炎模型36之表面模型40的下方端部204 )的前部-後部範圍fAP係股骨外侧凹槽的前部邊緣262測量到股骨外側髁27〇的後部邊緣260而得到的長度。病人股骨18下方端部204的内側-外側範圍fML係從内侧髁268的内側邊緣264測量到外側踩270的外侧邊緣266而得到的長度。在一項實例之中，股骨下方端部204的前部-後部範圍 45 200938154 fAP以及内側-外侧範圍fML可以被使用於股骨下方端部的縱橫比fAP/fML。病人膝蓋的大數目（例如，數百、數千、數萬等等）縱橫比fAP/fML可以被編譯以及進行統計分析來決定用於可以適應最大數目的病人膝蓋之工模坯料最共通的縱橫比。此資訊接著可以被用來決定哪一個、哪二個、哪三個等等的縱橫比是最可能可以適應最大數目的病人膝蓋。該系統4分析透過關節炎模型36的表面模型40(是透過開迴路產生的3D表面模型的關節炎模型36，還是透過閉 ❹ 迴路處理程序而產生的3D體積實心模型）所提供的病人股月18的下方端部204，用以獲得關於股骨下方端部204之前部-後部範圍fAP以及内側-外侧範圍fML的數據。如可以從描繪出圖3C選擇的模型工模坯料5〇AL疊加在圖5的模型股骨下方端部204上的圖6 了解的，股骨的尺寸範圍 fAP，fML係被拿來與工模坯料的尺寸範圍jAp，jM]L相比較，用以決定要選擇哪個工模坯料模型當做用於工模模型的機械切削以及外部表面模型開始點。〇如圖6所示，一個預期的左側股骨工模坯料5〇Al係被疊加來與由表面模型40或關節炎模型36代表之病人的解剖學模型的左側股骨下方端部2〇4相匹配。該工模坯料 50AL係蓋住大部分的内側髁268以及外側髁27〇，留下很小暴露出來㈣區域，包括有tl，t2，t3。在内側的内側· 外側寐區域ti係代表了介於内側踩268的内側邊緣264與工模坦料50AL的内側邊緣246之間的區域。在外側的内側 46 200938154 外侧課區域t2代表了介於外侧課27Q的外側邊緣⑽與工模远料50AL的外側邊緣244之間的區域。在後部的前部_ 後部區域t3代表了介於外側媒27〇的後部邊緣26〇與工模坯料50AL的後部邊緣24〇之間的髁區域。

_工模坯料50AL的前部邊緣242係延伸經過由在前部的刖部後口p伸出部| t4所指出之左侧股骨下方端冑2〇4的前部邊緣262。具體地說，在前部的前部·後部伸出部分Μ代表著介於股骨下方端部2G4外側凹槽的前部邊緣加與工模堪料5GAL的前部邊緣242之間的區域。藉著獲得以及利用股骨的前部後部fAP數據以及股骨的内側·外側腿數據’該系統4可以根據以下公式訂定股骨工模域料5〇al的尺寸：jFML= fML- tl — t2 以及 jFAp= fAp— ^ + t4，其中， jFML是股骨工模坯料5〇AL的内側_外侧範圍以及是股骨工模坯料50AL的前部_後部範圍。在一項實例之中， tl，t2，t3以及t4將會具有以下範圍：2mm幻佥; 2mm沒2^5mm ; 2mm沒3^l2mm ;以及 15mma4^5mm。在另一項實例中，tl、t2、t3以及t4將會具有以下數值：u =3mm ; t2= 3mm ; t3= 6mm ;以及 t4= 20mm。圖7A是一個示例性的散佈圖3〇〇，針對從複數個候選的工模坯料尺寸選擇出一個適合病人股骨18的下方端部 204的工模坯料尺寸。在一項實例之中，χ軸以毫米表示病人股骨的内側-外側長度fML，以及丫軸以毫米表示病I股骨的前部·後部長度fAPe在一項實例之中，該繪圖係被劃分成許多工模坯料尺寸群組，其中每個群組都包圍著該散 47 200938154 佈圖300的一個區域並且與一個特定候選的工模坯料尺寸的特定參數JMr，JAr有關。在項實例之中，描縿在圖7A中之示例性散佈圖3〇〇具有九個工模坯料尺寸群組，每個群組都是關於單一的候選工模趣料尺寸。然而，視實例而定，散佈圖300可以具有較大或較小數目的工模兹料尺寸群組。工模趣料尺寸群、’且的數目越大，候選工模坯料尺寸的數目就越大且選擇的候選工模迷料尺寸對於病人的膝蓋特點以及所產纟的工模 2的尺寸大小就會越特定。而所選擇的候選工模坯料尺寸的尺寸大小越特定，從選擇的卫模&料5()製造出所需工模2 所需要的機械切削量就越少。相反地，工模坯料尺寸群組的數目越小，候選的工模述料尺寸的數目就越小，及且選擇的候選工模这料尺寸對於病人的膝蓋特點以及所產生的工模2的尺寸大小就會越 ^特定。而所選擇的候選工模堪料尺寸的尺寸大小越不特定，從選擇的工模坯料5〇製造出所需工模2所需要的機械刀削量就越多’而在工模製造程序期間增加了額外的粗冑 ◎ 加工。如可以從了解的圖7A，在—項實例之中，_圖3()()的九個工模坯料尺寸群組具有如下所述的參數Μ，％。群組1具有參數™,，jAlqMi表示第—股骨卫模㈣尺寸的内侧-外側範圍mMi =伽心^表示第—股骨工模坯料尺寸的前部·後部範圍’其中％ ” 〇5_。群組^ 涵蓋了病人股骨的fML以及fAp數據，其中55麵〈親 48 200938154 < 70mm 以及 61mm< fAP< 70.5mm。群組2具有參數JM2，JA2。JM2表示第二股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中JM2 = 70mm。JA2表示第二股骨工模述料尺寸的前部-後部範圍，其中JA2=61.5 mm。群組2涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中55mm < fML < 70mm 以及 52mm < fAP < 61.5mm。

群組3具有參數JM3，JA3。JM3代表第三股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中JA2 = 70mm。JA3代表第三 Ο 股骨工模坯料尺寸的前部-後部範圍，其中JA3 = 52mm。群組3涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中55mm < fML < 70mm 以及 40mm< fAP < 52mm。群組4具有參數JM4，JA4。JM4代表第四股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中JM4 = 85mm。JA4代表第四股骨工模坯料尺寸的前部-後部範圍，其中JA4 =72.5mm。群組4涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中70mm < fML < 85mm 以及 63.5mm < fAP < 72.5mm。〇群組5具有參數JM5，JA5。JM5代表第五股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中JM5 = 85mm。JA5代表第五股骨工模迷料尺寸的前部-後部範圍，其中JA5 =63.5 mm。群組5涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中70mm < fML < 85mm 以及 55mm< fAP < 63.5mm。群組6具有參數JM6，JA6。JM6代表第六股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中JM6= 85mm。JA6代表第六股骨工模坯料尺寸的前部-後部範圍，其中JA6=55mm。群 49 200938154

組6涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中70mm < fML < 85mm 以及 40mm< fAP< 55mm。

群組7具有參數JM7，JA7。JM7代表第七股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中JM7= 100mm。JA7代表第七股骨工模坯料尺寸的前部-後部範圍，其中JA7= 75mm。群組7涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中85mm < fML < 100mm 以及 65mm< fAP< 75mm。

群組8具有參數JM8，JA8。JM8代表第八股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，，其中JM8= 100mm。JA8代表第八〇股骨工模述料尺寸的前部-後部範圍*其中JA8=65mm。群組8涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中85mm < fML < 100mm 以及 57.5mm< fAP< 65mm。群組9具有參數JM9，JA9。JM9代表第九股骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中JM9= 100mm。JA9代表第九股骨工模坯料尺寸的前部-後部範圍，其中JA9=57.5mm。群組9涵蓋了病人股骨的fML以及fAP數據，其中85mm < fML < 1 00mm 以及 40mm < fAP < 5 7.5mm。〇如可以從說明選擇適當尺寸之工模坯料之處理程序的一項實例流程圖的圖7B 了解的，骨頭的前部-後部以及内側-外側範圍fAP，fML係針對關節炎模型36之表面模型40 的下方端部204來決定[方塊2000]。下方端部204的骨頭範圍fAP，fML係根據以上所討論的jFML以及jFAP公式以數學的方式修改，用以達到最小的股骨工模坯料前部-後部範圍jFAP以及内側-外側範圍jFML[方塊2010]。以數學 50 200938154 方式修改的骨頭範圍fAP ’ fML或是，更具體地，該最小的股骨工模坯料前部-後部以及内側外側範圍jFAp，係參照在圖7A繪圖300中的工模坯料尺寸[方塊2〇2〇]。繪圖 300可以用圖表的方式呈現形成一個工模坯料資料庫的候選股骨工模述料的範圍。股骨工模述料5〇a係被選擇成為具有最小範圍的工模培料尺寸，但是其範圍仍然夠大來適應最i的股骨工模链料前部_後部以及内側·外側範圍 JFAP ’ jFML[方塊 2030]。 © 在一項實例之中’所選擇的工模坯料外部尺寸係使用於工模模型的外部表面模型，如在下文中所討論的。在一項實例之中，所選擇的工模坯料尺寸係對應於實際的工模述料，該實際的工模堪料係放置在CNC機器之中且被銳削成最小的股骨工模坯料前部_後部以及内側-外側範圍 jFAP jFML，用以機械切削或形成股骨工模2A的外部表面。、略述於® 7B之中且參照® 7A繪圖300的方法可以從、下實施例進一步了解。如在圖6中相對於病人股骨18的下端P 204所估s十出的，病人股骨的範圍係如下所述： fML=79.2mm以及fAP=54.5mm[方塊2〇〇〇]。如前文提到的，該下方端部204可以是關節炎模型之表面模型4〇的一部分。一旦從下方端部2〇4決定了 fML以及fAp的測量尺寸對應的工模jFML數據以及工模jFAP數據可以透過以上描述的jFML以及jFAP公式來決^ :u — t2’ 其中 tl==3mm 以及 t2=3mm;以及 jFAP=fAP~t3+t4， 51 200938154 其中 t3 = 6mm 以及 t4 = 20mm[方塊 2010]。jFML 以及 jFAP 公式的結果為jFML= 73.2mm以及jFAP= 68.5mm。如可以從圖7的繪圖300 了解的，決定的工模數據（亦即，jFML = 73 _2mm 以及 jFAP = 68.5mm )係落在繪圖 300 的群組4之中。群組4具有預定的股骨工模坯料參數（JM4， JA4 ) ，JM4=85mm以及JA4 = 72.5mm。這些預定的股骨工模坯料參數各種群組中仍然足夠大來符合最小股骨坯料範圍jFAP，jFML中的最小者[方塊2020]。這些預定的股骨工模述料參數（JM4 = 85mm以及JA4 = 72.5mm )可以被選擇成為適當的股骨工模坯料尺寸[方塊2030]。在一項實例之中，預定的股骨工模坯料參數（85 mm， 72.5mm)可以應用到如圖3C所示的股骨外部工模尺寸。換句話說，如針對圖8A到圖9C所討論的，該工模坯料外部係使用於工模模型的外部。因此，股骨工模坯料50A的外部不會受到機械切削，且工模坯料50A的外部連同其預定的工模坯料參數（85mm，72.5mm)係當做完成股骨工模的外部。在另一項實例之中，股骨工模坯料參數（85mm， 72.5mm)可以為了在機械切削中的工模製造而選擇。因此，一個具有預定參數（85 mm，72 · 5 mm )的股骨工模述料50A 係被提供於機械切削，使得股骨工模坯料50A的外部將會被從其預定參數（85mm，72.5mm)被機械切削到所需的股骨工模參數（73.2，68.5mm)，用以創造出股骨工模2A的完成的外部。因為預定參數（85 mm，72 · 5 mm )是被選擇成 200938154 相當接近所需的股骨工模參數（73 2，68 5坩，、少機械切削的時間以及材料的浪費。雖然使用以上据述的工模链料選擇方法來___ 費以及機械切削時間減少到最低程度可能是有利的，在一些實例之中，僅會提供一個足夠大而可以應用到全部病人骨頭範圍fAP’ fML的工模堪料。此種卫模达料係接著被機械切削成所需的工模迷料範圍jFAp，jFML，其係當做完成工模2A的外部表面。在-項實例之中，呈現在繪圖3〇〇中之候選工模坯料尺寸群組的數目係由工模坯料製造者所提供之工模坯料尺寸之數目的函數。舉例來說，第一㈣3⑽可以僅是關於公司A所製造的工模坯料，其提供九種工模坯料尺寸。據此’緣圖300具有九個工模述料尺寸群組。第二繪圖扇可以僅是關於公司B所製造的工模坯料，其提供十二種工模㈣尺寸。據此，第二繪® 300具有十二個：模：料尺寸群組。 ❹ 舉例來說，複數個候選的工模坯料尺寸存在於一個如由圖7B的繪圖300所呈現的工模坯料資料庫之中。雖然每個候選的卫模_都可以具有獨特組合的前部·後部以及内側外側尺寸大小’在-些實例之中，二個或更多個候選的工模㈣可以共同分享一個共同的縱橫比jAp/jML或構造資料庫的候ϋ工模述料可以根據它們的縱#ttjAp/jML /〇著續·圖3〇〇的斜線而被群組起來。在一項實例之中，該工模坯料的縱橫比jAp/jML可以 53 200938154 被用來採用-個可運作的丄_料構造並且加大或縮小其尺寸來配合更大或更小的個人。 ❹ 如可以從圖7A 了解的，—系列98個有膝蓋毛病的〇A 病人係被輸入繪圖300之中，當做股骨工模設計研究的一部分。每個病人的股骨fAP以及fML數據係被測量及透過以上描述的jFML以及jFAP公式修改，用以達到病人的工模链料數據（jFML，jFAP)。病人的王肋料數據接著被輸入繪圖300之中當做個一點。如可以從圖7a 了解的，沒有病人的點落在可獲得群組的參數之外。此種處理程序可以被用來建立起群組參數以及所需群組的數目。在—項實例之中，所選擇的工模坯料參數可以是股骨工模的對於病人膝蓋特點來說是特定的外部尺寸。在另一項實例之中’所選擇的卫模枉料參數可以在製造處理程序 e.3D股骨工模模型的形成

為了要討論產生3D股骨工模模型346之方法的一項 :’其中該3D股骨工模模型346 A體上係對應針對圖 [方塊150]所討論的“整合的工模數據，，48,請參照圖： :’】圖3C、圖8A到圖8B、圖9A到圖％以及圖i〇a到二。圖3A到圖3C為一個股骨工模迷料5〇a的各種視匿圖呔到圖把分別為一個股骨工模述料外部表面模型π ::部以及内部立髏視圖…A以及圖9B為組合好的枓外部㈣232M以及骨職面模型㈣外部立體以及圖9C為沿著圖9B中剖面線9c_9c所取之通過 54 200938154 合的模型232M，40的剖面。圖i〇A以及圖ιοΒ分別々J馬所產生的股骨工模模型346在“鋸切以及鑽孔數據，，4 已經被整合到工模模型346之中之後係變成一個整合或完成工模模型348的外部以及内部立體視圖，其中該工模模型3牦大體上對應於相對於圖1E的[方塊15〇]所討論的‘‘整人的如可以從圖3A到圖3C 了解的，具有已經選擇好的針對圖7所討論預定尺寸大小的工模坯料5〇A係包括有内部〇表面230以及外部表面232。描繪在圖8A以及圖8B中^ 外部表面模型232M係從工模坯料模型5〇A的外部表面232 提取出或創造出來。因此，該外部表面模型232M是基於針對圖7所討論選出之股骨工模坯料5〇A的工模坯料縱橫比，並且係被訂定尺寸成為對於病人的膝蓋特點是特定者。股骨工模表面模型232肘可以藉著使用以上描述之任何電腦表面顯像技術而從圖3A到圖3C的工模坯料模型5〇A 提取出或產生的。如可以從圖9A到圖9C 了解的’外部表面模型232m 係與股骨表面模5M0組合，用卩分別形成股骨工模模型346 的外部以及内部表面。該股骨表面模型4〇呈現出股骨工模 2A的内部或匹配表面並且對應於股骨人工關節目標區域 =因此，該模型40容許所產生的股骨工模2A能夠被編 &、引到病人股骨18的人工關節目標區域42，使得所產生的股骨工模2A將會在人ji關節手術程序期間以匹配的方式接收人工關節的目標區域42。該二個表面模型232M，4〇 55 200938154 係組合以提供一個病人特定的工模模型346,用於製造該股骨工模2A。如可以從圖9B以及圖9c 了解的，一旦該等模型 23 2M ’ 40適當地對準’在該二個模型232M，4〇之間將存在有一個間隙° 一種影像縫合方法或影像缝合工具已被運用於對準的模型232M，4〇來將該二個表面模型結合在一起’用以將圖9B的3D電腦產生的工模模型346形成單件式、結合在一起、以及代替的工模模型346，而該工模模型 346的外觀係與描繪在圖丨〇A以及圖丨〇B中之整合的工模 ❹ 模i 348的外觀相似。在一項實例之中，工模模型可以大體上對應於針對圖1E的[方塊145]所討論的“工模數據 4 6的描述。如可以從圖9B以及圖9C 了解的，介於 ❹ 4〇之間㈣何間隙’可以在二個表面模型2道 4〇之間提供用於狹長孔寬度以及長度以及鑽頭長度的某種空間’用於在TKA外科手期間術容納以及引導切削工具，其中的-些間隙為在下文中相對於厚度&、P2以及^所对論的。因為描緣在圖10A以及圖1〇B中所產生的股骨工模模型348可以是-個從3D表面模型232m，4〇所產生的扣的趙積模型’因此應該會在該等31)表面模型232m，4〇之間建立起-個空間或間隙。這樣係容許結果的犯體積工模模型348可以被用來產生真正的實體3d體積股骨工模在-些實例之中，該影像處理程序可以包括有— 型修補程序，用於在二個模型232M，4()的對準之後修補工 56 200938154 模模型346。舉例來說，各種模型修補方法包括有，但是不限制於，使用者引導的修補、裂痕確認及填補、以及創造歧管多支連接性，如描述在下述者：Nooruddin等人， Simplification and Repair of Polygonal Models Using Volumetric Techniques ( IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，Vol.9，No.2， 2003 年四月到六月）；C. Erikson，Error Correction of a Large Architectural Model: The Henderson County Courthouse( Technical Report ❹ TR95-013，Dept, of Computer Science，在 Chapel Hill 的北卡萊納大學，1995 年）；D. Khorramabdi, a Walk through the Planned CS Building ( Technical Report UCB/CSD 91/652, Computer Science Dept.，加州柏克萊大學，1991 年）；Morvan 等人，IVECS: An Interactive Virtual Environment for the Correction of .STL files ( Proc. Conf. Virtual Design，1996 年八月）；Bohn 等人，A Topology-Based Approach for Shell-Closure > Geometric Modeling for Product Realization, ❹ （P.R. Wilson 等人，pp. 297-319, North-Holland，1993 年）；

Barequet 等人，Filling Gaps in the Boundary of a Polyhedron， Computer Aided Geometric Design ( vol. 12 > no. 2 * pp. 207-229，1995 年）；Barequet 等人，Repairing CAD Models (Proc. IEEE Visualization '97，pp. 363-370， 1997 年十月）：以及 Gueziec 等人，Converting Sets of Polygons to Manifold Surfaces by Cutting and Stitching, ( Proc. IEEE Visualization 1998，pp. 383-390，1998 年十月）。這些參 57 200938154 考資料每項資料均全部其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。如可以從圖10A以及圖10B 了解的，整合的工模模型 348可以包括有數個基於外科醫生需要的特點。舉例來說，該工模模型348可以包括有一個用於接收以及引導骨鋸的狹長孔特點30，以及用於接收以及引導骨頭鑽頭的鑽孔 32。如可以從圖9B以及圖9C 了解的，為了要提供足夠的結構整體性以容許結果的股骨工模2A不會在人工關節手術程序期間彎曲或變形，並且用以適當地支撐以及引導骨鋸 ❹ 以及鑽頭，介於該等模型232M，4〇之間的間隙35〇可以具有以下的偏移量p,、p2以及p3。如可以從圖9B到圖10B 了解的，在一項實例之中，厚度Pi沿著前部鑽孔32A的長度在該等模型232M，4〇之間延伸，並且是用於在人工關節手術程序期間支撐以及引導一個容納在其中的骨鑽。厚度Ρι可以是至少大約四毫米或至少大約五毫米厚。前部鑽孔32A的直徑可以被建構成用以接收至少三分之一英忖的切削工具。 ❹ 厚度P2沿著一個鋸切狹長孔3〇的長度在該等模型 232M’ 40之間延伸，並且是用於在人工關節手術程序期間支撐以及引導一個容納在其中的骨鋸。厚度p2可以是至少大約10mm或至少^^^厚。厚度P3沿著後部鑽孔32P的長度而在該等模型232m， 40之間延伸，並且是用於在人工關節手術程序期間支撐以及引導一個容納在其中的骨鑽。厚度I可以是至少大約八 58 200938154 毫米或至少八毫米厚。鑽孔32的直徑可以被建構成用以接收至少三分之一英吋的切削工具。除了提供足夠長的表面用於引導容納在其中的鑽頭或鋸子之外，各種厚度Ρ「Ρ2以及&係被設計結構上來使得股骨工模2A可以在TKR外科手術以及剩餘的程序期間承受強而有力的股骨切削、鑽孔。如在圖1〇A以及圖10B中指出的，該整合的工模模型 348可以包括有：配合病人内側髁軟骨原骨之末梢部位的特 ❹•點酉己合病人外侧課軟骨原骨之末梢部位的特點4〇2; 可以被建構成如同一個接觸器或鉤子且可以在TKR外科手術期間穩固地將結果的項2A卡合在病人前部股骨關節表面上的突出部404，·以及提供—個用於列出有關病人、外科醫生或/以及外科手術程序之資訊的坯料標籤區域之平坦表面406。而且，如上文所討論的，整合的工模模型348可以包括有鋸切狹長孔30以及鑽孔32。工模模型348 (以及結果的股骨工模2A )的内部部位或側邊1〇〇係該股骨表面模型40,該模型將會在人工關節程序期間匹配地容納病人股骨18的人工關節目標區域42。如可以藉著參照圖1B的[方塊1〇5]以及圖2A到圖2F 所了解的’在-項實例之中’當累積掃描影像16來產生其中一個或其中另一個模型4〇, 22時，該等模型4〇, 22可以參照位置點P，其可以是單一的位置點或一連串位置點等等’用以使模型40，22可以相以針對圓1C所討論以及被利用於POP的模型22, 28為基準且用於將模型4〇 , 22相 59 200938154 對於模型22，28定向。由於P0P係被反射在與模型4〇， 22相關的位置點p (參見圖1D的[方塊135])，任何改變係被反射在相對於位置點P的模型22，28 (例如，位置點 P變成位置點P，）。因此，如可以從圖1D的[方塊以及圖9A到圖9C 了解的，當工模坯料外部表面楔型232M 與表面模型40(或是從關節炎模型22發展出來的表面模型）組合在一起來創造出工模模型346時，該工模模型346係以位置點P’為基準且相對於位置點Ρι定向’並且大體上係同等於相對於圖1E的[方塊145]所討論的“工模數據” 46。因為該工模模型346係適當地以位置點p，為基準以及相對於位置點P’定向，針對圖1E的[方塊125]所討論的 “据切以及鑽孔數據，，44可以被適當地整合到可以被適當地整合到工模模型346之中，用以達成描繪在圖1〇A到圖 10B之中的整合工模模型348之中。該整合工模模型348 包括有鋸切狹長孔30，鑽孔32以及表面模型40。因此，整合的工模模型348大體上係同等於相對於圖ιέ的[方塊 1 5〇]所討論的“整合的工模數據” 48。如可以從顯示出與“關節炎模型” 22相匹配的整合工模模型348之立體視圖的圖11 了解的，工模模型348的内部表面40係匹配地容納股骨下方端部204的人工關節目標區域42,使得該工模模型348被編索引以與該區域42相匹配°因為在整個程序各種模型相對於位置點P，P·的適當參照及定向，鋸切狭長孔30以及鑽孔32係適當地定向，用以產生鋸切以及鑽孔，而容許結果的股骨工模2A可以將病 200938154 人關節復原到退化之前的狀況。如在圖11中指出的，整合的工模模型348可以包括有工模主體500、在一側上的一個突出部502以及在工模主體 500另一側邊上的二個突出部504，506。該等突出部5〇4， 506係配合内側以及外側髁軟骨原骨。該等突出部5〇2， 504，506係一體地從工模主體5〇〇的二個相對端部延伸出去0 〇

如可以從圖1E的[方塊155_165] 了解的，整合的工模 348、或更具體地說，整合的工模數據48可以被送到cNC 機器10，用以從選擇的工模坯料50A機械切削該股骨工模 2A。舉例來說，如描述於上文所參照的各種park的專利申請案之中的，整合的工模數據48可以被用來產生提供自動化工模製造指令到一個快速生產機器1〇的製造檔案。快速生產機器ίο接著係根據該等指令從股骨工模坯料5〇a製造病人特定的人工關節股骨工模2a。結果產生的股骨工模2A可以具有整合的工模模型348 的特點。因此’如可以從圖u 了解的，視外科醫生的需要而定，結果產生的股骨工模2A可以具有形成在該等突出邱 5〇2’504, 506上的狹長孔3〇以及鑽孔32。該等鑽孔32 係建構成用以防止在TKR程序的遠側股骨切削部位期間，於股骨切削：!·模2 A與病人受傷的關節表面之間發生可能 IR/ER (内部/外部）旋轉主軸對準偏移。狹長孔％成用以接受一個切削器像是往復來回的鑛片，用於： TKR程序的遠側股骨切削部位期間進行橫向的切削。 61 200938154 f.定義腔骨上方端部之人卫關節目標區域的3D表面模型，用於當做脛骨人工關節切削工模之内_位的_ 面使用為了要討論產生病人脛骨20受傷上方端部6〇4之—個目標區域42的3〇模型40的方法，請參照圖UA到圖咖。圖12A是病人脛骨20受傷的上方或膝關節端部6〇4的前部 -後部（“AP”）影像切片_，其中該影像切片繼包括有一個開迴路輪廓線片段61〇,其係對應於受傷的上方端部 6〇4的目標區域42。圖12B是複數個影像切片（16小16卜〇 I6·2’，··ΐ6·η)連同它們各自的開迴路輪廓線片段（6ι〇 ι， 610·2, .^Ο-η)，該等開迴路輪廊線片段61〇係被累積來產生目標區域42的3D模型40。圖12C是使用描繪在圖ΐ2Β :之開迴路輪廓線片段（…’ 16_2，…16_η)時所產生的募的上方端部604之目標區域42的-個3D模型4〇。以從圖以，圖1Β以及圖12Α 了解的，成像器8 後I生病人腔骨2〇受傷的上方或膝關節端部604的 16^、切片16。如描繪於圖12Α之中的，該2D影像切片 ❹

是，骨20的ΑΡ視圖。視該成像器8是MRI或CT 典傷的而疋該影像切片16將會是一個MRI或CT切月。方鹄604包括有脛骨平台區612、前部脛骨軸桿表面 6 14 _LV n、 ^ m ^ „ 沿著脛骨半月板從外側脛骨平台區表面的一目標區域4申到則部脛骨表面6丨4的一個關注的區域或端腔骨上#端部的目標區域42可以是腔骨上方、連接接觸表面，其係接觸股骨下方或膝關節端 62 200938154 部的對應關節連接接觸表面。如圖12A所示，該影像切片16可以描繪疏質骨616、圍繞著疏質骨的皮質骨618以及皮質骨618的關節軟骨原骨内層部位。輪廓線610可以沿著目標區域42延伸並且緊鄰著皮質骨以及軟骨原骨，用以畫出脛骨上方端部6〇4之目標區域42的輪廓。輪廓線61〇係沿著目標區域42在外侧或内側脛骨平台區6丨2 (取決於該切片丨6是否延伸通過脛骨的外側或内側部位）上的位置點c處開始延伸，並且 © 終止在前部脛骨軸桿表面014上的位置點D處。輪廓線61〇係在後部髁212上的一個位置點A處開始沿著目標區域42 延伸’並且在前部股骨轴桿表面214上的位置點B處結束。在一項實例之中，如在圖12A中指出的，輪廓線61〇係沿著目標區域42延伸，但是並未沿著脛骨上方端部6〇4 其餘的表面延伸。結果，該輪廓線610係形成一個開迴路，如將會相對於圖12B以及圖12C討論的，該開迴路可以被用來形成一個開迴路區域或3D電腦模型40,其係相對於圖 1D的[方塊140]所討論的並且緊密地匹配脛骨上方端部之目標區域42的3D表面。因此，在一項實例之中，該輪廓線是一個開迴路以及並且不會畫出脛骨上方端部6〇4整個皮質骨表面的輪廓。而且，在一項實例之中，開迴路處理程序係被用來從該等3D影像16形成一個3D表面模型36, 該表面模型大體上取代了相對於圖1D的[方塊125_14〇]所討論的關節炎模型36並且係被用來創造出表面模型4〇，而該表面模型40則是使用於創造相對於圖1E的[方塊14515〇] 63 200938154 所討論的“工模數據，，46。在項實例之中並且與描續'在圖12 A以及圖12B中的開迴路輪廓線61G相反的，除了閉迴路輪廓線是關於腔骨

〇而不是關於股骨之外，該輪廓線是大體上與相對於圖21)到圖2E所討論的閉迴路輪廓線21〇,相同的閉迴路輪廓線。如同相對於圖2D所討論的股骨閉迴路輪廓線，一個脛骨閉迴路輪廓線可以畫出脛骨上方端部的整個皮質骨表面的輪廊並且產生一個閉迴路區域。該等脛骨閉迴路輪廓線係以與相對於在圖2E中的股骨輪廓線所討論的相同方式組合起來。其結果為，該脛骨閉迴路區域可能需要分析脛骨上方端部604的整個表面區域，並且以與在圖邛中所說明的股月上方端204相同方式形成整個脛骨上方端部的模型。因此，從脛骨閉迴路處理程序所產生的31)表面模型最後成為共同具有报多的，如果不是全部的話，3D脛骨關節炎模型36的表面。在一項實例之中，該脛骨閉迴路處理程序可以透過運用數學演算法從該等2D影像16產生一個 3D體積解剖學關節實心模型。1995年12月26曰提出申請且整體以參考的方式加入本文中的美國專利第5,682,886號係應用形成連續邊界或閉迴路的snake演算法。在已經描緣出脛骨的輪廓之後，舉例來說，通過一種Bezier修補方法，一個模型處理程序係被用來創造出31)表面模型。其他3D 模孓處理程序，舉例來說，如同列在本詳細說明其他部分中的商業上可獲得的3D建構軟體可以應用到用於閉迴路的 3D表面模型的產生、體積實心模型的形成。 64 200938154 在一項實例之中，該閉迴路處理程序係被用來從3D影像16形成一個3D體積實心模型36，該3D體積實心模型 36基本上與針對圖id的[方塊125-140]所討論的關節炎模型36相同。該3D體積實心模型36係被用來創造出表面模型40，而該表面模型40係使用來創造出針對圖ιέ的[方塊145-150]所討論的“工模數據” 46。整個脛骨上方端部的3D體積實心模型的構成係利用可以是比使用開迴路輪廓線創造出脛骨上方端部之目標區域 Ο 42的一個3D模型要多很多的記憶體且需要很多時間的處理程序。據此’雖然閉迴路的方法可以被使用於本文所揭示的系統以及方法，對於至少一些實例來說，開迴路方法可能是比閉迴路方法更佳的。閉迴路方法的一項實施例係揭示在授與Park的美國專利申請案第11/641，569號之中，該申請案的名稱為

Improved Total Joint Anthroplasty System” 且是在 2007 年1月19日提出申請的。這個申請案係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。如可以從圖12B以及圖2G 了解的，成像器8係透過重複的成像操作[方塊1000]產生複數個影像切片（16-1， Ι6_2···16-η)。每個影像切片μ都具有一個開迴路輪廓線 (610-1，610-2...610-Ι1)，其係以一種相對於圖12Α的[方塊1〇〇5]所討論的方式沿著目標區域42延伸。在一項實例之中’每個影像切片都是一個二毫米的2d影像切片i 6。該系統100編譯該等複數個21)影像切片（ι61, 16_2 16 n)， 65 200938154 並且更具體地說是進入描繪在圖uc之[方塊ι〇1(η中的3D 股骨表面電腦模型40的複數個開迴路輪廓線 61〇_2, ’mn)。這種關於產生表面模型4〇的處理程序也在針對圖的[方塊100-105]以及圖1D的[方塊13〇-140] 的概述部分中討論。相似的處理程序可以針對脛骨閉迴路輪廓線使用。如可以從圖12C 了解的，3D脛骨表面電腦模型4〇是腔骨上方端部之目標區域42的一個3D電腦圖像。在一項實例之中，該目標區域42的3D圖像是脛骨近端之關節連 ❹ 接股骨接觸表面的3D圖像。如與將會是閉迴路輪廓線之結果的脛骨上方端部的整個表面的3D模型相反的，因為開迴路所產生的3D模型40是脛骨上方端部之相關脛骨接觸部位的一個表面模型，該開迴路產生的3D模型4〇較不需要時間以及記憶體較不強大就可以產生。在項實例之中，如與脛骨上方端部之整個表面的3D 模型相反# ’開迴路產线3D㈣40丨脛骨上方端部之面對著股骨的端面的表面模型。胃3D模型4〇可以被用纟 ◎ 辨認出所感到興趣的區域或目標區域42，如在前文中描述 ^ -亥區域可以是脛骨上方端部的相關股骨接觸部位。再人地與會疋由一個閉迴路輪廓線所產生之脛骨近端的整表面的3D模型相比較’該開迴路產生的模型較不需=時間以及s己憶體就可以產生。因此，對於本文揭示的二實例的變化形式來說，開迴路輪廓線的方法係比閉迴路輪廓線方法更好。然而，本文揭示的系統4以及方 66 200938154 法可以使用開迴路或閉迴路的方法’並且不應該被限制在其中一個或另一個。無論該3D模型40是目標區域42的一個表面模型（亦即’ k開迴路處理程序產生且如同關節炎模型22作用的3D 表面模型）或是脛骨上方端部的整個股骨飾面端面（亦即，從閉迴路處理程序產生且如同關節炎模型22作用的3D體積實〜模型），關於輪廓線61〇的數據可以透過揭示在任何前文提及授與Park的美國專利申請案之中的表面顯像技〇術而被轉換成3D輪廓電腦模型40。舉例來說，所採用的表面顯像技術包括有點對點的映射、表面正交向量映射、局部表面映射以及整體表面映射技術。視情況而定情況而定，可以使用一項映射技術或是映射技術的一個組合。在一項實例之中，描繪在圖丨2C之中的3D模型40的產生可以藉著使用影像切片丨6來形成，用以決定在圖丨的開迴路區域中一連串分隔開的表面位置點的每個位置點 ❹ 的位置座標數值。接著可以使用數學模型來估算或計算在圖12C之中的3D模型40。可以使用之其他醫學成像電腦程式的實施例包括有，但是不限制於：得自美國堪薩斯

Overland Park 的 AnalyzeDirect 股份有限公司的 Analyze ; 像是Kitware，Inc.之Paraview的開放原始編碼軟體；可以在 www.itk.org 獲得的 insight Toolkit ( “ITK”）；可以從 www.slicer.org獲得的3D Slicer;以及可以得自美國密西根 Ann Arbor 的 Materialise 獲得的 Mimics。取代地或除了前文提及的用於產生描螬於圖12C中之 67 200938154 3D模型40的系統之外，用於產生圖12C之3D模型40的其他系統包括有 Non-Uniform Rational B-spline (“ NURB” ）程式或B6zier程式的表面顯像技術。這些程式每個都可以被用來從複數的輪廓線610產生3D輪廓模型 40 ° 在一項實例之中，該NURB表面模型技術係應用到複數個影像切片16 ’並且更具體地說是應用到圖12B的複數個開迴路輪廓線610。該NURB軟體係產生如描繪於圖i2c 之中的3D模型40，其中該3D模型40係具有受到關注的區域或是目標區域42’該等區域係含有一個網目以及其控制點二者。舉例來說，參見Ervin等人，Landscape Modeling ’ McGraw-Hill，2001年，其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。面

在一項實例之中’ NURB表面模型技術使用以下的表 ΣΣ哪，辦，獅_ |s〇/=Q___ kt kt

式. ，其中Ρ ( i，j )係代表 n列=(k 1 +1 )以及n行=(k2 +1 )的頂點矩陣，w (丨，』）代表每個頂點的一個頂點重量矩陣，bj(s)代表M1階多項式函數的一個列方向的基底或混合，bj ( t)代表M2階多項式函數的-個行方向的基底或混合’s代表列方向結點的參數陣列，以及t代表行方向結點的參數陣列。在-項實例之中’該B0zier表面模型技術利用_ 方程式（ 1972, PierreB0zier)來產生描綠㈣μ之中的 68 200938154 3D模型40，其中該模型40具有所感到興趣的區域或目標區域42。一個給定的B0zier表面順序（n，m)係由一組（η + 1 ) ( m+ 1 )控制點所界定。其係將單位方塊映射到一個平滑連續表面之中，該連續表面係埋置在一個相同維度（kij)的空間之内。舉例來說’如果k是在一個四維空間之中的所有點的話，那麼該表面將會是在一個四維空間之内。這個關係對於一維空間、二維空間、五維空間等等仍然維持為正確的。〇二維的B0zier表面可以被界定成為參數表面，其中當做參數座標U，v之函數的位置點P的位置是由以下方程式所提供：，其係求出該單位方塊罐费·部的數值，其中、j 是Bernstein多項式，並 ίη\__η! 且是二項式係數。參見1999年7月，Grune ^ 等人的 On Numerical Algorithm and Interactive o

Visualization for Optimal Control Problems，Journal of Computation and Visualization in Science » Vol. 1，No. 4，其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。各種其他表面顯像技術係揭示在其他參考資料之中，舉例來說，參見揭示於以下出版品的表面顯像技術： Lorensen 等人，Marching Cubes : A high Resolution 3D Surface Construction Algorithm, Computer Graphics，21-3: 163-169，1987 年；Farin 等人，NURB Curves & Surfaces: 69 200938154

From Projective Geometry to Practical Use，Wellesley，1995 年；Kumar 等人，Robust Incremental Polygon Triangulation for Surface Rendering，WSCG，2000 年；Fleischer 等人， Accurate Polygon Scan Conversion Using Half-Open Intervals，Graphics Gems III，p. 362-365，code: p. 599-605， 1992 年；Foley 等人，Computer Graphics: Principles and Practice，Addison Wesley，1990 年；Glassner，Principles of Digital Image Synthesis，Morgan Kaufmann，1995 年，以上全部其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。 g.選擇尺寸及/或構造與病人的脛骨上方端部之尺寸最相似的工模述料如上文所提到的，像是脛骨工模2B的人工關節工模2 包括有一個内部部位104以及一個外部部位106。該脛骨工模2B是從一個脛骨工模坯料50B所形成的，在一項實例之中，該脛骨工模坯料5 0B是從有限數目的股骨工模坯料尺寸選擇的。該脛骨工模坯料50B的選擇是基於病人的脛骨上方端部604與各種大小脛骨工模坯料50B的尺寸及/或構造的比較，用以選擇在大小及/或構造方面與病人的脛骨上方端部604最為相似的脛骨工模坯料50B。這個選擇的脛骨工模坯料50B具有一個形成脛骨工模2B之外部部位632的外部或外部側邊或表面632。針對此詳細說明的緊接著上一個章節所討論的3D表面電腦模型40係被用來將一個3D表面40界定於一個脛骨工模坯料50B的電腦模型的内部側邊 630之中。 200938154 藉著選擇該脛骨工模注料遍為具有一個大小接近病人的上方脛骨端部604的外部部位632,可以增加在内部部位㈣與病人脛骨之間的準確配合的可能性。而且，可以減少需要被機械切削、不然就是從工模远料移除的材料量，藉此降低材料的浪費以及製造的時間。為了要討論選擇最接近地對應病人上方腔骨端部之大小及/或構造的工模迷料50之方法，首先參照圖13A到圖 14B。圖13A是具有預定尺寸之右侧脛骨切削工模述料5祖〇的立體俯視圖。圖13B是描繪於圖13A中之工模坯料5〇BR 的立體仰視圖。圖13C係描繪於圖13A中之工模坯料5〇br 之外部側邊或部位632的平面視圖。14A係複數個可獲得尺寸的右側脛骨工模坯料5〇BR，每個工模坯料都以與圖 13C所示的相同視圖描繪。圖14B係複數個可獲得尺寸的左側脛骨工模坯料，每個工模坯料都以與圖〖3c所示的相同視圖描緣。共同的工模坯料5〇,像是描繪於圖13A到圖13C之中且是要用來創造出可以與病人右側脛骨一起使用之右側脛骨工模的右側脛骨坯料50BR可以包括有用於與内側脛骨平台區相匹配的内侧脛骨足部突出部648、用於與外侧脛骨平台區相匹配的外側脛骨足部突出部65〇、後部邊緣64〇、前部邊緣642、外側邊緣644、内側邊緣646、外部側邊632 以及内部側邊630。圖13A到圖13C的工模坯料5〇BR可以是可獲得之有限數目標準尺寸之許多右側脛骨工模坯料 50BR的任何其中之一。舉例來說，圖UA到圖nc的工模 71 200938154 枉料50BR可以是第i個右側脛骨工模坯料，其中i=1,2 3，4，....m，且m係代表最大數目的右側脛骨工模坯料尺寸。如在圖13C中指出的，工模坯料50Br的前部後部範圍TAi係從工模赶料50BR的前部邊緣642測量到後部邊緣 640。工模坯料50BR的内側_外側範圍TMi係從工模坯料 50BR的外侧邊緣644測量到内側邊緣646。如可以從圖14A 了乃双g的石* w耽.月—」

模坯料尺寸是可以獲得的，用於選擇當做要被機械切削治右側脛骨切削工模2B的右側脛骨工模坯料尺寸。舉例來說，在-項實例之中，有三種尺寸（m=3)的右侧腔骨工模關50BR是可以獲得的。如可以從圖uc 了解的，每個腔骨工模^ 5罐都具有被界定為TAi對於TMi(例如， TAi/TMi縱橫比）的前部_後部/内侧-外侧縱橫比。因以從圖MA 了解的，工模达料5〇购具有被界定

=m2”的縱橫比，工模这料5咖_3具有丁 As/TM3，’的縱橫比。工模坯料縱橫比係被用來骨特點是獨特的右側脛骨一尺在=^^ :=橫…是右側脛骨…二r寸:在: 造程序用：選τ縱橫比可以應用到右側脛骨工制參數的右側^接近所需右側脛骨卫模2b之尺^ 模迷料5酿。這項實例可以改善左側股負 72 200938154 模lie處理程序的成本效益，因為其降低了從選擇的工模链料50創造出所需工模2所需的機械切削量。在圖14A之中，係有針對候選的脛骨工模坯料尺寸插缚的單-工模迷料縱橫比。在具有較大數目之用於候選腔骨工模坯料尺寸的工模坯料縱橫比之實例中，圖14A係相似於圖4A且係具有方向、以及可能具有代表了增加的工模坯料縱橫比的N-2以及N_3方向。介於各種脛骨工模坯料縱橫比之間的關係則相似於那些相對於針對股骨工模链料縱橫比的圖4A所討論的。、如可以從描繪在圖1 7之中的繪圖9〇〇以及稍後在此詳細說明中討論的了解的’該E]方向係對應於斜線連結的群組1、群組2以及群組3。如在圖14A中指出的，沿著方向E_b在工模5〇Β^、 50BR-2以及工模50BR_3之間的工模縱橫比係繼續保持相同，其中 “tAi/TMi” = “TA2/TM2” = “ΤΑ3/ΤΜ3” 。然〇而，與工模舰相較之下，工模5〇BR_2的尺寸係訂；得比工模50BR4更大且更長。這是因為在所有的χ，γ以及Ζ輛方向中，工模5〇BR_2的τ'的值係與其Μ的值的增量以某種程度成比例地增加。以相似的方式，工模5〇br_3 的尺寸係訂定得比工模工模5〇br_2更大且更長。因為在所有的X，Y以及Z軸方向中，TAs係與其TM3數值的增量以某種程度成比例地增加。該增量的一項實施例可以是從到20/〇的增加。在可獲得另外的用於脛骨工模坯料尺寸的縱橫比的實例之中，如說明在關於股骨工模坯料尺寸的圖 73 200938154 4A之中彳於脛骨工模达料尺寸之間的關係可以是相似相對於圖4A以及14A所討論的。 *如可以從圖14B 了解的，可以得到有限數目的左側腔骨工模^料尺寸，用於選擇當做要被機械切削成左側脛骨切削工模2 B的力彳目丨丨聪甚τ jAi· 版骨工模迷料的尺寸。舉例來說，在一

項實例之中，有：r插纪+广 _ N L L a 、種尺寸（m=3)的左側脛骨工模坯料50BL· β 、獲得的如可以從圖13 了解的，每個脛骨工模坯料 5〇BL都具有一個被界定為TAi到TMi的前部_後部/内側· Ο 外側縱橫比（例如，“ TAi/TMi”縱橫比）。因此如可以從14B 了解的圖，工模關舰]具有被界定為 “ΤΑ,/Τ]^，的縱橫比’工模链料5飢_2具有被界定為 “ΤΑ2/ΤΜ2 #縱橫比，工模坯料狐_3具有被界定為 τα3/τμ3”的縱橫比。〇 Α工模Μ縱橫㈣被用來設計尺寸對於病人的左侧腔月特點是獨特的左側脛骨工模2Β0在一項實例之中，工模 :料縱橫比可以是左侧脛骨…的外部尺寸。在另一項 H㈣縱橫比可以應用到左側腔骨工模製 =程序，用於選擇具有接近所需左側脛骨玉模⑼之尺寸的則工模场料5飢。這項實例可以改善左側脛骨工自程序的成本效益，因為其降低了從選擇的工模料50創造出所需工模2所需要的機械切削量。在圖14B之中’係有針對候選的腔骨工模堪料尺寸描 Γ單—工模㈣縱橫比。在具有較大數目之用於候選腔骨工模崎尺寸的工模述料縱橫比之實例中1 MB係相 74 200938154 似於圊4B且係具有N-丨方向、以及可能具有代表了增加的工模坯料縱橫比的N_2以及N_3方向。介於各種脛骨工楔坯料縱橫比之間的關係則相似於那些相對於針對股骨工模坯料縱橫比的圖4B所討論的。

如在圖14B中指出的，沿著方向£_卜现-2以㈣脈…㈣„ =續^ 同，其中 “TAl/TMl” = “ta2/TM2，，= “TA3/tm3”。然而，與工模50BL-1相較之下，工模5〇BL 2的尺寸係訂^ 得比工模50BL4更大且更長。這是因為在所有的X，丫以及Z軸方向中’工模5飢_2的TA2的值係與其％的值的增量以某種程度成比例地增加。以相似的方式，工模5〇bl_3 的尺寸係訂定得比工模卫模遍“更大且更長。因為在所有的X’ Y以及Z抽方向中’ TA3係與其％數值的増量以某種程度iu匕例地增力口。該增量的一項實施例可以是從5% 到鳩的增加。在可獲得另外的用於腔骨工模㈣尺寸的縱橫比的實例之中，如說明在關於股骨工模坯料尺寸的圖 4B之中，介於脞骨卫模& /料尺寸之間的關係可以是相似相對於圖4B以及14B所討論的。病人脛月2〇的上方或膝關節形成端部604的尺寸可以藉著以-種相似於針對工模&料5()所討論的那些方式分析 3 D表面模型4 〇或D關節炎模型3 6來決定。舉例來說，如係病人右側脛骨20的30表面模型4〇或關節炎模型^在從遠到近延伸的方向中看到的轴向圖之圖5所_的，表面模型40或關節炎模也丨& u 士 P欠棋型36的上方端部6〇4可以包括有前 75 200938154 部邊緣660、後部邊緣662、内側邊緣664以及外側邊緣 666。股骨的尺寸可以針對病人脛骨2()的頂部端面或股骨的關節連接表面604,透過分析3D關節炎模型％的扣表面模型4G來決I這些脛骨的尺寸接著可以被用來建構腰骨工模尺寸以及選擇一個適合的脛骨工模。如圖15所示，病人脛骨2〇的上方端部6〇4 (亦即，無論是否透過開迴路或閉迴路分析而形成的關節炎模型36之表面模型40的上方端部604)的前部_後部範圍tAp係脛骨平台區的前部邊緣662測量到脛骨平台區的後部邊緣66〇 ◎ 而得到的長度。病人脛骨20上方端部6〇4的内側-外侧範圍 tML係從内側髁268的内側邊緣264測量到外側髁27〇的外側邊緣266而得到的長度》在一項實例之中，脛骨上方端部6〇4的前部_後部範圍 tAP以及内侧·外側範圍tML可以被使用於脛骨上方端部的縱橫比tAP/tML。大數目病人膝蓋（例如，數百、數千、數萬等等）的縱橫比’tAP/tML可以被編譯以及進行統計分析來決定用於可以適應最大數目的病人膝蓋之工模坯料最共〇通的縱橫比。此資訊接著可以被用來決定哪一個、哪二個、哪三個等等的縱橫比是最可能可以適應最大數目的病人膝蓋。該系統4分析透過關節炎模型36的表面模型4〇(是透過開迴路產生的3D表面模型的關節炎模型36,還是透過閉迴路處理程序而產生的3D體積實心模型）所提供的病人脛骨20的上方端部604，用以獲得關於脛骨上方端部6〇4之 76 200938154 月J部後圍tAP以及内侧·外側範圍tML的數據。如可以從描繪出圖13C選擇的模型工模链料5〇811養加在圖Η 的模型腔骨上方端部604上的胃16 了解的，腔骨的尺寸範圍tAP，tML係被拿來與工模赵料的尺寸範目τΑ，tm相比較，用以決定要選擇哪個工模坯料模型當做用於工模模型的機械切削以及外部表面模型開始點。如圖1 6所示，一個預期的右側脛骨工模迷料5〇BR係被疊加來與由表面模型40或關節炎模型36代表之病人的解剖學模型的右側脛骨上方端部6〇4相匹配。該工模坯料 5 0BR可以蓋住是脛骨平台區大約三分之二的前部，留下是脛骨大約三分之一的後部暴露出來。包括在脛骨平台區暴露出來的部位中的係脛骨平台區的外側及内側暴露區域，其在圖16分別由區域qi以及q2表示。具體地說，暴露區域ql係暴露脛骨平台區介於脛骨及工模坯料外側邊緣 666，644之間的區域，以及暴露區域q2係暴露脛骨平台區介於脛骨以及工模坯料内側邊緣664，646之間的區域。藉著獲得以及利用脛骨的前部·後部tAP數據以及脛骨的内侧-外側tML數據，該系統4可以根據以下公式訂定脛骨工模坯料50BR的尺寸：jTML = tML - ql — q2,其中，jTML 是脛骨工模坯料50BR的内侧-外側範圍。在一項實例之中， ql以及q2將會具有以下範圍：2nmi勾1沒mm及 2mm马2益mm。在另一項實例中，^將會是大約3mm以及 q2將會是大約3mm。圖17A是一個示例性的散佈圖9〇〇，針對從複數個候選 77 200938154 的工模坯料尺寸選擇出一個適合病人脛骨2〇的上方端部 6〇4的工模坯料尺寸。在一項實例之中，χ轴以毫米表示= 人脛骨的内侧-外側長度飢，以及γ軸以毫求表示病人脛月的前部·後部長度tAP。在一項實例之中該緣圖_係被劃分成許多卫模㈣尺寸群組，其中每個群組都包圍著該散佈圖_的-個區域並且與—個特定候選的工模柱料尺寸的特定參數TMr有關。

在一項實例之中，描繪在圖17A中之示例性散佈圖9〇〇具有三個工模坯料尺寸群組，每個群組都是關於單一的候選工模坯料尺寸。然而，視實例而定，散佈圖900可以具有較大或較小數目的工模坯料尺寸群組。工模坯料尺寸群組的數目越大，候選工模趣料尺寸的數目就越大且選擇的候選工模坯料尺寸對於病人的膝蓋特點以及所產生的工模 2的尺寸大小就會越特定。而所選擇的候選卫模㈣尺寸的尺寸大小越特定，從選擇的項叫5Q製造出所需工模2 所需要的機械切削量就越少。子曰及地〇

^厂，恢进的J 堪料尺寸的數目就越小，及且選擇的候選卫模㈣尺^ 於病人的膝蓋特點以及所產生的工模2的尺寸大小就, :特定。而所選擇的候選工心料尺寸的尺寸大小越不二:選擇的工模…製造出所需工模2所需要的柏 :削量就越多，而在工模製造程序期間增加了加工。因為該長度脛骨前部·後部長度tAP可能是有關係的 78 200938154 可以當作一個用於決定用於脛骨工模坯料5〇B之縱橫比 TAi/TMj的數值，像是那些相對於圖nc到圖MB以及圖 17A所討論的《即便是這樣，在一些實例之中，候選工模坯

料的脛骨前部-後部長度TAj可能沒有反映在描繪在圖HA 中的繪圖900之中或是描繪在圖16之中的關係之中這是因為在對於-些實例的實際設定之中，⑲骨工模的前部-後部長度可能比脛骨工模的内側_外側長度較不顯著。舉例來說，雖然病人腔骨的前部·後部距離係根據病人膝蓋特點而改變，一個脛骨工模2B的足部突出部8〇〇,8〇2的長度（參見圖20A)係簡單地增加，而不需要創造出一個被客製化來對應脛骨前部-後部長度TA的工模述料或工模。換句話說，在一些實例之中，介於各種脛骨工模之間的前部-後部長度的唯一差異是它們各別足部突出部800，802之前部_後部長度的差異。 _在一些實例之中，如可以從了解的圖16以及21，一個 ©脛骨工模2B的前部-後部長度連同其足部突出部_，802, 係蓋住大約—半的脛骨平台區。部分是由於這種“一半” 距離的覆蓋大小，而這種覆蓋大小對於不同的病人來說僅，改變數毫米到數公分’在一項實例之中’工模的前部-後部長度可能不是-項很重要的事情。然而，因為該工模可 =蓋住腔骨平台區之内側_外側長度的一個實質部分，與刚部-後部長度相比較，工模的内側外侧長度可能是實質上重要的。雖然在一些實例之中，與内側_外側長度相比較，一個 79 200938154 脛骨工模2B的前部-後部長度可能是可能是實質上重要的，在一些實例之中，脛骨工模的前部-後部長度是重要的。在如此的實例之中’如與只是以TMj來指示相反的，工模尺寸可能在圖17A之中是以它們的縱橫比TAi/TMj來指示。換句話說，該等工模尺寸可能以相似於描缘在圖7A之中的方式被描繪在圖17A之中。再者，在此等實例之中，與描繪在圖4A以及圖4B之中相似的，圖14A以及圖14B 可以具有另外的工模坯料比率。結果，圖17A的燴圖900 可以具有另外的對角線’此等對角線以相似於在圖7A之繪 ◎ 圖300中的方式將結合了屬於每個工模链料比率的工模达料尺寸》而起，在圖17A之中且以一種相似於顯示在圖7A 之中的方式’可以有另外的水平線’此等水平線係根據前部-後部長度將鳍·圖900加以畫分來呈現各種工模述料尺寸的邊界。如可以從了解的圖17A，在一項實例之中，螬·圖900 的二個工模坯料尺寸群組具有以下的參數TMr，TAr。群組 1具有參數TM! ’ TA!。TMi表示第一脛骨工模坯料尺寸的〇内側·外侧範圍，其中TMi = 70mm。TAi表示第一股骨工模迷料尺寸的前部-後部範圍，其中TA! = 62mm。群組1涵蓋了病人的脛骨tML以及tAP數據，其中55mm < tML < 70mm 以及 45mm< tAP< 75mm。群組2具有參數ΤΜ2，TA2。TM2表示第二脛骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中TM2 = 85mm。TA2表示第二股骨工模坯料尺寸的前部-後部範圍，其中TA2= 65mm。群 80 200938154 組2涵蓋了病人的脛骨tML以及tAP數據，其中70mm < tML < 85mm 以及 45mm< tAP< 75mm。群組3具有參數TM3，TA3。TM3表示第三脛骨工模坯料尺寸的内側-外側範圍，其中TM3 = 100mm。TA3表示第三股骨工模坯料尺寸的前部-後部範圍，其中TA3 = 68.5mm。群組3涵蓋了病人的脛骨tML以及tAP數據，其中 85mm< tML< 100mm 以及 45mm< tAP< 75mm。在一些實例之中且與相對於圖3A到圖7B所討論之用 ❹ 於股骨工模坯料的選擇處理程序相反的，相對於圖13 A到圖17B所討論的脛骨工模坯料選擇處理程序可以僅考慮或使用内側-外側脛骨工模數值jTML以及相關的内側-外側數值TM，tML。據此，在此等實例之中，可以不考慮前部-後部脛骨工模數值JTAP以及用於脛骨工模以及脛骨平台區的相關前部-後部數值TA，tAP。如可以從說明選擇適當尺寸之工模坯料之處理程序的一項實例流程圖的圖1 7B 了解的，骨頭的前部-後部以及内 — 側-外側範圍tML係針對關節炎模型36之表面模型40的方端部604來決定[方塊3000]。上方端部604的内侧-外側骨頭範圍tML係根據以上所討論的jTML公式以數學的方式修改，用以達到最小的脛骨工模坯料内側-外側範圍 jTML[方塊3010]。以數學方式修改的骨頭内侧-外側範圍 tML或是，更具體地，該最小的脛骨工模坯料内側-外侧範圍jTML係參照在圖17A繪圖900中的工模坯料尺寸[方塊 3020]。繪圖900可以用圖表的方式呈現形成一個工模坯料 81 200938154 資料庫的候選脛骨工模坯料的姑、里嫂μ β ° 骨工模述料50Β係被選擇成為具有最小範圍的工模 ^ + ^ ^ ^ ^ 稞坯枓尺寸，但是其範圍仍然夠大來適應最小的脛骨工槿塊3〇3〇]。 f模叫内側-外側範圍jTML[方在一項實例之中，所撰摆& τ μ , '擇的工模坯料外部尺寸係使用於工模模型的外部表面模型， s ^ 主如在下文中所討論的。在一項實例之中，所選擇的工模培料尺寸係對應於實際的工模柱料’該實際的工模述料係放置在CNC機器之中且被銳削成最小的腔骨工模述料前部_後部以及内側外側範圍 J AP’ jTML’用以機械切削或形成腔骨工模⑼的外部表面。，略述於圖17Β之中且參照圖17Α繪圖_的方法可以 ,、下實施例進纟了解。如在圖16中相對於病人腔骨的下—方端部604所估計出的，病人脛骨的範圍係如下所述：慨=85.2mm[方塊3〇〇〇]。如前文提到的，該上方端部刚可以是關節炎模型之表面模型4〇的一部分。一旦從上方端 # 604決定了 tML的測量尺寸，對應的工模jTML數據可❹ 以透過以上描述的jTML公式來決定· jTML=tML—0 — q2 其中 ql = 3mm 以及 q2= 3mm[方塊 3010]。jTML· 公式的結果為jTML= 79.2mm。如可以從圖17的繪圖900 了解的，決定的工模數據（亦即，jTML= 79.2mm)係落在繪圖900的群組2之中》群組具有預定的預定的脛骨工模坯料參數（TM2 )，而TM2 85mm。這個預定的脛骨工模坯料參數係各種群組中仍然 82 200938154 足夠大來符合最小脛骨坯料範圍jTML _的最小者[方塊 3020P這個預定的脛骨工模坯科參數（TM2=85mm)可以被選擇成為適當的脛骨工模極料尺寸[方塊3〇3〇]。在一項實例之中，預定的脛骨工模坯料參數（85mm) 工模尺寸》換句話該工模坯料外部係可以被應用到如圊13 C所示的腔骨外部說，如針對圖1 8 A到囷19C所討論的， ❹

使用於工模模型的外部。因此，脛骨工模坯料5〇b的外部不會受到機械切削，且工模坯料50B的外部連同其預定的工模坯料參數（85mm)係當做完成脛骨工模的外部2b。在另一項實例之中，脛骨工模坯料參數（85mm)可以為了在機械切削中的工模製造而選擇。因此，一個具有預定參數⑻随）㈣骨工模關观被提供於機械切削，使得該脛骨工模迷料50B的外部將會被從其預定參數 (85mm)被機械切削到所需的股骨工模用以創造出胜骨工模2B的完成的外部。當預定參數一被選擇成相當接近所需的股骨卫模參數（79 2咖）時可以減少機械切削的時間以及材料的浪費。雖然使用以上描述的工模链料選擇方法來將材料的浪費以及機械切削時間減少到最低程度可能是有利的，在一一實^之中’冑會提供—個足夠大而可以應用到全部病人 l = 的工模达料。此種工模㈣斗係接著被機械切二：需的工模_範圍jTML，其係當做完成工外部表面。〜在一項實例之中，呈現在繪® 9GG中之候選工模达料 83 200938154 尺寸群組的數目係由工模坯料製造者所提供之寸之數目的函數。舉例來說，第—、料尺 ^ 、▼圖9〇〇可以僅县公司Λ所製造的工模这料，其提是關於 |八一裡工模达料尺+。此’繪圖_具有三個工模述料尺寸群組。可以僅是關於公司B所製造^模料，其提供六坯料尺寸。據此，第二繪圖9〇〇具、 /、虿/、個工模坯料尺寸群組0 舉例來說，複數個候選的工模趣料尺寸存在於一個如由圖ΠΒ的繪圖900所呈現的工模坯料資料庫之中。雖然每個候選的工模料都可以具有獨特組合的前部後部以及内側-外側尺寸大小，纟一些實例之中，二個或更多個候選的工模埋料可以共同分享一個共同的縱橫比tAp/tML或構造。資料庫的候選工模坯料可以根據它們的縱橫比⑽繼石著緣圖900的斜線而被群組起來。

在—項實例之中，該工模坯料的縱橫比tAp/tML可以被用來採用一個可運作的工模坯料構造並且加大或縮小其尺寸來配合更大或更小的個人。如可以從圖17A 了解的，一系列98個有膝蓋毛病的 OA病人係被輸入繪圖9〇〇之中，當做股骨工模設計研究的一部分。每個病人的脛骨tAp以及tML數據係被測量。每個病人的脛骨tML·數據透過以上描述的jTML公式修改，用以達到病人的工模坯料數據（jFML )。病人的工模坯料數據接著被輸入繪圖900之中當做個一點。如可以從圖丨7A 了解的’沒有病人的點落在可獲得群組的參數之外。此種 84 200938154 處理程序可以被用來建立起群組目。數以及所需群組的數在-項實例之中，所選擇的工模柱料工模的對於病人膝蓋特點來說是特定的外部二-脞骨項實例之中，所選擇的工模链料參數可皮在另- 期間選擇。製^處理程序 h.3D脛骨工模模型的形成 =了要討論產生3D脛骨卫模模型％之方法的以例，其中該3D脛骨工模模型74“ μ 項實

的m咖模模里746大體上係對應針對圖1E 的[方塊i50]所討論的“整合的工模數據，，μ 13A到圖13C、圖18A /參，、，、圖 20A到圖20B。圖13A二I3C/19A到圖19C以及圖圃13A到圖I3C為一個腔骨工模堪料_ 的各種視圖。圖18A到圖18B分別為一個腔骨工模㈣斗外部表面模型632M的外部以及内部立體視圖。圖Μ到圖 ⑽為組合好的脛骨工模述料外部表面模型石則以及骨頭 ❹表面模型40的外部立體視圖。圖2〇a以及圖獅分別為所產生的腰骨工模模型746 η刀以及錢孔數據，，料已經被整合到工模模型746之中之後係變成一個整合或完成工模模型748的外部以及内部立體視圖，其中該工模模型748 大體上對應於相對於圖1£的[方塊15〇]所討論的“整合的工模數據” 48。

如可以從圖13Α到圖13C 了解的，具有已經選擇好的針對圖17Α以及s 17Β所討論預定尺寸大小的工模接料 5〇Β係包括有内部表面63〇以及外部表面632。描繪在圖“A 85 200938154 以及圖18B中的外部表面模型632M係從工模达料模型⑽ 的外部表面632提取出或創造出來。因此，該外部表面模型632M是基於針對圖17A以及圖17B所討論選出之腔骨工模㈣50B的工模述料縱橫比，並且係被訂定尺寸成為對於：人的膝蓋特點是特定者。脛骨工模表面模型6规可以藉著使用以上描述之任何電腦表面顯像技術而從圖Μ 到圖13C的工模坯料模型5〇B提取出或產生的。如可以從圖19A到圖l9C 了解的，外部表面模型632m

係與股骨表面模型40組合，用以分別形成脛骨工模模型746 Q 的外部以及内部表I該脛骨表面模型4G呈現出脛骨工模 2B的内部或匹配表面並且對應於腔骨人工關節目標區域 4生2。因此，該模型40容許所產生的脛骨工模2B能夠被編造索引到病人脛骨20的人工關節目標區域42，使得所產生的脛月工模2B將會在人工關節手術程序期間以匹配的方式接收人工關節的目標區域42。該二個表面模型632M，4〇係組合以提供一個病人特定的工模模型746，用於製造該脛骨工模2B。〇如可以從圖19B以及圖19C 了解的，一旦該等模型 632M，40適當地對準’在該二個模型632m，仂之間將存有個間隙。一種影像縫合方法或影像縫合工具已被運用於對準的模型032M，4〇來將該二個表面模型結合在一用以將圖19Β的3D電腦產生的工模模型746形成單件式結合在一起、以及代替的工模模型346，而該工模模型 746的外觀係與描繪在圖2〇α以及圖20Β中之整合的工模 86 200938154 模型748的外觀相似。在一項實例之中，工模模型746可以大體上對應於針對圖1E的[方塊145]所討論的“工模數據” 46的描述。如可以從圖19B到圖19D 了解的，介於二個模型 632M，40之間的幾何間隙，可以在二個表面模型632M， 40之間提供用於狹長孔寬度以及長度以及鑽頭長度的某種空間，用於在TKA外科手期間術容納以及引導切削工具，其中的一些間隙為在下文中相對於厚度V!、V2以及V3所討論的。因為描繪在圖20A以及圖20B中所產生的脛骨工模模型748可以是一個從3D表面模型632M，40所產生的3D 的體積模型，因此應該會在該等3D表面模型632M，40之間建立起一個空間或間隙。這樣係容許結果的3D體積工模模型748可以被用來產生真正的實體3D體積脛骨工模2B。在一些實例之中，該影像處理程序可以包括有一個模型修補程序，用於在二個模型632M，40的對準之後修補工模模型746。舉例來說，各種模型修補方法包括有，但是不限制於，使用者引導的修補、裂痕確認及填補、以及創造歧管多支連接性，如描述在下述者：Nooruddin等人， Simplification and Repair of Polygonal Models Using Volumetric Techniques ( IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics，Vol.9，Νο·2， 2003 年四月到六月）；C. Erikson，Error Correction of a Large Architectural Model: The Henderson County Courthouse( Technical Report TR95-013，Dept, of Computer Science，在 Chapel Hill 的北 87 200938154 卡萊納大學，1995 年）；D. Khorramabdi，a Walk through the Planned CS Building (Technical Report UCB/CSD 91/652, Computer Science Dept·，力σ 州柏克萊大學，1991 年）；Morvan 等人，IVECS: An Interactive Virtual Environment for the Correction of .STL files ( Proc. Conf. Virtual Design > 1996 年八月）；Bohn 等人，A Topology-Based Approach for Shell-Closure，Geometric Modeling for Product Realization, (P.R. Wilson 等人，pp. 297-319, North-Holland，1993 年）； Barequet 等人，-Filling Gaps in the Boundary of a Polyhedron, Computer Aided Geometric Design ( vol. 12，no. 2，pp. 207-229，1995 年）；Barequet 等人，Repairing CAD Models (Proc. IEEE Visualization '97，pp· 363-370， 1997 年十月）：以及 Gueziec 等人，Converting Sets of Polygons to Manifold Surfaces by Cutting and Stitching, ( Proc. IEEE Visualization 1998，pp_ 383-390，1998 年十月）。這些參考資料每項資料均全部其係整體地以參考的方式加入此詳細說明之中。如可以從圖20A以及圖20B 了解的，整合的工模模型 748可以包括有數個基於外科醫生需要的特點。舉例來說，該工模模型748可以包括有一個用於接收以及引導骨鋸的狹長孔特點30，以及用於接收以及引導骨頭鑽頭的鑽孔 32。如可以從圖19B以及圖19C 了解的，為了要提供足夠的結構整體性以容許結果的脛骨工模2B不會在人工關節手術程序期間彎曲或變形，並且用以適當地支撐以及引導骨 200938154 錯以及鑽頭’介於該等模型632M，40之間的間隙可以具有以下的偏移量V丨、V2以及V3。如可以從圖19B到圖20B 了解的，在一項實例之中，厚度Vi沿著前部鑽孔32 A的長度在該等模型632M，40之間延伸，並且疋用於在人工關節手術程序期間支撐以及引導一個容納在其中的骨鑽。厚度％可以是至少大約四毫米或至少大約五毫米厚。後部鑽孔32P的直徑可以被建構成用以接收至少三分之一英吋的切削工具。厚度V2係在内部以及外部表面4〇，632M之間沿著工模足部800, 802的厚度延伸。該厚度提供了用於工模足部 800，802的適當結構性強度，用以抵抗製造以及使用工模的彎曲以及變形。厚度％可以是至少大約五毫米或至少八毫米厚。厚度V3係在模型632M，40之間沿著一個鋸切狹長孔〇的長度夂伸，，並且是用於在人工關節手術程序期間支

撐以及引導-個容納在其中的骨鑽m可以是至少大約10mm或至少15mm厚。除了提供足夠長的表面用於引導容納在其中的鑽頭或鋸子之外，各種厚度Vl、V2以及％係被設計結構上來使得脛骨工模2B可以在TKR外科手術以及剩餘的程序期間承觉強而有力的股骨切削、錢孔。如在圖20A以及圖細中指出的，該整合的工模模型 7判可以包括有：延伸於病人脛骨平台區的内側部位上方且配。該内侧部位的工模底座或特點延伸於病人脛骨平 89 200938154 位的工模底座或特點 63 2向下延伸的突出坦部位，其係提供一台區的外側部位上方且配合該外側部 802 ’·從脛骨工模2B的上方外部表面部804 ;以及該外部表面632的一個平個用於列出有關病人、外科醫生或/以及外科手術程序之資訊的坯料標籤區域。而且，如上文所討論的，整合的工模模型748可以包括有鋸切狹長& 3〇以及鑽孔32。工模模型 748(以及結果的脛骨工模2B)的内部部位或側邊⑽係該脛骨表面模型40’該模型將會在人工關節程序期間匹配地容納病人脛骨20的人工關節目標區域42。

如可以藉著參照圖1B的[方塊丨〇5]以及圖〗2A到圖^沈所了解的’在—項實例之中’當累積掃描影像16來產生其中一個或其中另-個模㉟40’22時，該等模型4〇 22可以參照位置點P’其可以是單—的位置點或—連串位置點等等，用以使模型4G，22可以相對於與針對圖lc所討論以及被利用於POP的模型22, 28相關且用於將模型4〇 , Μ 相對於模型22’ 28定向。由於P0P係被反射在與模型4〇， 22相關的位置點P(參見圖1〇的[方塊135])，任何改變係被反射在相對於位置點p的模型22，28中（例如，位置點P變成位置點P’）。因此’如可以從圖1D的[方塊⑽] 以及圖19A到圖19c 了解的，當工模述料外部表面模型 632M與表面模型4G (或是從關節炎模型22發展出來的表面模型）組合在一起來創造出工模模型746時，該工模模型746係以位置點P，為基準且相對於位置點p，定向，並且大體上係同等於相對於圖1E的[方塊145]所討論的“工模 90 200938154 數據” 46。因為該工模模型746係適當地相對於位置點P'為基準以及定向，針對圖1E的[方塊125]所討論的“鋸切以及鑽孔數據” 44可以被適當地整合到可以被適當地整合到工模模型746之中，用以達成描繪在圖20A到圖20B之中的整合工模模型748。該整合工模模型748包括有鋸切狹長孔 30’鑽孔32以及表面模型40。因此，整合的工模模型748 大體上係同等於相對於圖1E的[方塊1 50]所討論的“整合 ❹的工模數據，，48。如可以從顯示出與“關節炎模型，，22相匹配的整合工模模型748之立體視圖的圖21 了解的，工模模型748的内部表面40係匹配地容納脛骨上方端部604的人工關節目標區域42,使得該工模模型748被編索引以與該區域42相匹配。因為在整個程序各種模型相對於位置點p，P，的適當參考基準及定向，鋸切狹長孔30以及鑽孔32係適當地定向， q 用以產生鋸切以及鑽孔，而容許結果的脛骨工模2B可以將病人關節復原到退化之前的狀況。如在圖21中指出的，整合的工模模型748可以包括有工模主體850、蓋住内側脛骨平台區的突出部852、蓋住外侧脛骨平台區的突出部854、從工模主體85〇處延伸的下方部位856、後部鑽孔32P、前部鑽孔32A、鋸切狹長孔％以及上方平坦部位856,用於將病人、外科手術以及治療者的數據容納於其上。該等突出部852，854係延伸於它們各自的内側以及外侧脛骨平台區部位上。該等突出部852, 91 200938154 854，856係一體地從工模主體85〇處延伸出去。如可以從圖1E的[方塊155_165] 了解的，整合的工模 748、或更具體地說，整合的工模數據48可以被送到cNc 機器10，用以從選擇的工模坯料5〇B機械切削該脛骨工模 2B。舉例來說，如描述於上文所參照的各種park的專利申請案之中的，整合的工模數據48可以被用來產生提供自動化工模製造指令到一個快速生產機器〗〇的製造檔案。快速生產機器10接著係根據該等指令從脛骨工模链料5〇B製造病人特定的人工關節脛骨工模2B。 ❹ 所產生的脛骨工模2B可以具有整合的工模模型748的特點。因此，如可以從圖21 了解的，視外科醫生的需要而定，所產生的脛骨工模2B可以具有形成在該等突出部 852 ’ 854 ’ 856上的狹長孔3〇以及鑽孔32。該等鑽孔32 係建構成用以防止在TKR程序的近側脛骨切削部位期間，於脛骨切削工模2B與病人受傷的關節表面之間發生可能的 IR/ER (内部/外部）旋轉軸對準偏移。該狹長孔3〇係被建構成可以接受一個切削器具，像是往復來回的鋸片，用於〇在TKR程序的近側脛骨切削部位期間進行橫向的切削。雖然已經參照較佳的實例描述本發明，所屬領域具有通常知識者將會承認的是，可以進行形式及細節的改變，而不會偏離本發明的精神及範圍。【圖式簡單說明】圖1A是用於利用本文所揭示之自動工模製造方法之系統的概略圖。 92 200938154 圖1B到® 1E是概略地描緣出本文製造方法的流程圖。句丁之自動工棋圖^以及目1G分別為—個實施例之客製化人工时股月工模的仰視及俯視立體視圖。 p 圖1H以及圖1丨分別為一個實施例之客脛骨工模的仰視及俯視立體視圖。工關知圖2A是病人股骨之受傷下方或膝關部影像切片’其中該影像切片包括有一個對應於的:傷部-後方端部的目標區域之開迴路輪廓線段。 μ ' 之下圖2Β是複數個影像切片連同它們各

段，該等開迴路㈣線段係被累㈣以、、路輪廊線模型。曰標&域的3D 之二二t當使用圖⑽描緣的開迴路輪廓線段所產生之又傷下方端部之目標區域的31)模型。度玍圖2D是病人股骨之受傷的下方或膝 ❹後部影像切片，其中該影像切片包括有一個對端應:的二部_ 目標區域之股骨下方端部的閉迴路輪廝線。，、匕有圖2E是複數個影像切片連同它們各片段，該等閉迴路輪廓線係被累積來包=路輪廓線之股骨下方端部的3D模型。生I括有目標區域圖2F是當使用描繪於圖2B之中產生的包括有目尸巴拔之股#下士才匕路輪麻線時所 J匕祜有目私區域之股骨下方端部的3D模型圖，-是概略地說明了製造一個股骨工模之方法的流程 93 200938154 圖3A是具有預定尺寸之左側股骨切削工模坯料的俯視立體視圖》圖3B是描繪於圖3A中之工模坯料的仰視立體視圖。圖3C是描繪於圖3 A中之工模坯料之外部侧邊或部位的平面視圖。圖4A是左側股骨工模坯料的複數個可獲得的尺寸每個工模链料係描緣在如圖3C所示的相同視圖之中。

圖4B是右側股骨工模坯料的複數個可獲得的尺寸，，每個工模坯料係描繪在如圖3C所示的相同視圖之中。圖5是在從遠端至，j近端延伸时肖中所看到的病人左側股骨的3D纟面模型或關節炎模型的轴向視圖。圖6描緣出圖3C的選擇模型工模述料叠加在圖5的模型股骨下方端部上。圖7A是-項從複數個候選工模迷料尺寸選擇適合於病人股骨下方端部的一個工模达料尺寸之實例的散佈圖。圖7B是說明了選擇具有適卷週田尺寸大小之工模坯料之肩

理程序之實例的流程圖。圖8A是股骨工模坯料之外卜°卩表面模型的外部立體| 圖。 :8B是圖8A之股骨工模枉料外部表面模型的内體視圖圖9A是與提取股骨表面模型相部表面模型的立體視圖。圖9B是與提取股骨表面模型相部立組合之提取工模坯料外組合之提取工模坯料外 94 200938154 部表面模型的立體視圖。圖9C是沿著圖9B中的剖面線9C-9C所截取之組合的工模迷料外部表面模型以及股骨表面模型的剖面圖。圖10A是結果產生的股骨工模模型的外部立體視圖。圖10B是圖1 〇a股骨工模模型的内部立體視圖。圖Π係顯示出與“關節炎模型”相匹配的整合工模模型之立體視圖。圖12A是病人脛骨之受傷的上方或膝關節端部的前部_ 後部影像切>}，其中該影像切片包括有一個對應於受傷上方端部之目標區域的開迴路輪廓線片段。區域的3D模型。圖12B是複數個影像切片連同它們各自的開迴路輪廓線片段，該等開迴路輪廓線片段係被累積起來以產生目標圖12C疋使用描繪在圖丨2B中之開迴路輪廓線片段所產生之受傷上方端部之目標區域的3D模型。 13A中之工模坯料的立體仰視圖。

邊或部位的平面視圖。圖13A具有預定尺寸大小立體俯視圖。圖13B是描繪在圖13A中之右側脛骨切削工模坯料的 50BR之外部側

95 200938154 圖16描纷出圖13C之選擇的模型工模趣料係憂加在圖 15的模型脛骨上方端部上。圖是-項從複數個候選工模趣料尺寸選擇病人脛骨上方端部的一個工模、 1 供坯科尺寸之實例的散佈圖。圖17B是說明了選擇具右圮弹具有適當尺寸大小之工模坯料之處理程序之實例的流程圖。〇體視:心是-個脛骨工模运料之外部表面模型的外部立部立疋圖似之脛f工模㈣之外部表面模型的内圖19A是與提取脛骨表面模型相組合之提取工模链料外部表面模型的立體視圖。圖19B到圖19D是與提取脛骨表面模型相組合之提取模坯料外部表面模型的立體視圖。 A是所產生之脛骨工模模型的外部立體視圖。 B是圖20A之脛骨工模模型的内部立體視圖。〇顯示出與關節炎模型，，相匹配之整合的工模模型的立體視圖。、【主要元件符號說明】

圖1A 2 人工關節工模 4 系统 6 電腦 8中央處理器（醫學成像系統） 96 200938154 9 監視器或螢幕 10 操作者界面控制（CNC機器） 11 操作者界面控制 12 病人 14 關節（膝蓋） 22 3D電腦產生的骨頭模型 28 復原的骨頭模型 36 3D電腦產生的關節炎模型〇

圖1B 14 關節（膝蓋） 16 二維（“2D”）影像 18 骨頭（股骨） 20 骨頭（脛骨） P 位置點 14 關節（膝蓋） 18 骨頭（股骨） 20 骨頭（脛骨） 22 3D電腦產生的骨頭模型 24 退化的關節表面 24’表面 26 退化的關節表面 97 200938154 26’表面 28 復原的骨頭模型 30 鑽孔位置 32 鑽孔位置

34 電腦產生的3D植入物模型 P 位置點圖1D 14 關節（膝蓋） 18 骨頭（股骨） 20 骨頭（脛骨）

24 退化的關節表面 26 退化的關節表面 36 3D電腦產生的關節炎模型 38 3D電腦產生的工模模型 40 3D電腦產生的表面模型 42 人工關節目標區域 P 位置點圖1E 30 鑽孔位置 32 鑽孔位置 38 3D電腦產生的工模模型 40 3D電腦產生的表面模型 200938154 42 人工關節目標區域 44 鋸切以及鑽孔數據 46 工模數據 48 整合的工模數據 P 位置點

圖1F 2A 客製化人工關節股骨工模〇 100内部侧邊或部位

102外部侧邊或部位圖1G 2A 客製化人工關節股骨工模 100内部側邊或部位 102外部側邊或部位

圖1H

2B 客製化人工關節脛骨工模 104内部側邊或部位 106外部側邊或部位圖II 2B 客製化人工關節脛骨工模 104内部側邊或部位 99 200938154 106外部側邊或部位

圖2A A 位置點 B 位置點 16 二維（“2D” ）影像 18 骨頭（股骨） 42 人工關節目標區域 204受傷的下方端部或膝關節端部 208前部-後部影像切片 2 1 0開迴路輪廓線片段 212後部髁

214前部股骨軸桿表面 216疏質骨 218皮質骨圖2B 16-1，16-2，…16-n 影像切片

210-1，210-2，... 210-n 開迴路輪廓線片段圖2C 40 3D電腦產生的表面模型 204受傷的下方端部或膝關節端部 200938154

圖2D 18 骨頭（股骨） 42 人工關節目標區域 204受傷的下方端部或膝關節端部 212後部髁 214前部股骨軸桿表面 216疏質骨 218皮質骨〇 210' 閉迴路輪廓線

圖2E 16-1，16-2，…16-n 影像切片 210'-1 > ... 210'-n 閉迴路輪廓線

圖2F

22 3D電腦產生的骨頭模型 204受傷的下方端部或膝關節端部圖3A 50AL 左側股骨切削工模坯料 232 外部或外部側邊或表面 240 後部邊緣 244 外側邊緣 250 内側髁部位 101 200938154 圖3B 50AL 左侧股骨切削工模述料 230 内部側邊 240 後部邊緣 246 内側邊緣 248 外側髁部位圖3C 50AL 左側股骨切削工模链料 232 外部或外部側邊或表面 240 後部邊緣 242 前部邊緣 244 外側邊緣 246 内側邊緣 248 外側髁部位 250 内側髁部位 JAi 工模坯料的前部-後部範圍 JMi 内側-外侧範圍圖4A 50AL-1 工模链料 50AL-2 工模述料 50AL-3 工模坯料

102 200938154 50AL-4 工模述料 50AL-5 工模坯料 50AL-6 工模述料 50AL-7 工模坯料 50AL-8 工模坯料 50AL-9 工模述料 E-l 方向 E-2 方向 E-3 方向 N-l 方向 N-2 方向 N-3 方向圖4B 50AR-1 工模坯料 50AR-2 工模坯料 50AR-3 工模述料 50AR-4 工模坯料 50AR-5 工模坯料 50AR-6 工模链料 50AR-7 工模坯料 50AR-8 工模链料 50AR-9 工模坯料 E-1 方向 103 200938154 E-2 方向 E-3 方向 N-1 方向 N-2 方向 N-3 方向圖5 36 3D電腦產生的關節炎模型 40 3D電腦產生的表面模型 204受傷的下方端部或膝關節端部 260前部邊緣 262後部邊緣 264内側邊緣 266外側邊緣 268内側髁 270外側髁 ◎ fAP前部-後部範圍 fML内側-外側範圍圖6 50AL 左側股骨切削工模坯料 204受傷的下方端部或膝關節端部 260前部邊緣 262後部邊緣 104 200938154 264内側邊緣 2 6 6外側邊緣 268内側髁 270外側髁 tl 髁區域 t2 髁區域 13 踩區域圖7A . 300繪圖

圖8A

232M 股骨工模坯料外部表面模型圖8 B

232M 股骨工模坯料外部表面模型圖9A 40 3D電腦產生的表面模型 232M 股骨工模坯料外部表面模型

圖9B 40 3D電腦產生的表面模型 232M 股骨工模坯料外部表面模型 105 200938154 346 3D股骨工模模型 PI 厚度 P2 厚度 P3 厚度圖9C 30 鑽孔位置 32A 前部鑽孔 32P 後部鑽孔 40 3D電腦產生的表面模型 232M 股骨工模坯料外部表面才 346 3D股骨工模模型 350 間隙 Pi 厚度 ?2 厚度 p3 厚度圖10A 30 鑽孔位置 32A 前部鑽孔 32P 後部鑽孔 348 整合或完成的工模模型 400 配合病人内側髁軟骨原骨 402 配合病人外側髁軟骨原骨型

106 200938154 404 突出部 406 平坦表面圖10B / 30 鑽孔位置 32A 前部鑽孔 32P 後部鑽孔 40 3D電腦產生的表面模型 348 整合或完成的工模模型圖11 18 骨頭（股骨） 30 鑽孔位置 32 鑽孔位置 204受傷的下方端部或膝關節端部 500工模主體 502突出部 504突出部

506突出部圖12A 16 二維（“2D” ）影像 20 脛骨 42 人工關節目標區域 107 200938154 604受傷的上方端部 608前部-後部（“AP” ）影像切片 610開迴路輪廓線片段 612脛骨平台區 614前部脛骨轴桿表面 616疏質骨 618皮質骨 C 位置點 D 位置點

圖12B 16-1，16-2，... 16-n 影像切片 610-1，610-2，…610-n 開迴路輪廓線片段

圖12C 40 3D電腦產生的表面模型 604受傷的上方端部

圖13A 50BR 右側脛骨切削工模坯料 630 内部側邊 63 2 外部或外部側邊或表面 640 後部邊緣 642 前部邊緣 200938154

644 外侧邊緣 646 内侧邊緣 648 内侧脛骨足部突出部 650 外側脛骨足部突出部圖13A 50BR 右侧脛骨切削工模坯料 630 内部側邊 640 後部邊緣 642 前部邊緣 644 外側邊緣 646 内侧邊緣 648 内侧脛骨足部突出部 650 外側脛骨足部突出部圖13C 50BR 右側脛骨切削工模坯料 632 外部或外部側邊或表面 640 後部邊緣 642 前部邊緣 644 外侧邊緣 646 内侧邊緣 648 内侧脛骨足部突出部 650 外側脛骨足部突出部 109 200938154 TAi 前部-後部範圍 TMi 内側-外側範圍圖14A 50BR-1 工模链料 50BR-2 工模坯料 50BR-3 工模坯料 E-1 方向 E-2 方向 E-3 方向圖14B 50BL-1 工模坯料 50BL-2 工模链料 50BL-3 工模坯料 E-1 方向 E-2 方向 E-3 方向

圖15 36 3D電腦產生的關節炎模型 40 3D電腦產生的表面模型 604受傷的上方端部 660前部邊緣 110 200938154 662後部邊緣 664内側邊緣 666外側邊緣 tAP前部-後部範圍 tML内側-外側範圍圖16 36 3D電腦產生的關節炎模型 ® 40 3D電腦產生的表面模型 50BR-1 工模坯料 604 受傷的上方端部 632 外部或外部侧邊或表面 644 外側邊緣 646 内側邊緣 648 内側脛骨足部突出部 650 外側脛骨足部突出部 664 内側邊緣 666 外側邊緣 ql 脛骨平台區的外側暴露區域 q2 脛骨平台區的内側暴露區域圖17A 900 繪圖 111 200938154

圖18A

632M 脛骨工模坯料外部表面模型圖18B

632M 脛骨工模坯料外部表面模型圖19A 40 3D電腦產生的表面模型 632M 脛骨工模坯料外部表面模型

圖19B 30 鑽孔位置 32A 前部鑽孔 32P 後部鑽孔 40 3D電腦產生的表面模型 632M 脛骨工模坯料外部表面模型 746 3D脛骨工模模型 V!厚度 V2 厚度

v3 厚度圖19C 30 鑽孔位置 32P 後部鑽孔 200938154

40 3D電腦產生的表面模型 632M 脛骨工模坯料外部表面模型 800 工模足部 802 工模足部 Vj 厚度 V2 厚度 V3 厚度圊19D 30 鑽孔位置 32P 後部鑽孔 40 3D電腦產生的表面模型 V, 厚度圖2 0 A 32P 後部鑽孔 104 内部側邊或部位 106 外部側邊或部位 632 外部或外部側邊或表面 748 整合的工模模型 800 工模足部 802 工模足部圖20B 113 200938154 30 鑽孔位置 32A 前部鑽孔 104 内部侧邊或部位 106 外部側邊或部位 63 2 外部或外部側邊或表面 748 整合的工模模型 800 工模底座 802 工模底座 ❿ 圖21 20 骨頭（脛骨） 30 鑽孔位置 32A 前部鑽孔 32P 後部鑽孔 604 受傷的上方端部 748 整合的工模模型 ◎ 850 工模主體 852 蓋住突出部的内側脛骨平台區 854 蓋住突出部的外側脛骨平台區 856 下方部位 114

Claims

200938154 十、申請專利範®：影像 .種製造人工關節工模的方法，產生—個形成一個闕節之骨頭之至該方法包含有少一個部位的二维從所述二維影像產生該骨頭之至少一三維電腦模型；個部位的一個第從所述二維影像產生該骨頭之至少二三維電腦模型；個部位的一個第

使得所述第一以及第二三維電腦模型參考位置，其t該參考位置包括有相對於位置以及一個方位的至少其中之一；具有共同的一個一個原點之一個藉著該第一三維電腦模型產生第—類型的數據；藉著該第二三維電腦模型產生第二類型的數據；利用該參考位置將第一以及第二類型的數據整合成合的工模數據；以及 σ 整

在一個製造機器處使用該整合的工模數據來製造該人工關節工模。 2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第一三維電腦模型是一個只有骨頭的模型且該第二三維電腦模型是一個骨頭及軟骨原骨的模型。 3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中該只有骨頭模型以及該骨頭及軟骨原骨模型係代表著該關節的一個退化狀態。 4.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第一三維 115 200938154 電腦模型代表著在一個退退化月』狀態之骨頭的至少一個部位以及該第二三維電腦模型 ι代表著具有在退化狀態中之軟骨原骨之骨頭的至少一個部位。 5·如申請專利範圍第i項所述的方法，其中第一類型的數據匕括有鑛切孔以及鑽孔之至少其中之一的資訊，以及第二類型的數據包括有骨頭至少— 頌 V個部位的表面輪廓資訊。 6.如申請專利範圍第5項所述的方法，其中該鋸切孔以 ❹ 及鑽孔資訊包括有以T至少其中之_:—個提出人工關節錯切孔以及鑽孔之至少其中的王夕卉〒之的位置'方位以及尺寸帶小〇 7·如申請專利範圍第丨項所述的方法，其中該第二三維電腦模型至少部分地是從多個開迴路輪廟線所產生的，而該等開迴路輪廓線係至少部分地源自於該等二維影像。 8·如申請專利範圍第i項所述的方法，其中該第二三維電腦模型至少部分地是從多個閉迴路輪廊線所產生的，而該等閉迴路輪廓線係至少部分地源自於該等二維影像。〇 9. 如申請專利範圍第！項所述的方法，其中該第一三電腦模型是一個三維體積模型β 10. 如申請專利範圍第i項所述的方法，其中該第二二維電腦模型是一個三維表面模型。 11·如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該等二影像是MRI影像。 12·如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該等二維 116 200938154 影像是ct影像。曰ibt請專利_帛i項所述的方法’其中該參考位置疋個點、多個點、一個向量、一個平面、以及一個平面加上一個點的至少其中之一。 14.如申請專利範圍帛1項所述的方法，其中該參考位置係接近在該等二維影像之中的關節。片I5.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中其中該關 ❹ s X冑膝蓋、肘部、手腕、足踩、肩部、親部以及脊椎界面的至少其中之一。 16. 如申請專利範圍第i項所述的方法，其中對於其中一個三維模型之相對於該原點的位置或方向的一個改變係導致對於其他三維模型相對於該原點的位置或方向的一個相等改變。 17. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其更包含有：將該骨頭之至少一個部位的尺寸與候選的工模坯料相比〇較；從該等候選的工模坯料選出一個工模坯料，所選出的工模坯料具有能夠適應該骨頭之至少一個部位的最小尺寸；以及將選出的工模坯料提供到製造機器。 18. 如申請專利範圍第17項所述的方法，其更包含有：以數學的方式修改該骨頭之至少一個部位的尺寸，以及使用該以數學方式修改的尺寸來決定要選擇哪個候選的工模坯料。、 19. 如申請專利範圍第ι7項所述的方法，其中該骨頭之至少一個部位的尺寸是從該等二維影像以及該等三維影像 117 200938154 的至少其中之一獲得的。 1項所述的方法製造出來 20_—種根據申請專利範圍第的人工關i卩工模。像； 21. —種製造人工關節工模的方法產生一個形成關節之骨頭之至少該方法包含有： —個部位的二維影個開迴路輪廓線沿在至少其中一些二維影像之中將一著一個人工關節目標區域延伸；從該等開迴路輪廓線產生該人工關節三維電腦模型；目標區域的一個

工關節目標區域的表面從該三維電腦模型產生關於人輪廓數據；以及用以製造該

在一個製造機器處使用該表面輪廓數據，人工關節工模。其中該三維電其中該骨頭及其中該三維電其中該等二維 22.如申請專利範圍第21項所述的方法，腦模型是一個骨頭及軟骨原骨模型。 23 ·如申請專利範圍第22項所述的方法，軟骨原骨模型代表著一個退化狀態的關節。 24.如申請專利範圍第21項所述的方法，腦模型是一個三維表面模型。 25 ·如申請專利範圍第21項所述的方法，影像是MRI影像。 26·如申請專利範圍第21項所述的方法，其中該等二維影像是CT影像。 118 200938154 -個2塍7·Γ請專利範圍第21項所述的方法，其中該關節是羞、肘部、手腕、足踝、肩部、的至少其中之一。覜部以及脊椎界面 ❹ ❹ =中請專利範圍第21項所述的方法，其更包含有： :該=至少一個部位的尺寸與候選的工模链料相比模=等候選的工模述料選出一個工模㈣，所選出的模链料具有能夠適應該骨頭之至少_個部位的最小尺寸，以及將豸出的工模述料提供到製造機器。 :如申請專利範圍第21項所述的方法，其更包含有： m方式修改該骨頭之至少-個部位的尺寸，以及使 =讀學方式修改的尺寸來決定要選擇哪個候選的工模 3一0·如申請專利範圍第29項所述的方法，其中該骨頭之 ) 個部位的尺寸是從該蓉-步& 的至少其中之-獲㈣。像以及該等三維影像路輪申凊專利範圍第21項所述的方法，其中該等開迴骨延伸：糸緊鄰著人工關節目標區域的皮質骨以及軟骨原㈣中請專利範圍第21項所述的方法製造出米的人工關節工模。 33·肖電腦產生_個形成關節之骨頭之人工關節目標 ’-個三維表面模型之方法，該方法包含有：產生該骨頭之至少-個部位的多個二維影像；在至少其中一些二維影像之中產生沿著該人工關節目 119 200938154 標區域的一個開迴路輪廓線；以及從該等開迴路輪廓線產生人工關節目標區域的三維模型0 34 ·如申請專利範圍第33項所述的方法，其中該三維模型是一個骨頭以及軟骨原骨模型。 35. 如申請專利範圍第34項所述的方法，其中該骨頭以及軟骨原骨模型係代表一個退化狀態的關節。 36. 如申請專利範圍第33項所述的方法，其中該等二維

影像是MRI影像。 ' 37. 如申請專利範圍帛33帛所述的方法，其中該等二維影像是CT影像。 3 8.如申請專利範圍一個膝蓋、肘部、手腕的至少其中之一。第33項所述的方法，其中該關節是、足躁、肩部、髖部以及脊椎界面 39_如申請專利範圍第33項所述的方法，路輪廊線係緊鄰著人工關節目標區域的皮質骨延伸。其中該等開迴骨以及軟骨原

40. —種製造人工關從一個影像決定與個尺寸；節工模的方法，一個骨頭之一個該方法包含有：部位相關的至少一將該至一個尺寸盥至少― 丁以至^一個候選的工尺寸相比較；供处料大小的選擇足夠大而能適應該至少一個的最小的工模链料尺寸；寸之工模坯料尺寸 120 200938154 提供一個選擇尺寸的工模坯料到一個製造機器；以及從該工模坯料製造該人工關節工模。 41. 如申請專利範圍第40項所述的 -個二維面影像。的方法，其中該影像是 42. 如申請專利範圍第4〇項所一個二維CT影像。的方法，其中該影像是 43. 如申請專利範圍第40項所述 ❹ ❹ 一個三維電腦產生的表面模型。方去’其中該影像是 44. 如申請專利範圍第40項所述 ^ 万法’其中該影像是一個三維電腦產生的體積模型。 45. 如申請專利範圍第4〇項所述 J乃去，其中該至少一個尺寸是一個股骨人工關節目標區域埤的一個前部_後部範圍0 46. 如申請專利範圍第40項所述方 ^戍，其中該至少一個尺寸是一個股骨人工關節目標區域圍。的^内側-外側範 47. 如申請專利範圍第4〇項所述 i J万决，其中該至少一個尺寸是一個脛骨人工關節目標區圍。的#内侧-外側範 48. 如申請專利範圍第4〇項所述的方法，其中（〇從一個影像決定與-個骨頭之-個部位相關的至少一個尺寸；以及（2 )將該至少一個尺寸與至少— 夕—個候選的工模坯枓大小的尺寸相比較的處理程序進—步包含有讀學的方式修改該至少一個尺寸’以及使用該以數學方式修改的尺 121 200938154 寸用於該比較。 49· 一種根據申請專利範圍第 9所述的方法劁；告屮來的人工關節工模。 I以出 50.-種產生三維人工關節工模電腦模型的方法該方法包含有：將一個關節骨頭之至少一彳固部位的一個尺寸與候選的工模坯料尺寸相比較丨以、 , 凡1哭選的工模坯料尺寸選出一個能夠適應該骨頭之至少一 D ^ / 1固。卩位的最小工模坯料尺寸。〇 ^如中請專利範圍第5G項所述的方法，其更包含有從 ^邱、工模㈣4尺寸之—個模型的—個外部表面形成一個外部三維表面模型。如申請專利範圍第51項所述的方法，其更包含有： ^頭至少一個部位的一個人工關節目標區域形成一個維表面模型；以及結合該等外部表面模型以及内部面模型，用以分別形成三維人工關節工模電腦模型的外部表面以及内部表面。〇勺一種產生三維人工關節工模電腦模型的方法，該方 ^匕3有·形成—個代表一個骨頭至少一個部位之人工關卽目標區域的内部三維表面模沒；形成一個代表一個工模 :¾料之一個外立 ' 卜°丨表面的外部三維表面模型；以及結合該等 °面模型以及外部表面模型，用以分別形成該三維人工關工模電腦模型的内部表面以及外部表面。申明專利範圍第53項所述的方法，其中該内部表面模型以及該々卜# * 卜部表面模型在組合時係彼此分隔開。 122 200938154 55. 如申請專利範圍第54項所述的方法，其更包含有將該内部表面模型結合到該外部表面模型。 56. 如申請專利範圍第55項所述的方法，其中該結合的處理程序係產生用於該三維人工關節工模電腦模型的一個三維體積模型。 57. 種產生與製造人工關i卩工模相關之製造播案的方法，該方法包含有：產生與一個關節骨頭之一個人工關節目標區域的一個表面輪廓相關的第一數據；產生與一個鋸切孔以及一個鑽孔之至少其中之一相關的第二數據，該鋸切孔以及該鑽孔係要在—項人工關節程序期間提供給該人工關節目標區域；以及整合第一以及第二數據；其中第數據相對於一個原點的一個位置關係以及第二數據相對於該原點的一個位置關係是與彼此協調的而在分別產生第-以及第二數據期間是大體上相同的。 58. 如申請專利範圍第57項所述的方法，其中該等位置關係包括有相對於該原點之位置以及方位的至少其中一個。、 59·如申請專利範圍第57項所述的方法，其更包含有. 產生該骨頭的二維影像；從料二㈣像以電腦產生該骨頊的-個三維模型；以及從該等：維影像以及三維模型的至少其中之一相對於該原點的一個關係建立第一以及第二數據相對於該原點的位置關係。 123 200938154 60.如申請專利範圍第57項所述的方法，其中該關節是一個膝蓋、肘部、手腕、足踩、肩部、髖部以及脊椎界面的至少其中之一。十一、圖式：如次頁 ❹

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