WO2024028108A1 - Phantom of a human body part - Google Patents

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WO2024028108A1
WO2024028108A1 PCT/EP2023/069954 EP2023069954W WO2024028108A1 WO 2024028108 A1 WO2024028108 A1 WO 2024028108A1 EP 2023069954 W EP2023069954 W EP 2023069954W WO 2024028108 A1 WO2024028108 A1 WO 2024028108A1
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WO
WIPO (PCT)
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spinal
spine
vertebral
profile
frame
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/069954
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German (de)
French (fr)
Inventor
Joerg Eschweiler
Hannah Lena SIEBERS
Marcus Stoffel
Viktoria Isabella Konstanze KIAULEHN
Original Assignee
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Rwth Aachen University)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Rwth Aachen University) filed Critical Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (Rwth Aachen University)
Publication of WO2024028108A1 publication Critical patent/WO2024028108A1/en

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    • G09B23/30Anatomical models
    • G09B23/34Anatomical models with removable parts

Definitions

  • the invention relates to a phantom of a human body part, in particular a human torso.
  • the invention further relates to a method for producing a phantom of a human body part, in particular a human torso.
  • the phantom can be used in particular to generate an image based on the surface measurement, for example a raster stereography image or a depth camera image, an X-ray image and/or a computer tomography image.
  • a well-known phantom for spinal analysis also called a simulation phantom or X-ray phantom
  • a simulation phantom or X-ray phantom is typically a lifelike replica of a human torso made of a base body in which simulated body parts (bones and/or organs) are embedded.
  • the simulated body parts can be made visible using an imaging method, in particular using x-rays.
  • Phantoms are primarily used in experimental dosimetry to determine radiation exposure. The most common uses of phantoms also include training purposes, such as training in the use of an X-ray machine and training in the evaluation of X-ray images. A phantom is also used to adjust an X-ray machine or to check the image quality of X-ray images generated. In particular, a phantom is used instead of a test subject used by the patient to avoid exposing them to unnecessary radiation.
  • the bone structure of currently used X-ray phantoms often consists of either a real human skeleton or a cast of a real human skeleton.
  • the base body and thus its external shape are usually created by casting the skeletal structure in a material that serves to simulate the radiological tissue properties.
  • known phantoms are typically manufactured for a specific pathology, with a focus on ensuring that the radiological tissue properties can be correctly represented in a radiological image. A separate complete phantom must then be created for each pathology. In addition, little emphasis is often placed on an anatomically correct surface structure of the skin, so that known phantoms are generally not suitable for spine and posture analysis from surface measurements, such as raster stereography.
  • the invention is based on the object of providing an improved or at least alternative phantom. Furthermore, the invention is based on the object of specifying an improved or at least alternative method for producing a phantom of a human body part.
  • the phantom should preferably have a modular structure so that its components can be exchanged.
  • the phantom should preferably be able to be manufactured in such a way that it is adapted to a given spinal profile. It should preferably also be possible with the phantom to be able to represent a skin surface resulting from the specified spine profile in addition to a spine adapted to the specified spine profile.
  • the task is solved by a phantom with the features defined in claim 1. Advantageous further developments of the phantom can be found in the dependent claims.
  • a phantom of a human body part which has a number of spinal segments and a spinal frame.
  • a spinal segment of the number of spinal segments has a vertebral attachment element and a body part element arranged on the vertebral attachment element.
  • the spine frame is adapted to a predetermined spine profile of the human spine and has a number of spine segment holding structures, each of which is releasably connected to the vertebral fastening element of a spine segment of the number of spine segments.
  • the spinal segment holding structures of the spinal frame are arranged and designed in such a way that the body part elements of the spinal segments connected to the spinal segment holding structures are aligned in a manner adapted to the predetermined spinal profile.
  • the spine frame and the spine segments are separate elements that are in particular detachably connected to one another.
  • the spinal frame is used to attach and align the spinal segments.
  • the spine frame specifies the alignment of the spine segments to one another in order to set the predetermined spine profile in the phantom. This is made possible by the fact that the spine frame is adapted to a predetermined spine profile of the human spine and the spine segment holding structures are arranged in the spine frame in such a way that when the spine segments are connected to the spine frame, the spine segments and in particular their body part elements align themselves according to the predetermined spine profile . The spine segments and in particular their body part elements are then arranged according to the spine profile specified for the spine frame.
  • the spine profile specified for the spine frame is therefore transferred from the spine frame to the spine segments and their body part elements.
  • Any spine profile of a healthy (physiological) or diseased (pathological) spine can be specified for the spine frame, so that the spine segments are arranged according to a healthy spine or according to a spine with a specific clinical picture.
  • the spinal segments can also be removed from the spine frame and attached to another spine frame designed according to a different predetermined spine profile.
  • the Phantom is based on the fundamental insight that it is possible to provide a spinal frame that is adapted to a given spinal profile.
  • the spine frame has spine segment holding structures that are aligned to the predetermined spine profile and can thereby transfer the predetermined spine profile to the number of spine segments.
  • the body part element of a spinal segment is also aligned in accordance with the predetermined spinal profile at the respective position of the spinal segment holding structure used. If the number of spinal segments of the phantom are now connected to the spinal segment holding structures by means of their vertebral fastening elements, the spinal segments are each aligned according to the predetermined spinal profile.
  • the body part element can in particular have a vertebra replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a position of a skin surface, or can be designed as a vertebra replica and/or a skin support structure.
  • the phantom can be developed in such a way that the body part element has a vertebral replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a position of a skin surface, the vertebral replica and/or the skin support structure being connected to the vertebral fastening element of the spinal segment of the number of spinal segments are.
  • the body part elements of several spinal segments have a vertebra replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure or are designed as a vertebra replica and/or a skin support structure, and the
  • the vertebral replicas of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce at least a section of the human spine with the predetermined spinal profile
  • the skin support structures of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce a position of a skin surface that is adapted to the specified spinal profile.
  • the vertebral replicas of the number of spinal segments recreate a section of the spinal column according to the predetermined spinal profile and/or the skin support structures recreate a layer of a skin surface according to the predetermined spinal profile.
  • the vertebral replicas also replicate the specified spinal profile, since their orientation and position are predetermined by the spinal segment holding structures and by the shape of the spinal frame.
  • the vertebral replicas represent a section of the simulated spine according to the spinal profile specified for the spinal frame. If the phantom has vertebral replicas, it is particularly suitable for radiological images.
  • the radiological images can in particular be based on a correct alignment of the bone structures according to a given spinal profile.
  • a spinal segment of the number of spinal segments of the phantom can have skin support structures.
  • the skin support structures replicate the position of a skin surface, which results from the given spinal profile.
  • the spine profile specified for the spine frame is transferred to the alignment of the skin support structures, so that the skin support structures also reproduce a position of a skin surface resulting from the specified spine profile.
  • the position of the skin support structures thus reflects a surface structure of the skin as it results from the given spinal profile.
  • a phantom is particularly suitable for creating a three-dimensional image of the back surface, which requires a correct reproduction of the surface structure of the skin depending on a specific spinal profile.
  • a three-dimensional recording of the back surface can be done, for example, using raster stereography.
  • a three-dimensional image of the back surface could be generated, for example, using depth sensors, for example using a depth camera.
  • the same phantom can be used for both radiological imaging and raster stereo imaging.
  • graphic recordings can be used.
  • the radiological image and the raster stereographic image can be compared with one another in a particularly meaningful way, especially if the position of the phantom is not changed between the radiological image and the raster stereographic image.
  • the radiological image and the raster stereographic image could also be created at the same time.
  • the vertebral fastening element can accordingly be used as a support structure for a vertebral replica and/or a skin support structure. At the same time, the vertebral fastening element serves to fasten the spinal segment to the spinal frame.
  • a spinal segment of the number of spinal segments can be a releasable composite of a vertebral fastening element, which can also be referred to as a connector or adapter, and a vertebral replica and/or a skin support structure.
  • a spinal segment preferably includes struts for holding the skin support structure, which are integrated into the vertebral fastening element.
  • a section of the human spine may include parts of the cervical spine, the thoracic spine, the lumbar spine and/or the sacral spine, or even a complete spine.
  • all vertebrae of the human spine could be replicated, with the exception of the first cervical vertebra, i.e. six cervical vertebrae, twelve thoracic vertebrae, and five lumbar vertebrae.
  • a transition between vertebral groups e.g. a transition from the thoracic vertebrae to the lumbar vertebrae, could also be recreated, so that not all thoracic vertebrae and not all lumbar vertebrae would have to be recreated.
  • a body part that is modeled by the phantom can in particular include the torso with the spine and optionally the upper arm attachments and neck and head attachments and the pelvis.
  • a predetermined spine profile can be, for example, a physiological, i.e. healthy, spine profile, or a pathological spine profile, e.g. a scoliotic spine profile.
  • a vertebra replica is preferably a replica of a vertebra that has an integrated adapter for releasably connecting to the vertebra fastening element.
  • a replica can be an exact, lifelike or an approximately natural one. be a faithful replica or a functional replica.
  • a functional replica could be sufficient, for example, if it only concerns the position of the skin surface. The vertebrae could only be roughly approximated as long as they can be adjusted so that the skin can be reproduced exactly true to life or approximately true to life for the corresponding spinal profile.
  • the invention is based in particular on the knowledge that the radiological diagnosis and therapy of spinal deformities is carried out conventionally in two dimensions, on the basis of a frontal and a sagittal complete spine image.
  • the transverse plane is not captured in such a bi-planar X-ray image.
  • a major weakness of previous phantom studies is that the currently established phantoms do not offer an individually adjustable spinal profile. Instead, the well-known phantoms usually have a fixed spinal profile that can neither be predefined nor changed. With such phantoms, only radiological images with exactly one profile of the spine can be generated. A separate phantom would be necessary to display different pathologies. Conventional radiological phantoms are also designed to correctly represent tissue properties in a radiological image. The anatomically correct surface structure of the skin is of secondary importance, so that the known phantoms are usually only partially suitable for measuring methods such as raster stereography, in which the spine and posture analysis is based on the detection of the skin surface.
  • the invention includes the further finding that, as an alternative to measuring subjects, phantoms could be used to generate the data sets.
  • phantoms could be used to generate the data sets.
  • standardized radiological torso models are used, which usually have comparatively high acquisition costs and are only partially suitable for optimizing raster stereography.
  • the disadvantages described above can be at least partially overcome with the phantom described here.
  • the phantom allows a specific spinal deformation to be systematically created.
  • the fact that the spine frame is adapted to a given spinal profile makes it possible, on the one hand, to create a radiological image of a spinal model adapted to the given spine profile.
  • the spine frame adapted to the specified spine profile results in the representation of the surface profile as the position of the skin, so that the creation of raster stereographic images is also possible.
  • a combination of radiological images and raster stereographic images is also possible.
  • the phantom is also parameterized in the transversal plane and thus allows values for transversal parameters to be determined, for example, for vertebral rotation, which is generally not possible with conventional phantoms. Accordingly, the phantom is also suitable for optimizing the determination of vertebral rotations using X-ray images and/or methods based on surface measurement such as raster stereography.
  • Raster stereographic and radiological images can be created with the phantom at the same time, which makes them particularly comparable.
  • the specified and therefore known spine profile represents a previously unavailable reference parameter.
  • This reference parameter offers additional options, particularly when optimizing the transversal parameters.
  • the phantom makes it possible to systematically build a database that contains X-ray images and raster stereography images of one or different predetermined spinal profiles, optionally including an aligned pelvic element. Such a database could serve as a basis, for example, for the further optimization of raster stereography and evaluation of X-ray images.
  • the phantom In contrast to conventional phantoms, the phantom enables a specific spinal deformation to be systematically created, in particular with a pelvic alignment resulting from the deformation.
  • both radiological and raster stereographic images can be created with the phantom.
  • the spine profile and optionally the pelvic alignment can be defined before the images are taken. This favors comparison studies, for example between raster stereography images and X-ray images, since the phantom does not induce any posture-related differences in the comparison images.
  • the spinal segments are connected to the spinal frame in such a way that the vertebral replica of the respective vertebral segment is aligned in accordance with a lateral vertebral inclination, sagittal vertebral inclination, lateral lateral deviation, sagittal lateral deviation, vertebral rotation, and vertebral height resulting from the specified spinal profile.
  • a local vortex coordinate system can be defined for each vertebra simulation, in which the inclinations are specified.
  • a scoliosis can be simulated, which is characterized by a lateral deviation of the spine from the longitudinal axis with rotation of the vertebrae about the longitudinal axis and torsion of the vertebral bodies, sometimes accompanied by structural deformation of the vertebral bodies. It is also possible to recreate a physiological spine that does not have a spine typical of scoliosis. see deformation in the frontal plane. In the case of a physiological spinal profile, the vertebrae show neither lateral deviations nor lateral vertebral inclinations. The vertebral rotation is also zero.
  • the sagittal plane is characterized by the characteristic, physiological spinal curvatures.
  • the phantom can be further developed in such a way that the skin support structures are covered with a skin cover, so that the skin cover reproduces a position of the skin surface depending on the given spinal profile.
  • the phantom is then particularly suitable for use in methods based on surface measurement, such as raster stereography.
  • the skin cover can be used to recreate a surface profile of the back of a human body resulting from the given spine profile.
  • the skin cover allows landmarks to be recreated, particularly the vertebral prominens, the right lumbar pit, the left lumbar pit and the sacral point.
  • the reproduction of landmarks is particularly important for the generation of a raster stereographic image and a reconstruction of the spine based on it. Thanks to the skin support structures and the skin cover, the skin surface at the level of each vertebral replica can be approximated individually and according to the specified spinal profile.
  • a skin holding means is arranged on at least one skin support structure, which fixes the skin cover relative to the skin support structure.
  • the skin holding means can have barbs that are releasably connected to the skin cover.
  • the skin cover is at least partially formed from a natural or synthetic textile, for example from a T-shirt fabric.
  • the skin cover made of the textile and the barbs of the skin holding means can preferably be connected to one another using a Velcro fastener.
  • the skin cover can be attached to the skin support structures in particular tightly and without wrinkles, so that it is possible to reproduce the position of the skin particularly comparatively precisely and depending on the predetermined spinal profile.
  • the skin support structure of a spinal segment of the phantom may be connected to the vertebral attachment member of the spinal segment by a number of struts.
  • the vertebral attachment element serves as a support structure for the skin support structure, and holds the skin support structure by means of the struts.
  • the phantom can have a pelvic element connected to the spinal frame, which is designed to simulate a pelvis of the human body.
  • the pelvic element can be connected to the spinal frame by means of a pelvic adapter.
  • the pelvic element has a number of buttock shaping structures which are designed and arranged to prescribe a position of a buttock surface relative to the pelvic element.
  • the buttock surface can also be reproduced.
  • a separate pelvic coordinate system can be used to align the pelvis according to the specified spinal profile.
  • the basin element can provide additional landmarks and use them in a raster stereographic recording.
  • a correct reconstruction of the landmarks, which are recorded in a raster stereographic examination, is particularly important. These are, on the one hand, the left and right lumbar dimples and, on the other hand, the base of the anal groove (Latin rima ani).
  • the dimples serve as a landmark for the position of the posterior bony prominences (PSIS) of the pelvis in a simulation model.
  • PSIS posterior bony prominences
  • both the pelvic element and the spinal frame are oriented with respect to a common spatial coordinate system (RKS) and are therefore aligned in space and with each other.
  • the pelvic element is aligned using position-independent pelvic parameters (incidence angle) and position-dependent pelvic parameters (sagittal pelvic inclination, pelvic elevation, sagittal pelvic deviation, lateral pelvic deviation, transverse pelvic deviation and pelvic rotation).
  • the pelvic element thus simulates the pelvis relative to the section of the human spine formed by the number of spinal segments.
  • the incidence angle is defined as the angle between a straight line from the center of the acetabulum to the center of the S1 endplate and another straight line perpendicular to the S1 endplate.
  • the incidence angle is a morphological parameter and is constant regardless of the pelvic position in the adult pelvis. Since there is a geometric connection between the incidence angle and the position-dependent pelvic parameters, the incidence angle is still a decisive factor for the pelvic orientation.
  • the pelvic element is preferably designed so that it can be releasably attached to the spine frame with a pelvic fastening element, for example using adapters.
  • the pelvic attachment element can be a composite of one or more pelvic support structures by means of which the pelvic element can be attached and aligned to the spinal frame.
  • a separate basin coordinate system can be used to align according to the defined basin orientation.
  • the pelvic element can be aligned relative to the simulated section of the human spine using the spinal frame. The alignment corresponds in particular to the predefined pool parameters.
  • the phantom thus preferably enables an anatomically correct simulation of the spine and the skin surface according to a given spine profile and optionally a pelvis.
  • the definition of the spinal profile is preferably based on spinal parameters while the pelvic alignment is based on pelvic parameters.
  • the spinal and pelvic parameters can serve as input parameters for an adaptive computer model.
  • the specified spine and pelvis parameters can be incorporated into a computer-implemented spine-pelvis model.
  • the orientation of the vertebrae and pelvis in the spine-pelvis model therefore corresponds to the currently set spine and pelvis parameters, which define the specified spine profile and the specified pelvic alignment.
  • a model file for a computer-implemented spine frame model can be automatically generated and exported.
  • a physical spine frame can be additively manufactured.
  • the alignment of the vertebral and pelvic replicas and, relative to this, the alignment of the skin support structures in the physical phantom are preferably carried out using this spinal frame.
  • the phantom can be further developed in such a way that it has a right shoulder element and a left shoulder element, each of which simulates a shoulder blade and parts of the overlying muscles of the right or left shoulder area and preferably at least part of the respective upper arm muscles of the human body.
  • the muscle strands above it i.e. the supraspinatus muscle, infraspinatus muscle, teres major muscle and teres minor muscle, can also be included.
  • the upper arm muscles can be approximated using the shape of the deltoid muscle. This makes the phantom even more lifelike and realistic.
  • the right and left shoulder elements can be connected to a spinal segment of the number of spinal segments by means of one or more releasable shoulder connecting means, for example a screw connection, and the position of the right and left shoulder elements can be adjustable relative to the spinal segment by means of the one or more releasable shoulder connecting means.
  • a fixation structure could be integrated in the sixth spinal segment of the thorax.
  • the shoulder can be fixed in its center using the shoulder connecting means.
  • These shoulder connecting means can be used to adjust the position of the right and left shoulder elements relative to the spinal segment.
  • the right and left shoulder elements can be connected to a spinal segment using a screw connection, for example.
  • An axis specified by the fixation structure can be constructed using the shoulder model and based on anthropometric measurement data.
  • the shoulder area is generally not needed for radiology.
  • the scapula including muscles, can be important for methods based on surface measurement, such as raster stereography, as indirect landmarks such as the armpit, scapula lines, shoulder points, etc. can be set, which may be needed to reconstruct the spine.
  • the bone structures have a higher material density than the skin support structures and/or buttock mold structures.
  • the different material densities can mean that the bone structures are essentially visible in a radiological image, while the spinal structure, for example, is not or only barely visible.
  • materials of different densities can be used for this purpose.
  • the same material with different filling density can be used.
  • the vertebra replica and the skin support structure of the spinal segment are made of the same material or of different materials and the vertebra replica has a higher material density than the skin support structure.
  • bone structures such as vertebral replicas could have a fill density of 100% and skin support structures could have a fill density of 15%. The different filling densities can do this lead to the fact that essentially the bone structures are visible in a radiological image.
  • a vertebra replica of a spinal segment of the number of spinal segments and the spinal frame are made of the same material or of different materials and the vertebra replica has a higher material density than the spinal frame.
  • the different material densities can be achieved particularly well using an additive manufacturing process. In this way, it could be achieved in a radiological image that the spinal structure is not or only barely visible.
  • the vertebral replicas, which represent bone tissue could be visible comparatively well in the radiological image. It can be advantageous if the material density of the vertebra replica is at least a factor of 2, in particular a factor between 2 and 8 or more, higher than the material density of the spinal frame or other structures of the phantom that do not represent bone tissue.
  • the invention also relates to a use of the phantom described above for generating an image based on the surface measurement, for example a raster stereography image or a depth camera image, and/or an X-ray image and/or a computed tomography image.
  • the previously described phantom can be used to simultaneously generate a raster stereographic image and an X-ray image. In this way, it can be avoided that the raster stereographic image and the radiological image are recorded under a changed posture.
  • the phantom enables systematic generation of predefined spinal profiles and pelvic alignments for both radiology and surface measurement-based procedures such as raster stereography.
  • the invention also relates to a method for producing a phantom of a human body part, the method comprising the steps:
  • a spine model of a human spine wherein the spine model has a number of spine segments, and a spine segment of the number of spine segments has a vertebral fastening element and a body part element arranged on the vertebral fastening element
  • a spinal frame model adapted to the spinal model comprising a number of spinal segment holding structures which are intended for releasable connection to a vertebral fastening element of a spinal segment
  • the method described above can be used to produce the phantom.
  • the body part element of a spinal segment has a vertebra replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a position of a skin surface
  • the alignment of the spinal segments of the spinal model according to the predetermined spinal profile comprises the further steps:
  • the spine model can be, for example, a computer-aided design (CAD) model of the human spine, wherein the spine consists of spine segments, each of which can have a vertebra replica, a vertebra fastening element and/or a skin support structure.
  • the spine represented by the spine model can be adapted to a predetermined spine profile by specifying a spine parameter such as a lateral vertebral inclination, a sagittal vertebral inclination, a lateral lateral deviation, a sagittal lateral deviation, a vertebral rotation, and/or a vertebral height. This makes it possible to determine whether the spine model should represent a physiological spine or a spine based on a clinical picture, e.g. a scoliotic spine.
  • the spine frame model is then adapted to the spine model, so that the spine frame model is designed to align a spine model according to the predetermined spine profile.
  • the spine frame model is deformed in such a way that the spine segment holding structures are aligned such that when they are connected to spine segments, the spine segments are aligned according to the predetermined spine profile.
  • a physical spine frame is then manufactured based on the spine frame model adapted to the specified spine profile and the spine segment support structures of the spine frame are connected to spine segments.
  • the spinal segments thereby reproduce a section of the human spine with the specified spinal profile.
  • the skin support structures specify a position of a skin surface relative to the vertebral replica of the respective spinal segment that is adapted to the given spinal profile.
  • the spinal profile and/or a pelvic position can be adjusted through a computer-implemented definition of spinal parameters and/or pelvic parameters. This makes it possible to determine whether the spine model should represent a physiological spine or a spine based on a clinical picture, e.g. a scoliotic spine.
  • the preferred spinal parameters chosen are the lateral and sagittal vertebral inclination, the vertebral rotation and the lateral and sagittal vertebral deviation as well as the vertical vertebral height.
  • the implementation can be carried out, for example, using a local vortex coordinate system.
  • the pelvic alignment is preferably carried out using a local pelvic coordinate system, by means of which the defined pelvic alignment is implemented in the physical phantom.
  • the incidence angle is preferably selected as the position-independent pelvic parameter and the sagittal pelvic inclination, the pelvic elevation, the lateral pelvic deviation, the sagittal pelvic deviation, the transverse pelvic deviation and the pelvic rotation are preferably selected as the position-dependent pelvic parameters.
  • the method may include computer-implemented provision of spinal segment manufacturing files.
  • the model files of the vertebral replicas as well as the model files of the vertebral attachments (if necessary with a skin support structure) are considered to be the spinal segment production file.
  • the spinal segment manufacturing files are used for the preferably additive manufacturing of the components of the spinal segment.
  • the method may include computer-implemented provision of pelvic segment manufacturing files.
  • Both the model file of the pelvis replica and the model files of the pelvic attachments, optionally with a buttock shape structure, are considered to be the pelvic segment production file.
  • the pelvic segment manufacturing files are used for the preferably additive manufacturing of the pelvic segment components.
  • the computer-implemented provision of a spine model can be done, for example, as a computer-aided design (CAD) model, where the spine consists of spine segments, each of which has a vertebra replica and a vertebra fastening element, optionally with a skin support structure.
  • CAD computer-aided design
  • a pelvic segment can be integrated into the spine model, which consists of a pelvic element and pelvic fastening elements, optionally with a buttock shape structure.
  • the number Spinal segments and the pelvic segment of the spinal model can be connected to the spinal frame via the respective vertebral or pelvic fastening elements, whereby the defined position of the vertebral replicas and the pelvic replica can be ensured.
  • the number of spine segments preferably represents at least one section of the human spine.
  • at least one of the spinal segments has a skin support structure, which defines the position of the skin surface, for example, relative to the vertebral replica of the respective spinal segment according to the predetermined spinal profile.
  • the computer-implemented adjustment of the spine model is preferably carried out.
  • the selected values for the spine and pelvis parameters can be automatically adopted in the spine model and the corresponding alignment of the individual model components, e.g. the vertebral replicas and/or the skin support structures, can be adjusted to one another.
  • the computer-implemented adjustment of the spine frame model is then preferably carried out.
  • the spinal frame model is preferably shaped in such a way and the integrated spinal segment holding structures and pelvic adapters are pronounced in such a way that the vertebral replicas or the pelvic element are positioned with the predetermined spinal profile or pelvic alignment.
  • the model of this spinal frame can be saved in a computer-generated spinal frame manufacturing file and is used for the preferably additive manufacturing of a physical spinal frame.
  • the vertebral replicas, the vertebral fastening elements, the pelvic element and the pelvic fastening elements are manufactured once. Due to the modular design of the phantom, these components can be reused and aligned to the pathology-specific spine frame if the spinal profile or pelvic alignment changes.
  • the production of a number of vertebral replicas as well as the production of a number of vertebral fastening elements can be based on the respective spinal segment production file, preferably using additive manufacturing. treatment procedure takes place.
  • the production of the pelvic element and the production of a number of pelvic fastening elements based on the respective pelvic segment production file can also preferably be carried out using additive manufacturing processes.
  • the modular assembly of the spinal segments and optionally the pelvic element can be carried out on the spinal frame.
  • a number of spinal segments can be aligned and releasably connected via the spinal segment holding structures of the spinal frame.
  • the pelvic element can optionally be detachably connected to the spine frame.
  • skin support structures which specify the adapted position of a skin surface relative to the spinal frame
  • buttock shape structures can be used, which specify an adapted position of a buttock surface relative to the pelvic element.
  • the composite of spine frame, spine segments, optionally with skin support structures, and optionally a pelvic element, optionally with buttock molding structures, can thus represent at least a section of the human spine and optionally of the pelvis with a predetermined spine profile and optionally predetermined pelvic alignment.
  • the spinal segments can be connected to a variety of different spinal frames, each of which is adapted to a different predetermined spinal profile. It is therefore sufficient if the spinal segments are only produced once.
  • a spine frame can then be manufactured individually for each different predetermined spine profile.
  • the spinal segments can then be connected to a different spinal frame in order to replicate a specific one of the predetermined spinal profiles.
  • the phantom produced using this process has a modular structure, which allows material to be saved because only the spinal frames need to be manufactured several times. By repositioning the spine segments from one spine frame to another spine frame, it is also possible to change from one given spine profile to another in a relatively simple manner.
  • the phantom produced using this method can therefore be used in a variety of ways and, if the interchangeability of the spinal frames is taken into account, it is not limited to a specific spinal profile.
  • an additive manufacturing process can be particularly advantageous. driving can be used.
  • the manufacturing data of the spinal frame and, if desired, the data of the spinal segments and the pelvic element can be used as input data for a device for additive manufacturing, such as the fused deposition modeling (FDM) method.
  • FDM fused deposition modeling
  • a typical scoliotic spinal deformation could, for example, be translated into a correspondingly deformed physical spinal frame with comparatively high accuracy and comparatively low costs.
  • An additive manufacturing process is also particularly suitable because the individual components of the phantom can be manufactured with different densities, and in this way the radiological visibility of different structures can be simulated.
  • a filament made of polylactide (PLA), for example, can be used as a raw material for additive manufacturing. Production from metal or plaster (using 3D printing) would also be conceivable.
  • the visibility in an X-ray can also be determined by the filling density of the components.
  • the replicas of the vertebrae, the coccyx and the pelvic sockets can, for example, be printed with a fill density of 100%.
  • the additive manufacturing of the remaining components can be carried out with a filling density of, for example, 15%.
  • the method may include the step:
  • Fig. 2 a sequence of steps for producing a spinal frame for a phantom with a given spinal profile
  • Fig. 3 an example of a number of vertebral replicas and their alignment in a vertebral coordinate system
  • Fig. 4 an example of the orientation of a pool model in a pool
  • Fig. 5 an example of a model of a lumbar spine segment
  • Fig. 6 three pathology-specific spinal frame models as an example
  • Fig. 7 an overview of additively manufactured components of a phantom
  • FIG. 8 some examples of intermediate steps in assembling a phantom
  • Fig. 9 three different phantoms for different spine profiles
  • Fig. 10 several radiological images of the phantom B from Figure 9;
  • Fig. 12 a raster stereographic reconstruction of the skin surface and the spine of each measured spine profile of the phantoms A, B and C from Figure 11;
  • Figure 1 shows a graphical representation of computer models a) a spine-pelvis model 100, b) a spine frame model 102 and c) and d) a phantom model 104.
  • the spine-pelvis model 100 has vertebrae replicas 106 that replicate a human spine .
  • the spine-pelvis model 100 also has a pelvic element 108 that replicates a human pelvis.
  • the 3D digitization methodology can be used to generate realistic volume models of the vertebral replicas 106.
  • the spine-pelvis model could be created based on CT data. This would have the advantage that patient-specific adjustment of the vertebral replicas or pelvic replicas is possible.
  • the structure of the spine of the spine-pelvis model 100 is preferably carried out by orienting the individual vertebral replicas 106 to one another, preferably using local vertebral coordinate systems.
  • any vertebral replica can dung 106 can be individually aligned based on six vertebral parameters: lateral vertebral inclination, sagittal vertebral inclination, vertebral rotation, vertebral height, sagittal deviation of the vertebra from the line of gravity and lateral deviation of the vertebra from the line of gravity.
  • the spine-pelvis model 100 further has a pelvic element 108, which can be aligned based on the position-independent and position-dependent pelvic parameters: incidence angle, pelvic elevation, sagittal pelvic inclination, pelvic rotation, sagittal pelvic deviation, transverse pelvic deviation and lateral pelvic deviation.
  • the skeletal structure of the spine and pelvis is thus parameterized. It is therefore possible to adjust a wide range of spinal profiles with different pelvic alignments.
  • the parameterization of the skeletal structure also enables the set spine profile and the set pelvic alignment to be automatically adopted in the spine-pelvis model 100 and the phantom model 104.
  • the spine-pelvis model 100 is connected to the spine frame model 102 via vertebral fastening elements 110.
  • the connection is made via special spinal segment holding structures (see FIG. 2, reference numeral 206) of the spinal frame model 102.
  • the spinal frame model 102 and its spinal segment holding structures are adapted to the previously set spinal profile.
  • the skin surface is approximated at the level of each vertebra replica.
  • the phantom model 104 has skin support structures 112, which serve to attach a skin cover that simulates the skin surface relative to the vertebra replica.
  • the composite of vertebral replica 106, skin support structures 112 and vertebral fastening element 110 forms a spinal segment.
  • a spinal segment of the phantom could also have either a replica vertebra or a skin support structure. If a spinal segment of the phantom has a vertebral replica but no skin support structure, the phantom is particularly suitable for producing radiological images of the replica of the spine.
  • the phantom is particularly suitable for generating images based on surface measurements such as raster stereographic images of the phantom's back.
  • the pelvic element 108 and the buttock mold structures 116 form a composite called a pelvic segment in the area of the buttocks.
  • the skin surface is automatically adapted to a given spinal profile because there is a direct connection to the underlying parameterized skeletal structure.
  • the spinal profile can be changed by the orientation and position of each individual vertebra.
  • the pool alignment can be adjusted by varying the pool parameters.
  • the spine-pelvis model 100 and the phantom model 104 based on it can automatically adopt changes based on appropriate parameterization.
  • the spinal segments and the pelvic element are reusable due to the modular structure of the physical phantom. This enables comparatively cost-effective production while at the same time offering a high degree of variability in the spine profile and pelvic alignment.
  • the physical phantom thus has the same defined spine profile and pelvic alignment as the computer-generated spine-pelvis model 100 and the computer-generated phantom model 104 based on it.
  • the spine frame is manufactured using automatically generated manufacturing files based on the adapted spine frame model 102.
  • Spinal segment holding structures (see FIG. 2, reference numeral 206) are integrated into the spine frame, the orientation of which automatically adapts to the specified spine profile.
  • the alignment of all spinal segments is preferably carried out as plug connections between its vertebral fastening element and the corresponding spinal segment holding structure of the spinal frame 102.
  • the alignment of the pelvis and the buttock surface is preferably also realized via appropriately designed pelvic fastening elements.
  • the orientation of the shoulders 114 can be carried out manually, for example based on statistical information, preferably on the sixth spinal segment.
  • the components of the computer-generated spine-pelvis model 100 and the computer-generated phantom model 104 based on it are preferably to be manufactured additively. Additive manufacturing offers the possibility of adjusting the material density as a percentage and thus increasing the visibility of the components in an X-ray check.
  • a hook tape with barbs can preferably be glued to the skin support structures, so that an elastic skin cover made of material adheres to the skin support structures. Using the skin cover, the closed skin surface of the back can be simulated, for example for raster stereography recordings.
  • Figure 2 shows an example of a sequence of steps for the additive manufacturing of a spinal frame, which is adapted to the defined spinal profile and the defined pelvic alignment.
  • a spine-pelvis model 200 and a spine frame model 202 are provided.
  • the spinal and pelvic parameters 204 are then defined.
  • the parameterization (step S1) of the models enables the changed spine and pelvis parameters 204 to be automatically adopted into the spine-pelvis model 200 and the spine frame model 202 based on it.
  • the spinal segment holding structures are generated in the computer model by subtracting the parameterized vertebral fastening elements (see FIG. 1 , reference numeral 110) adapted to the spinal profile (step S2). In this way, the complementarity between the spinal support structures 206 and the vertebral attachment element is ensured. Due to the parameterization, the alignment of the vertebral fastening elements automatically adapts to the specified spinal profile. Preferably, by subtracting the vertebral fasteners from the spinal frame model 202, their alignment is automatically transferred to the spinal segment support structures 206. The shape of the spinal frame model 202 and the orientation of the spinal segment holding structures 206 thus determine the orientation of the spinal segments to be inserted. After parameterization, the adapted spine frame model 202 thus has spine segment holding structures 206, by means of which the vertebral replicas can be aligned in the spine profile to be generated.
  • the spinal frame model 202 serves to align the pelvis. This can be done, for example, using pelvic fastening elements, which can be fixed directly to the spine frame in the physical model using screw connections. In this way, the specified spinal profile with the specified pelvic alignment is transferred to the physical phantom.
  • the customized spinal frame model 202 may be exported as a manufacturing file (step S3) and provided as input data to an additive manufacturing device 208, such as a 3D printer.
  • Figure 3 shows an example of a lumbar vertebra replica 300 in different orientations. The location description is based on several local vortex coordinate systems.
  • the frontal plane is shown in the first column 302, the sagittal plane in the second column 304 and the transversal plane in the third column 306.
  • a basic orientation of the vortex replica 300 is shown in the first line 308.
  • the basic vertebral coordinate systems are based on anatomical landmarks of the vertebral simulation.
  • the origin of the WKS-B is in the center of the vertebra replica 300. Starting from the origin, the x-vector points posteriorly, the y-vector points to the left and the z-vector points cranially.
  • the sagittal lateral deviation, lateral lateral deviation and vertical vertebral height of the vertebral simulation can be parameterized in relation to a fixed spatial coordinate system (RKS).
  • the sagittal lateral deviation of each vertebra is determined by the distance from the YZ plane of the WKS-B to the YZ plane of the RKS.
  • the lateral lateral deviation of each vertebra is defined analogously as the distance from the XZ plane of the WKS-B to the XZ plane of the RKS.
  • the vertical vortex height can be adjusted via the vertical distance from the origin of the WKS-B to the XY plane of the RKS.
  • the lateral vertebral inclination in the vertebral coordinate system-inclination-lateral (WKS-NL) 310 describes the rotation around the x-axis of the WKS-B.
  • the sagittal vertebral inclination in the vertebral coordinate system-Inclination-Sagittal (WKS-NS) 312 describes the rotation about the y-axis of the WKS-B.
  • the vertebral rotation in the vertebral coordinate system rotation (WKS-R) 314 can be set as a rotation about the z-axis of the WKS-B.
  • FIG 4 shows an example of the orientation of a basin model 400 in a basin coordinate system.
  • the base basin coordinate system (BCS-B) is reconstructed via landmarks in the generated volume model.
  • a pelvic coordinate system is defined whose origin lies at the center of the cranial end plate of the sacrum.
  • the XY plane is parallel to the plane, which is spanned by two straight lines is: on the one hand by the straight line between the anterior bone projections (ASIS, Latin anterior superior iliac spine) and on the other hand by the straight line between the posterior bone projections (PSIS, Latin posterior superior iliac spine).
  • the z vector is perpendicular to the XY plane and points upwards from the origin.
  • the x vector points posteriorly from the origin.
  • the y-vector points perpendicular to the x-axis to the left from the origin.
  • the pelvic elevation is defined as rotation around the x-axis.
  • the pelvic tilt describes the rotation of the pelvis around the y-axis, the pelvic rotation describes the rotation around the z-axis.
  • the sagittal pelvic deviation describes the distance from the YZ plane of the BKS-B to the YZ plane of the RKS.
  • the lateral pelvic deviation is defined analogously as the distance from the XZ plane of the BKS-B to the XZ plane of the RKS.
  • the transverse pelvis deviation can be adjusted via the vertical distance from the origin of the UCS-B to the XY plane of the RKS.
  • FIG. 5 shows an example of a model of a lumbar spine segment 500 with an integrated skin support structure for creating a phantom for, for example, raster stereographic recordings.
  • the spinal segment 500 has a vertebral attachment element 502. This is detachably connected at one end to a vertebra replica 504 of a lumbar vertebra.
  • the vertebral fastening element 502 holds a skin support structure 508 via struts 506, which approximates a position of the skin surface individually for the vertebral replica 504.
  • the vertebral fastening element 502 can be connected to a spinal segment support structure of a spinal frame.
  • Figure 6 shows an example of three spinal frame models, with the Phantoms A 600 having a physiological spine profile, the Phantoms B 602 having a scoliotic spine profile without vertebral rotation and the Phantoms C 604 having a scoliotic spine profile with vertebral rotation.
  • FIG. 7 shows an overview of additively manufactured components of a phantom 700 with which both radiological images and images based on the optical measurement of the skin surface, for example raster stereographic images, can be generated.
  • the Phantom 700 has a spine frame 701 that is assembled from several individual parts.
  • the phantom 700 comprises spinal segments, on whose vertebral fastening elements the respective skin support structure and the respective vertebral replica, for example the cervical vertebrae (C2 to C7) 702, the thoracic vertebrae (T1 to T12) 704, 706, and the lumbar vertebra (L1 to L5) 708 can be releasably connected.
  • the phantom 700 includes replicas of the left and right shoulder areas 710 and a replica of the pelvis 712. To replicate the buttock surface, the phantom 700 has buttock mold structures 714.
  • Figure 8 shows an example of some intermediate steps in the assembly of a phantom 800 with an exemplary scoliotic spine profile.
  • spinal segments are aligned one after the other on the spinal frame and fixed using screw connections (steps T1 and T2).
  • a pelvic fastening element is then fixed to the spinal frame. Additional cymbal fastening elements are attached to this (step T3).
  • Using the spine frame it is then possible to align and fix the pelvic element and its buttock structures (step T4).
  • the shoulders are fixed and aligned on the sixth thoracic spinal segment.
  • the Phantom 800 can then be hung in a frame structure (not shown) and aligned and fixed in the frontal plane.
  • the spinal segments are covered with the skin cover (step T5).
  • a hook band with barbs is glued to the spinal segments.
  • T-shirt fabric can be used as a skin cover for the skin surface as it is stretchy and adheres to the hook tape.
  • Figure 9 shows the phantom models A 900, B 902, C 904 in different views.
  • the phantoms A, B and C are in a view from posterior to anterior (PA view)
  • the phantoms A, B and C are in a view from anterior to posterior (AP view )
  • AP view anterior to posterior
  • phantoms A, B, and C are shown in a lateral view (lat view)
  • phantoms A, B, and C are shown in a skin-covered PA view.
  • Figure 10 shows several radiological images 1000, 1002, 1004, 1006 of the phantom B shown in Figure 9, i.e. of a phantom with a scoliotic spinal profile without vertebral rotation.
  • the skeletal structure consisting of the pelvis and vertebrae appears brighter in all X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006 due to the higher material density.
  • the skin support structures are visible in X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006, but have a lower brightness level.
  • the vortex The column frame and the shoulder area are also shown with a low brightness level in all images 1 OOO, 1002, 1004, 1006.
  • the skin covering is only shown very faintly in the X-ray images 1000, 1002, 1006.
  • the cranial and caudal vertebral endplates relevant to the evaluation of the spinal parameters, as well as the endplate of the sacrum, can therefore be seen in the X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006. Furthermore, the acetabulum of both pelvic cups is shown in X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006.
  • Figure 11 shows representations 1100, 1102, 1104 of curvature profiles of phantoms A, B and C recorded using raster stereography.
  • the spinal midline, the waist as well as the shoulder blades and the anal groove are recorded as concave (blue) areas.
  • the right convexity of the spine of phantoms B and C is also recognized (red).
  • Figure 12 shows raster stereographic reconstructions 1200, 1202, 1204 of the skin surface and spine of each measured spinal profile of phantoms A, B and C, which are based on the recorded curvature profiles ( Figure 11).

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Abstract

The invention relates to a phantom of a human body part. The phantom comprises a number of spine segments that each comprise a) a vertebra mounting element, and b) a vertebra replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure. The vertebra replica and/or the skin support structure are connected to the vertebra mounting element of the spine segment from the number of spine segments. The phantom additionally comprises a spine cradle that matches a predefined spine profile of the human spine and comprises a number of spine segment retaining structures that are each detachably connected to the spine mounting element of a spine segment from the number of spine segments. The spine segment retaining structures of the spine cradle are arranged and designed such that the spine replicas of the spine segments connected to the spine cradle emulate at least one section of the human spine with the pre-defined spine profile, and/or the skin support structures of the spine segments connected to the spine cradle emulate a position of a skin surface that matches the predefined spine profile.

Description

Phantom eines menschlichen Körperteils Phantom of a human body part
Die Erfindung betrifft ein Phantom eines menschlichen Körperteils, insbesondere eines menschlichen Torsos. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Phantoms eines menschlichen Körperteils, insbesondere eines menschlichen Torsos. Das Phantom kann insbesondere zur Erzeugung von einer auf der Oberflächenvermes- sung basierenden Aufnahme, z.B. einer Rasterstereografie-Aufnahme oder einer Tiefenkamera-Aufnahme, einer Röntgenaufnahme und/oder einer computertomographischen Aufnahme verwendet werden. The invention relates to a phantom of a human body part, in particular a human torso. The invention further relates to a method for producing a phantom of a human body part, in particular a human torso. The phantom can be used in particular to generate an image based on the surface measurement, for example a raster stereography image or a depth camera image, an X-ray image and/or a computer tomography image.
Ein bekanntes Phantom für die Wirbelsäulenanalyse, auch Simulationsphantom oder Röntgenphantom genannt, ist typischerweise eine naturgetreue Nachbildung eines menschlichen Torsos aus einem Grundkörper, in den nachgebildete Körperteile (Knochen und/oder Organe) eingebettet sind. Die nachgebildeten Körperteile können mit einem Bildgebungsverfahren, insbesondere mittels Röntgenaufnahmen, sichtbar gemacht werden. A well-known phantom for spinal analysis, also called a simulation phantom or X-ray phantom, is typically a lifelike replica of a human torso made of a base body in which simulated body parts (bones and/or organs) are embedded. The simulated body parts can be made visible using an imaging method, in particular using x-rays.
In erster Linie werden Phantome in der experimentellen Dosimetrie dazu verwendet, um Strahlenbelastungen zu ermitteln. Zu den häufigsten Verwendungszwecken von Phantomen gehören zudem Schulungszwecke, etwa die Schulung im Umgang mit einem Röntgengerät und die Schulung in der Auswertung von Röntgenbildern. Weiterhin wird ein Phantom zur Justierung eines Röntgengeräts oder zur Kontrolle der Bildqualität erzeugter Röntgenaufnahmen verwendet. Ein Phantom wird insbesondere anstelle eines Proban- den oder eines Patienten verwendet, um diesen keiner unnötigen Strahlenbelastung auszusetzen. Phantoms are primarily used in experimental dosimetry to determine radiation exposure. The most common uses of phantoms also include training purposes, such as training in the use of an X-ray machine and training in the evaluation of X-ray images. A phantom is also used to adjust an X-ray machine or to check the image quality of X-ray images generated. In particular, a phantom is used instead of a test subject used by the patient to avoid exposing them to unnecessary radiation.
Die Knochenstruktur von derzeit verwendeten Röntgenphantome besteht oftmals entweder aus einem echten menschlichen Skelett oder aus einem Abguss eines echten menschlichen Skeletts. Der Grundkörper und somit dessen äußere Form entsteht in der Regel durch Eingießen der Skelettstruktur in ein Material, das dazu dient, die radiologischen Gewebeeigenschaften zu simulieren. The bone structure of currently used X-ray phantoms often consists of either a real human skeleton or a cast of a real human skeleton. The base body and thus its external shape are usually created by casting the skeletal structure in a material that serves to simulate the radiological tissue properties.
Dazu alternative Ansätze verfolgen eine Herstellung eines anwendungsspezifischen Röntgenphantoms insbesondere mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren. Beispielsweise beschreiben R. Tino, et al., in dem Artikel „A Systematic Review on 3D-Printed Imaging and Dosimetry Phantoms in Radiation Therap ', Technology in cancer research & treatment 2019; 18: 1533033819870208, die Herstellung patientenspezifischer Röntgenphantome mittels additiver Fertigung. Alternative approaches include the production of an application-specific X-ray phantom, particularly with the help of additive manufacturing processes. For example, R. Tino, et al., in the article “A Systematic Review on 3D-Printed Imaging and Dosimetry Phantoms in Radiation Therapy ', Technology in cancer research & treatment 2019; 18: 1533033819870208, the production of patient-specific X-ray phantoms using additive manufacturing.
Jedoch werden bekannte Phantome typischerweise auf eine bestimmte Pathologie festgelegt hergestellt, mit einem Fokus darauf, dass die radiologischen Gewebeeigenschaften in einer radiologischen Aufnahme korrekt dargestellt werden können. Für jede Pathologie muss dann jeweils ein eigenes vollständiges Phantom hergestellt werden. Darüber hinaus wird oftmals wenig Wert auf eine anatomisch korrekte Oberflächenstruktur der Haut gelegt, so dass sich bekannte Phantome in der Regel nicht für die Wirbelsäulen - und Haltungsanalyse aus Oberflächenvermessungen, wie beispielsweise der Rasterste- reographie, eignen. However, known phantoms are typically manufactured for a specific pathology, with a focus on ensuring that the radiological tissue properties can be correctly represented in a radiological image. A separate complete phantom must then be created for each pathology. In addition, little emphasis is often placed on an anatomically correct surface structure of the skin, so that known phantoms are generally not suitable for spine and posture analysis from surface measurements, such as raster stereography.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes oder zumindest alternatives Phantom bereitzustellen. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes oder zumindest alternatives Verfahren zum Herstellen eines Phantoms eines menschlichen Körperteils anzugeben. Das Phantom sollte bevorzugt einen modularen Aufbau haben, so dass dessen Bestandteile ausgetauscht werden können. Das Phantom sollte vorzugsweise so gefertigt werden können, dass es an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil angepasst ist. Dabei sollte es bevorzugt mit dem Phantom auch möglich sein, neben einer an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepassten Wirbelsäule auch eine aus dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil resultierende Hautoberfläche darstellen zu können. Hinsichtlich des Phantoms wird die Aufgabe durch ein Phantom mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Phantoms sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. The invention is based on the object of providing an improved or at least alternative phantom. Furthermore, the invention is based on the object of specifying an improved or at least alternative method for producing a phantom of a human body part. The phantom should preferably have a modular structure so that its components can be exchanged. The phantom should preferably be able to be manufactured in such a way that it is adapted to a given spinal profile. It should preferably also be possible with the phantom to be able to represent a skin surface resulting from the specified spine profile in addition to a spine adapted to the specified spine profile. With regard to the phantom, the task is solved by a phantom with the features defined in claim 1. Advantageous further developments of the phantom can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäß wird ein Phantom eines menschlichen Körperteils vorgeschlagen, das eine Anzahl Wirbelsäulensegmente und ein Wirbelsäulengestell aufweist. According to the invention, a phantom of a human body part is proposed which has a number of spinal segments and a spinal frame.
Ein Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente weist ein Wirbelbefestigungselement und ein an dem Wirbelbefestigungselement angeordnetes Körperteilelement auf. Das Wirbelsäulengestell ist an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil der menschlichen Wirbelsäule angepasst und weist eine Anzahl Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen auf, die jeweils lösbar mit dem Wirbelbefestigungselement eines Wirbelsäulensegments der Anzahl Wirbelsäulensegmente verbunden ist. A spinal segment of the number of spinal segments has a vertebral attachment element and a body part element arranged on the vertebral attachment element. The spine frame is adapted to a predetermined spine profile of the human spine and has a number of spine segment holding structures, each of which is releasably connected to the vertebral fastening element of a spine segment of the number of spine segments.
Die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells sind so angeordnet und ausgebildet, dass die Körperteilelemente der mit den Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen verbundenen Wirbelsäulensegmente an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasst ausgerichtet sind. The spinal segment holding structures of the spinal frame are arranged and designed in such a way that the body part elements of the spinal segments connected to the spinal segment holding structures are aligned in a manner adapted to the predetermined spinal profile.
Das Wirbelsäulengestell und die Wirbelsäulensegmente sind separate Elemente, die insbesondere lösbar miteinander verbunden sind. Das Wirbelsäulengestell dient zur Befestigung und Ausrichtung der Wirbelsäulensegmente. Insbesondere gibt das Wirbelsäulengestell die Ausrichtung der Wirbelsäulensegmente zueinander zur Einstellung des vorgegebenen Wirbelsäulenprofils im Phantom vor. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Wirbelsäulengestell an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil der menschlichen Wirbelsäule angepasst ist und die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen in dem Wirbelsäulengestell so angeordnet sind, dass, wenn die Wirbelsäulensegmente mit dem Wirbelsäulengestell verbunden sind, sich die Wirbelsäulensegmente und insbesondere deren Körperteilelemente gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ausrichten. Die Wirbelsäulensegmente und insbesondere deren Körperteilelemente sind dann entsprechend dem für das Wirbelsäulengestell vorgegebenen Wirbelsäulenprofil angeordnet. Das für das Wirbelsäulengestell vorgegebene Wirbelsäulenprofil wird also von dem Wirbelsäulengestell auf die Wirbelsäulensegmente und deren Körperteilelemente übertragen. Dabei kann für das Wirbelsäulengestell ein beliebiges Wirbelsäulenprofil einer gesunden (physiologischen) oder kranken (pathologischen) Wirbelsäule vorgegeben werden, so dass die Wirbelsäulensegmente gemäß einer gesunden Wirbelsäule oder gemäß einer Wirbelsäule mit einem bestimmten Krankheitsbild angeordnet sind. Die Wirbelsäulensegmente können auch von dem Wirbelsäulengestell entfernt und an ein anderes Wirbelsäulengestell angebracht werden, das gemäß einem anderen vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ausgebildet ist. The spine frame and the spine segments are separate elements that are in particular detachably connected to one another. The spinal frame is used to attach and align the spinal segments. In particular, the spine frame specifies the alignment of the spine segments to one another in order to set the predetermined spine profile in the phantom. This is made possible by the fact that the spine frame is adapted to a predetermined spine profile of the human spine and the spine segment holding structures are arranged in the spine frame in such a way that when the spine segments are connected to the spine frame, the spine segments and in particular their body part elements align themselves according to the predetermined spine profile . The spine segments and in particular their body part elements are then arranged according to the spine profile specified for the spine frame. The spine profile specified for the spine frame is therefore transferred from the spine frame to the spine segments and their body part elements. Any spine profile of a healthy (physiological) or diseased (pathological) spine can be specified for the spine frame, so that the spine segments are arranged according to a healthy spine or according to a spine with a specific clinical picture. The spinal segments can also be removed from the spine frame and attached to another spine frame designed according to a different predetermined spine profile.
Das Phantom beruht auf der grundlegenden Erkenntnis, dass es möglich ist, ein Wirbelsäulengestell bereitzustellen, das an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil angepasst ist. Das Wirbelsäulengestell weist Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen auf, die an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasst ausgerichtet sind und dadurch das vorgegebene Wirbelsäulenprofil auf die Anzahl Wirbelsäulensegmente übertragen können. Das Körperteilelement eines Wirbelsäulensegments ist an der jeweiligen Position der verwendeten Wirbelsäulensegmenthaltestruktur auch gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ausgerichtet. Wenn nun die Anzahl Wirbelsäulensegmente des Phantoms mittels ihrer Wirbelbefestigungselemente mit den Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen verbunden sind, sind die Wirbelsäulensegmente jeweils gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ausgerichtet. The Phantom is based on the fundamental insight that it is possible to provide a spinal frame that is adapted to a given spinal profile. The spine frame has spine segment holding structures that are aligned to the predetermined spine profile and can thereby transfer the predetermined spine profile to the number of spine segments. The body part element of a spinal segment is also aligned in accordance with the predetermined spinal profile at the respective position of the spinal segment holding structure used. If the number of spinal segments of the phantom are now connected to the spinal segment holding structures by means of their vertebral fastening elements, the spinal segments are each aligned according to the predetermined spinal profile.
Das Körperteilelement kann insbesondere eine Wirbelnachbildung eines Wirbels der menschlichen Wirbelsäule und/oder eine Hautstützstruktur, die eine Lage einer Hautoberfläche vorgibt, aufweisen oder als eine Wirbelnachbildung und/oder eine Hautstützstruktur ausgebildet sein. The body part element can in particular have a vertebra replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a position of a skin surface, or can be designed as a vertebra replica and/or a skin support structure.
Entsprechend kann das Phantom so weitergebildet sein, dass das Körperteilelement eine Wirbelnachbildung eines Wirbels der menschlichen Wirbelsäule und/oder eine Hautstützstruktur, die eine Lage einer Hautoberfläche vorgibt, aufweist, wobei die Wirbelnachbildung und/oder die Hautstützstruktur mit dem Wirbelbefestigungselement des Wirbelsäulensegments der Anzahl Wirbelsäulensegmente verbunden sind. Accordingly, the phantom can be developed in such a way that the body part element has a vertebral replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a position of a skin surface, the vertebral replica and/or the skin support structure being connected to the vertebral fastening element of the spinal segment of the number of spinal segments are.
Es ist bevorzugt, dass die Körperteilelemente von mehreren Wirbelsäulensegmenten eine Wirbelnachbildung eines Wirbels der menschlichen Wirbelsäule und/oder eine Hautstützstruktur aufweisen oder als eine Wirbelnachbildung und/oder eine Hautstützstruktur ausgebildet sind, und die It is preferred that the body part elements of several spinal segments have a vertebra replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure or are designed as a vertebra replica and/or a skin support structure, and the
- die Wirbelnachbildungen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wirbelsäulensegmente wenigstens einen Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule mit dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nachbilden, und/oder - die Hautstützstrukturen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wirbelsäulensegmente eine an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasste Lage einer Hautoberfläche nachbilden. Vorzugsweise bilden die Wirbelnachbildungen der Anzahl Wirbelsäulensegmente einen Abschnitt der Wirbelsäule gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nach und/oder die Hautstützstrukturen bilden eine Lage einer Hautoberfläche gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nach. - the vertebral replicas of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce at least a section of the human spine with the predetermined spinal profile, and/or - the skin support structures of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce a position of a skin surface that is adapted to the specified spinal profile. Preferably, the vertebral replicas of the number of spinal segments recreate a section of the spinal column according to the predetermined spinal profile and/or the skin support structures recreate a layer of a skin surface according to the predetermined spinal profile.
Für den Fall, dass die Anzahl Wirbelsäulensegmente des Phantoms Wirbelnachbildungen aufweisen, bilden die Wirbelnachbildungen ebenfalls das vorgegebene Wirbelsäulenprofil nach, da ihre Ausrichtung und Position durch die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen sowie durch die Form des Wirbelsäulengestells vorgegeben werden. Die Wirbelnachbildungen repräsentieren einen Abschnitt der nachgebildeten Wirbelsäule gemäß dem für das Wirbelsäulengestell vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nach. Wenn das Phantom Wirbelnachbildungen aufweist, eignet es sich insbesondere für radiologische Aufnahmen. Die radiologischen Aufnahmen können insbesondere auf einer korrekten Ausrichtung der Knochenstrukturen gemäß einem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil beruhen. In the event that the number of spinal segments of the phantom have vertebral replicas, the vertebral replicas also replicate the specified spinal profile, since their orientation and position are predetermined by the spinal segment holding structures and by the shape of the spinal frame. The vertebral replicas represent a section of the simulated spine according to the spinal profile specified for the spinal frame. If the phantom has vertebral replicas, it is particularly suitable for radiological images. The radiological images can in particular be based on a correct alignment of the bone structures according to a given spinal profile.
Alternativ oder zusätzlich zu Wirbelnachbildungen, kann ein Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente des Phantoms Hautstützstrukturen aufweisen. Die Hautstützstrukturen bilden die Lage einer Hautoberfläche nach, die sich aus dem vorgegeben Wirbelsäulenprofil ergibt. Durch die Anordnung der Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen wird das für das Wirbelsäulengestell vorgegebene Wirbelsäulenprofil auf die Ausrichtung der Hautstützstrukturen übertragen, so dass die Hautstützstrukturen ebenfalls eine sich aus dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ergebene Lage einer Hautoberfläche nachbilden. Alternatively or in addition to vertebral replicas, a spinal segment of the number of spinal segments of the phantom can have skin support structures. The skin support structures replicate the position of a skin surface, which results from the given spinal profile. By arranging the spine segment holding structures, the spine profile specified for the spine frame is transferred to the alignment of the skin support structures, so that the skin support structures also reproduce a position of a skin surface resulting from the specified spine profile.
Die Lage der Hautstützstrukturen gibt somit eine Oberflächenstruktur der Haut wieder, wie sie sich aus dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ergibt. Ein solches Phantom eignet sich besonders für eine Erstellung einer dreidimensionalen Aufnahme der Rückenoberfläche, die eine korrekte Wiedergabe der Oberflächenstruktur der Haut abhängig von einem bestimmten Wirbelsäulenprofil erfordert. Eine dreidimensionale Aufnahme der Rückenoberfläche kann beispielweise mittels Rasterstereographie erfolgen. Alternativ könnte eine dreidimensionale Aufnahme der Rückenoberfläche beispielsweise mittels Tiefensensorik, z.B. mittels einer Tiefenkamera erzeugt werden. The position of the skin support structures thus reflects a surface structure of the skin as it results from the given spinal profile. Such a phantom is particularly suitable for creating a three-dimensional image of the back surface, which requires a correct reproduction of the surface structure of the skin depending on a specific spinal profile. A three-dimensional recording of the back surface can be done, for example, using raster stereography. Alternatively, a three-dimensional image of the back surface could be generated, for example, using depth sensors, for example using a depth camera.
Wenn das Phantom sowohl Wirbelnachbildungen als auch Hautstützstrukturen aufweist, kann dasselbe Phantom sowohl für radiologische Aufnahmen als auch für rasterstereo- graphische Aufnahmen verwendet werden. Die radiologische Aufnahme und die rasterstereographische Aufnahme können besonders aussagekräftig miteinander verglichen werden, insbesondere dann, wenn die Position des Phantoms zwischen der radiologischen Aufnahme und der rasterstereographischen Aufnahme nicht verändert wird. Beispielsweise könnten die der radiologischen Aufnahme und die rasterstereographische Aufnahme auch zeitgleich erstellt werden. If the phantom has both vertebral replicas and skin support structures, the same phantom can be used for both radiological imaging and raster stereo imaging. graphic recordings can be used. The radiological image and the raster stereographic image can be compared with one another in a particularly meaningful way, especially if the position of the phantom is not changed between the radiological image and the raster stereographic image. For example, the radiological image and the raster stereographic image could also be created at the same time.
Das Wirbelbefestigungselement kann entsprechend als Trägerstruktur für eine Wirbelnachbildung und/oder eine Hautstützstruktur verwendet werden. Gleichzeitig dient das Wirbelbefestigungselement der Befestigung des Wirbelsäulensegmentes an dem Wirbelsäulengestell. The vertebral fastening element can accordingly be used as a support structure for a vertebral replica and/or a skin support structure. At the same time, the vertebral fastening element serves to fasten the spinal segment to the spinal frame.
Ein Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente kann ein lösbarer Verbund aus einem Wirbelbefestigungselement, das auch als Verbinder oder Adapter bezeichnet werden kann, und einer Wirbelnachbildung und/oder einer Hautstützstruktur sein. Für rasterstereographische Aufnahmen umfasst ein Wirbelsäulensegment vorzugsweise Verstrebungen zum Halten der Hautstützstruktur, die in das Wirbelbefestigungselement integriert sind. A spinal segment of the number of spinal segments can be a releasable composite of a vertebral fastening element, which can also be referred to as a connector or adapter, and a vertebral replica and/or a skin support structure. For raster stereographic recordings, a spinal segment preferably includes struts for holding the skin support structure, which are integrated into the vertebral fastening element.
Im Rahmen dieser Beschreibung kann ein Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule Teile der Halswirbelsäule, der Brustwirbelsäule, der Lendenwirbelsäule und/oder Sakralwirbelsäule oder auch eine vollständige Wirbelsäule umfassen. Es könnten z.B. alle Wirbel der menschlichen Wirbelsäule nachgebildet werden, mit Ausnahme des ersten Halswirbels, d.h. sechs Halswirbel, zwölf Brustwirbel, und fünf Lendenwirbel. Auch ein Übergang zwischen Wirbelgruppen, z.B. ein Übergang von den Brustwirbeln zu den Lendenwirbeln, könnte nachgebildet werden, so dass nicht alle Brustwirbel und nicht alle Lendenwirbel nachgebildet werden müssten. For the purposes of this description, a section of the human spine may include parts of the cervical spine, the thoracic spine, the lumbar spine and/or the sacral spine, or even a complete spine. For example, all vertebrae of the human spine could be replicated, with the exception of the first cervical vertebra, i.e. six cervical vertebrae, twelve thoracic vertebrae, and five lumbar vertebrae. A transition between vertebral groups, e.g. a transition from the thoracic vertebrae to the lumbar vertebrae, could also be recreated, so that not all thoracic vertebrae and not all lumbar vertebrae would have to be recreated.
Ein Körperteil, der durch das Phantom nachgebildet wird, kann insbesondere den Rumpf mit der Wirbelsäule sowie optional die Oberarmansätze und Hals- und Kopfansätze und das Becken umfassen. Ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil kann beispielsweise ein physiologisches, d.h. gesundes Wirbelsäulenprofil, oder ein pathologisches Wirbelsäulenprofil, z.B. ein skoliotisches Wirbelsäulenprofil, sein. A body part that is modeled by the phantom can in particular include the torso with the spine and optionally the upper arm attachments and neck and head attachments and the pelvis. A predetermined spine profile can be, for example, a physiological, i.e. healthy, spine profile, or a pathological spine profile, e.g. a scoliotic spine profile.
Eine Wirbelnachbildung ist bevorzugt eine Nachbildung eines Wirbels, die einen integrierten Adapter zur lösbaren Verbindung mit dem Wirbelbefestigungselement aufweist. Eine Nachbildung kann eine exakte, naturgetreue oder auch eine näherungsweise naturge- treue Nachbildung oder auch eine funktionale Nachbildung sein. Eine funktionale Nachbildung könnte z.B. dann ausreichen, wenn es nur um die Lage der Hautoberfläche geht. Die Wirbel könnten nur grob angenähert sein, solange sie sich so einstellen lassen, dass die Haut exakt naturgetreu oder näherungsweise naturgetreu für das entsprechende Wirbelsäulenprofil nachgebildet werden kann. A vertebra replica is preferably a replica of a vertebra that has an integrated adapter for releasably connecting to the vertebra fastening element. A replica can be an exact, lifelike or an approximately natural one. be a faithful replica or a functional replica. A functional replica could be sufficient, for example, if it only concerns the position of the skin surface. The vertebrae could only be roughly approximated as long as they can be adjusted so that the skin can be reproduced exactly true to life or approximately true to life for the corresponding spinal profile.
Die Erfindung beruht dabei insbesondere auf der Erkenntnis, dass die radiologische Diagnostik und Therapie von Wirbelsäulendeformitäten konventionell zweidimensional, auf der Basis einer frontalen und einer sagittalen Wirbelsäulenganzaufnahme erfolgt. Die Transversalebene wird in einem solchen bi-planaren Röntgenbild nicht erfasst. The invention is based in particular on the knowledge that the radiological diagnosis and therapy of spinal deformities is carried out conventionally in two dimensions, on the basis of a frontal and a sagittal complete spine image. The transverse plane is not captured in such a bi-planar X-ray image.
Da Behandlungen von Wirbelsäulendeformationen, wie z.B. die Skoliose, mit langjährigen Therapien einhergehen, werden die Patienten oftmals einer erheblichen Strahlenbelastung ausgesetzt. In Folge dessen, ist die Chance einer Krebserkrankung dieser Patientengruppe deutlich erhöht. Dabei existieren bereits strahlungsfreie Diagnostikmethoden, wie die Rasterstereographie. Jedoch ist die Rasterstereographie in der Regel noch nicht ausgereift genug, um einen vollständigen Ersatz für konventionelle Röntgenbilder zu bieten. Since treatments for spinal deformities, such as scoliosis, involve long-term therapies, patients are often exposed to considerable radiation. As a result, the chance of developing cancer in this patient group is significantly increased. There are already radiation-free diagnostic methods, such as raster stereography. However, raster stereography is generally not yet sophisticated enough to offer a complete replacement for conventional X-ray images.
Die bisherige Evaluierung und Optimierung von Messmethoden, wie der Rasterstereographie, die auf der Oberflächenvermessung basieren, basiert auf dem Vergleich der rasterstereographischen Aufnahmen zu radiologischen Referenzbildern derselben Wirbelsäule. Diese Bilddatensätze können für Wirbelsäulen mit unterschiedlichen Pathologien zurzeit typischerweise durch Probandenstudien generiert werden. Es werden für diese Datensätze jedoch nur medizinisch indizierte Wirbelsäulenganzaufnahmen erzeugt. Eine gezielte Variation der Wirbelsäulenprofile ist somit in Probandenstudien regelmäßig nicht möglich. Ferner ist eine simultane Aufnahme der Wirbelsäule durch das radiologische und das rasterstereographische Messsystem zurzeit ebenfalls regelmäßig nicht möglich. Folglich sind Veränderungen des Wirbelsäulenprofils zwischen den Aufnahmen, z.B. aufgrund von Haltungsunterschieden, unvermeidbar. The previous evaluation and optimization of measurement methods such as raster stereography, which are based on surface measurement, is based on the comparison of raster stereographic images to radiological reference images of the same spine. These image data sets can currently typically be generated through subject studies for spines with different pathologies. However, only medically indicated full-length spinal images are generated for these data sets. A targeted variation of the spine profiles is therefore generally not possible in subject studies. Furthermore, simultaneous recording of the spine using the radiological and raster stereographic measuring systems is currently not possible. Consequently, changes in the spinal profile between images, e.g. due to differences in posture, are unavoidable.
Ein wesentlicher Schwachpunkt von bisherigen Phantomstudien ist es, dass die zurzeit etablierten Phantome kein individuell einstellbares Wirbelsäulenprofil bieten. Stattdessen haben die bekannten Phantome in der Regel ein festes Wirbelsäulenprofil, das weder vordefiniert noch verändert werden kann. Mit solchen Phantomen können folglich nur radiologische Bilder mit genau einem Profil der Wirbelsäule erzeugt werden. Zur Darstellung verschiedener Pathologien wäre jeweils ein eigenständiges Phantom notwendig. Herkömmliche radiologische Phantome sind darüber hinaus so konzipiert, dass die Gewebeeigenschaften in einem radiologischen Bild korrekt dargestellt werden. Die anatomiegerechte Oberflächenstruktur der Haut ist dabei nachrangig, so dass die bekannten Phantome meist nur bedingt für Messverfahren, wie der Rasterstereographie geeignet sind, bei denen die Wirbelsäulen- und Haltungsanalyse auf der Erfassung der Hautoberfläche basiert. A major weakness of previous phantom studies is that the currently established phantoms do not offer an individually adjustable spinal profile. Instead, the well-known phantoms usually have a fixed spinal profile that can neither be predefined nor changed. With such phantoms, only radiological images with exactly one profile of the spine can be generated. A separate phantom would be necessary to display different pathologies. Conventional radiological phantoms are also designed to correctly represent tissue properties in a radiological image. The anatomically correct surface structure of the skin is of secondary importance, so that the known phantoms are usually only partially suitable for measuring methods such as raster stereography, in which the spine and posture analysis is based on the detection of the skin surface.
Die Erfindung schließt die weitere Erkenntnis ein, dass alternativ zur Probandenmessung Phantome zur Generierung der Datensätze verwendet werden könnten. Für die Rasterstereographie existieren jedoch regelmäßig keine anwendungsspezifischen Phantome. Stattdessen werden standardisierte radiologische Torso-Modelle verwendet, die in der Regel vergleichsweise hohe Anschaffungskosten haben, und nur bedingt zur Optimierung der Rasterstereografie geeignet sind. The invention includes the further finding that, as an alternative to measuring subjects, phantoms could be used to generate the data sets. However, there are generally no application-specific phantoms for raster stereography. Instead, standardized radiological torso models are used, which usually have comparatively high acquisition costs and are only partially suitable for optimizing raster stereography.
Aufgrund des bi-planaren Charakters eines als Referenz dienenden Röntgenbildes, können darüber hinaus transversale Parameter wie beispielsweise eine Wirbelrotation regelmäßig nur grob abgeschätzt werden. Die Erfassung der Wirbelrotation mittels der Rasterstereographie ist somit oftmals kaum optimierbar. Dabei ist die Wirbelrotation z.B. bei der Beurteilung einer Progression skoliotischer Deformationen, von entscheidender Bedeutung. Due to the bi-planar character of an X-ray image serving as a reference, transverse parameters such as vertebral rotation can only be roughly estimated. The detection of vertebral rotation using raster stereography is often difficult to optimize. Vertebral rotation is of crucial importance, for example when assessing the progression of scoliotic deformities.
Insgesamt lässt sich festhalten, dass eine systematische Erstellung von radiologischen und/oder rasterstereographischen Aufnahmen verschiedener pathologischer oder physiologischer Wirbelsäulenprofile derzeit weder durch Probandenstudien noch durch die Verwendung konventioneller Phantome möglich ist. Overall, it can be said that systematic creation of radiological and/or raster stereographic images of various pathological or physiological spinal profiles is currently not possible either through subject studies or through the use of conventional phantoms.
Die zuvor beschriebenen Nachteile können wenigstens teilweise mit dem hier beschriebenen Phantom überwunden werden. Das Phantom erlaubt dabei insbesondere eine systematische Erzeugung einer bestimmten Wirbelsäulendeformation. Dass an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil angepasste Wirbelsäulengestell ermöglicht es, zum einen, radiologische Aufnahme eines an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepassten Wirbelsäulenmodells zu erstellen. Aus dem vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasste Wirbelsäulengestell ergibt sich zum anderen die Darstellung des Oberflächenprofils als Lage der Haut, sodass auch die Erstellung rasterstereographische Aufnahmen möglich ist. Auch eine Kombination von radiologischen Aufnahmen und rasterstereographischen Aufnahmen ist möglich. Vorteilhafterweise ist das Phantom auch in der Transversalebene parametrisiert und erlaubt es somit Werte für transversale Parameter zu bestimmen, beispielsweise für eine Wirbelrotation, was mit herkömmlichen Phantomen regelmäßig nicht möglich ist. Entsprechend eignet sich das Phantom auch zur Optimierung der Bestimmung von Wirbelrotationen mittels Röntgenaufnahmen und/oder auf der Oberflächenvermessung basierenden Verfahren wie der Rasterstereographie. The disadvantages described above can be at least partially overcome with the phantom described here. In particular, the phantom allows a specific spinal deformation to be systematically created. The fact that the spine frame is adapted to a given spinal profile makes it possible, on the one hand, to create a radiological image of a spinal model adapted to the given spine profile. On the other hand, the spine frame adapted to the specified spine profile results in the representation of the surface profile as the position of the skin, so that the creation of raster stereographic images is also possible. A combination of radiological images and raster stereographic images is also possible. Advantageously, the phantom is also parameterized in the transversal plane and thus allows values for transversal parameters to be determined, for example, for vertebral rotation, which is generally not possible with conventional phantoms. Accordingly, the phantom is also suitable for optimizing the determination of vertebral rotations using X-ray images and/or methods based on surface measurement such as raster stereography.
Rasterstereografische und radiologische Aufnahmen können mit dem Phantom insbesondere auch zeitgleich erstellt werden, was diese besonders gut vergleichbar macht. Zudem stellt das vorgegebene und damit bekannte Wirbelsäulenprofil einen bisher nicht verfügbaren Referenzparameter dar. Dieser Referenzparameter bietet zusätzliche Möglichkeiten insbesondere bei der Optimierung der transversalen Parameter. Mit dem Phantom ist es insbesondere möglich, systematisch eine Datenbank aufzubauen, die Röntgenbilder und Rasterstereographie-Aufnahmen zu einem oder zu unterschiedlichen vorgegebenen Wirbelsäulenprofilen, optional inklusive ausgerichtetem Beckenelement, enthält. Eine solche Datenbank könnte als eine Grundlage beispielsweise für die weitere Optimierung der Rasterstereographie und Auswertung von Röntgenbildern dienen. Raster stereographic and radiological images can be created with the phantom at the same time, which makes them particularly comparable. In addition, the specified and therefore known spine profile represents a previously unavailable reference parameter. This reference parameter offers additional options, particularly when optimizing the transversal parameters. In particular, the phantom makes it possible to systematically build a database that contains X-ray images and raster stereography images of one or different predetermined spinal profiles, optionally including an aligned pelvic element. Such a database could serve as a basis, for example, for the further optimization of raster stereography and evaluation of X-ray images.
Das Phantom ermöglicht, im Gegensatz zu herkömmlichen Phantomen, somit eine systematische Erzeugung einer bestimmten Wirbelsäulendeformation insbesondere mit einer aus der Deformation resultierenden Beckenausrichtung. Zudem können mit dem Phantom sowohl radiologische als auch rasterstereographische Aufnahmen erstellt werden. Weiterhin sind das Wirbelsäulenprofil und optional auch die Beckenausrichtung vor den Aufnahmen definierbar. Dies begünstigt Vergleichsstudien beispielsweise zwischen Rasterstereographie-Bildern und Röntgenbildern, da durch das Phantom keine haltungsbedingten Unterschiede in den Vergleichsaufnahmen induziert werden. In contrast to conventional phantoms, the phantom enables a specific spinal deformation to be systematically created, in particular with a pelvic alignment resulting from the deformation. In addition, both radiological and raster stereographic images can be created with the phantom. Furthermore, the spine profile and optionally the pelvic alignment can be defined before the images are taken. This favors comparison studies, for example between raster stereography images and X-ray images, since the phantom does not induce any posture-related differences in the comparison images.
Bei dem Phantom ist es bevorzugt, dass die Wirbelsäulensegmente so mit dem Wirbelsäulengestell verbunden sind, dass die Wirbelnachbildung des jeweiligen Wirbelsegments entsprechend einer sich aus dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ergebenen lateralen Wirbelneigung, sagittalen Wirbelneigung, lateralen Seitabweichung, sagittalen Seitabweichung, Wirbelrotation, und Wirbelhöhe ausgerichtet sind. Beispielweise kann für jede Wirbelnachbildung ein lokales Wirbelkoordinatensystem definiert sein, in dem die Neigungen angegeben werden. Insbesondere kann durch eine durch das Wirbelsäulengestell vorgegebene Ausrichtung der Wirbelnachbildungen eine Skoliose nachgebildet werden, die durch eine Seitabweichung der Wirbelsäule von der Längsachse mit Rotation der Wirbel um die Längsachse und Torsion der Wirbelkörper teilweise begleitet von struktureller Verformung der Wirbelkörper gekennzeichnet ist. Es ist auch möglich eine physiologische Wirbelsäule nachzubilden, die entsprechend keine für die Skoliose typi- sehe Deformation in der Frontalebene aufweist. Die Wirbel weisen im Falle eines physiologischen Wirbelsäulenprofils weder laterale Seitabweichungen noch laterale Wirbelneigungen auf. Die Wirbelrotation beträgt ebenfalls null. Die Sagittalebene ist durch die charakteristischen, physiologischen Wirbelsäulenkrümmungen geprägt. In the case of the phantom, it is preferred that the spinal segments are connected to the spinal frame in such a way that the vertebral replica of the respective vertebral segment is aligned in accordance with a lateral vertebral inclination, sagittal vertebral inclination, lateral lateral deviation, sagittal lateral deviation, vertebral rotation, and vertebral height resulting from the specified spinal profile. For example, a local vortex coordinate system can be defined for each vertebra simulation, in which the inclinations are specified. In particular, by aligning the vertebral replicas predetermined by the spinal frame, a scoliosis can be simulated, which is characterized by a lateral deviation of the spine from the longitudinal axis with rotation of the vertebrae about the longitudinal axis and torsion of the vertebral bodies, sometimes accompanied by structural deformation of the vertebral bodies. It is also possible to recreate a physiological spine that does not have a spine typical of scoliosis. see deformation in the frontal plane. In the case of a physiological spinal profile, the vertebrae show neither lateral deviations nor lateral vertebral inclinations. The vertebral rotation is also zero. The sagittal plane is characterized by the characteristic, physiological spinal curvatures.
Das Phantom kann so weitergebildet werden, dass die Hautstützstrukturen mit einem Hautüberzug überspannt sind, so dass der Hautüberzug eine Lage der Hautoberfläche in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nachbildet. Das Phantom eignet sich dann besonders für einen Einsatz bei auf Oberflächenvermessung basierenden Verfahren, wie der Rasterstereographie. Insbesondere kann mit dem Hautüberzug ein sich aus dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ergebenes Oberflächenprofil des Rückens eines menschlichen Körpers nachgebildet werden. Durch den Hautüberzug können Landmarken nachgebildet werden, insbesondere der Vertebra prominens, das rechte Lendengrübchen, das linke Lendengrübchen und der Sakrum Punkt. Die Nachbildung von Landmarken ist insbesondere für die Erzeugung einer rasterstereographischen Aufnahme und einer darauf basierenden Rekonstruktion der Wirbelsäule von Bedeutung. Durch die Hautstützstrukturen und den Hautüberzug kann die Hautoberfläche in Höhe jeder Wirbelnachbildung individuell und entsprechend dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil approximiert werden. The phantom can be further developed in such a way that the skin support structures are covered with a skin cover, so that the skin cover reproduces a position of the skin surface depending on the given spinal profile. The phantom is then particularly suitable for use in methods based on surface measurement, such as raster stereography. In particular, the skin cover can be used to recreate a surface profile of the back of a human body resulting from the given spine profile. The skin cover allows landmarks to be recreated, particularly the vertebral prominens, the right lumbar pit, the left lumbar pit and the sacral point. The reproduction of landmarks is particularly important for the generation of a raster stereographic image and a reconstruction of the spine based on it. Thanks to the skin support structures and the skin cover, the skin surface at the level of each vertebral replica can be approximated individually and according to the specified spinal profile.
Es kann vorteilhaft sein, wenn an wenigstens einer Hautstützstruktur ein Hauthaltemittel angeordnet ist, das den Hautüberzug relativ zu der Hautstützstruktur fixiert. Beispielsweise kann das Hauthaltemittel Widerhaken aufweisen, die mit dem Hautüberzug lösbar verbunden sind. Es ist z.B. bevorzugt, wenn der Hautüberzug wenigstens teilweise aus einem natürlichen oder synthetischen Textil gebildet ist, z.B. aus einem T-Shirt-Stoff. Der Hautüberzug aus dem Textil und die Widerhaken des Hauthaltemittels lassen sich bevorzugt gemäß einem Klettverschluss miteinander verbinden. Durch das Hauthaltemittel kann der Hautüberzug insbesondere straff und ohne Falten an den Hautstützstrukturen befestigt werden, so dass es möglich ist, die Lage der Haut besonders vergleichsweise genau und abhängig von dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nachzubilden. It can be advantageous if a skin holding means is arranged on at least one skin support structure, which fixes the skin cover relative to the skin support structure. For example, the skin holding means can have barbs that are releasably connected to the skin cover. It is preferred, for example, if the skin cover is at least partially formed from a natural or synthetic textile, for example from a T-shirt fabric. The skin cover made of the textile and the barbs of the skin holding means can preferably be connected to one another using a Velcro fastener. Through the skin holding means, the skin cover can be attached to the skin support structures in particular tightly and without wrinkles, so that it is possible to reproduce the position of the skin particularly comparatively precisely and depending on the predetermined spinal profile.
Die Hautstützstruktur eines Wirbelsäulensegments des Phantoms kann mittels einer Anzahl Verstrebungen mit dem Wirbelbefestigungselement des Wirbelsäulensegments verbunden sein. Das Wirbelbefestigungselement dient als Trägerstruktur für die Hautstützstruktur, und hält die Hautstützstruktur mittels der Verstrebungen. Das Phantom kann ein mit dem Wirbelsäulengestell verbundenes Beckenelement aufweisen, das ausgebildet ist, ein Becken des menschlichen Körpers nachzubilden. Das Beckenelement kann mittels eines Beckenadapters mit dem Wirbelsäulengestell verbunden sein. Vorzugsweise weist das Beckenelement eine Anzahl Gesäßformstrukturen auf, die ausgebildet und angeordnet sind, eine Lage einer Gesäßoberfläche relativ zu dem Beckenelement vorzugeben. Zusätzlich zu der durch die Wirbelnachbildungen vorgegebene Hautoberfläche des Torsos kann somit auch die Gesäßoberfläche nachgebildet werden. Für die Ausrichtung des Beckens entsprechend dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil kann ein eigenes Becken-Koordinatensystem verwendet werden. Durch das Beckenelement können weitere Landmarken bereitgestellt und in einer rasterstereographischen Aufnahme verwendet werden. Für die Modellierung der Gesäßoberfläche des Beckens ist insbesondere eine korrekte Rekonstruktion der Landmarken von Bedeutung, welche in einer rasterstereographischen Untersuchung erfasst werden. Dies sind zum einem das linke und rechten lumbale Grübchen und zum anderen der Ansatz der Analrinne (lat. rima ani). Die Grübchen dienen in einem Simulationsmodell als Landmarke für die Position der posterioren Knochenvorsprünge (PSIS) des Beckens. The skin support structure of a spinal segment of the phantom may be connected to the vertebral attachment member of the spinal segment by a number of struts. The vertebral attachment element serves as a support structure for the skin support structure, and holds the skin support structure by means of the struts. The phantom can have a pelvic element connected to the spinal frame, which is designed to simulate a pelvis of the human body. The pelvic element can be connected to the spinal frame by means of a pelvic adapter. Preferably, the pelvic element has a number of buttock shaping structures which are designed and arranged to prescribe a position of a buttock surface relative to the pelvic element. In addition to the skin surface of the torso specified by the vertebral replicas, the buttock surface can also be reproduced. A separate pelvic coordinate system can be used to align the pelvis according to the specified spinal profile. The basin element can provide additional landmarks and use them in a raster stereographic recording. For modeling the buttock surface of the pelvis, a correct reconstruction of the landmarks, which are recorded in a raster stereographic examination, is particularly important. These are, on the one hand, the left and right lumbar dimples and, on the other hand, the base of the anal groove (Latin rima ani). The dimples serve as a landmark for the position of the posterior bony prominences (PSIS) of the pelvis in a simulation model.
In dem Phantom sind sowohl das Beckenelement als auch das Wirbelsäulengestell bezügliches eines gemeinsamen Raumkoordinatensystems (RKS) orientiert und somit im Raum und zueinander ausgerichtet. Das Beckenelement wird anhand von positionsunabhängigen Becken parameter (Inzidenzwinkel) und positionsabhängige Beckenparameter (sagittalen Beckenneigung, dem Beckenhochstand, der sagittalen Beckenabweichung, der lateralen Beckenabweichung, der transversalen Beckenabweichung und der Beckenrotation) ausgerichtet. Das Beckenelement bildet somit das Becken relativ zu dem von der Anzahl Wirbelsäulensegmente gebildeten Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule nach. In the phantom, both the pelvic element and the spinal frame are oriented with respect to a common spatial coordinate system (RKS) and are therefore aligned in space and with each other. The pelvic element is aligned using position-independent pelvic parameters (incidence angle) and position-dependent pelvic parameters (sagittal pelvic inclination, pelvic elevation, sagittal pelvic deviation, lateral pelvic deviation, transverse pelvic deviation and pelvic rotation). The pelvic element thus simulates the pelvis relative to the section of the human spine formed by the number of spinal segments.
Der Inzidenzwinkel ist definiert als Winkel zwischen einer Geraden vom Zentrum des Acetabulum zur Mitte der S1 -Endplatte und einer weiteren Geraden senkrecht zur S1- Endplatte. Der Inzidenzwinkel ist ein morphologischer Parameter und unabhängig von der Beckenposition im ausgewachsenen Becken konstant. Da zwischen dem Inzidenzwinkel und den positionsabhängigen Beckenparametern ein geometrischer Zusammenhang besteht, ist der Inzidenzwinkel dennoch ein maßgebender Faktor für die Beckenorientierung. The incidence angle is defined as the angle between a straight line from the center of the acetabulum to the center of the S1 endplate and another straight line perpendicular to the S1 endplate. The incidence angle is a morphological parameter and is constant regardless of the pelvic position in the adult pelvis. Since there is a geometric connection between the incidence angle and the position-dependent pelvic parameters, the incidence angle is still a decisive factor for the pelvic orientation.
Das Beckenelement ist bevorzugt ausgebildet, dass es mit einem Beckenbefestigungselement an dem Wirbelsäulengestell lösbar z.B. mittels Adaptern befestigt werden kann. Das Beckenbefestigungselement kann ein Verbund aus einer oder mehreren Beckenstützstrukturen sein, mittels denen das Beckenelement am Wirbelsäulengestell befestigt und ausgerichtet werden kann. Zur Ausrichtung gemäß der definierten Beckenausrichtung kann ein eigenes Becken-Koordinatensystem verwendet werden. Am Phantom kann das Beckenelement mittels des Wirbelsäulengestells relativ zum nachgebildeten Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule ausgerichtet werden. Die Ausrichtung entspricht insbesondere den vordefinierten Beckenparametern. The pelvic element is preferably designed so that it can be releasably attached to the spine frame with a pelvic fastening element, for example using adapters. The pelvic attachment element can be a composite of one or more pelvic support structures by means of which the pelvic element can be attached and aligned to the spinal frame. A separate basin coordinate system can be used to align according to the defined basin orientation. On the phantom, the pelvic element can be aligned relative to the simulated section of the human spine using the spinal frame. The alignment corresponds in particular to the predefined pool parameters.
Das Phantom ermöglicht somit bevorzugt eine anatomisch korrekte Nachbildung der Wirbelsäule und der Hautoberfläche gemäß einem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil und optional eines Beckens. Die Definition des Wirbelsäulenprofils erfolgt vorzugsweise auf Basis von Wirbelsäulenparametern während die Beckenausrichtung anhand von Beckenparametern erfolgt. Die Wirbelsäulen- und Beckenparametern können als Input- Parameter für ein adaptives Computermodell dienen. Die vorgegebenen Wirbelsäulen- und Beckenparameter können in ein computerimplementiertes Wirbelsäulen-Becken- Modell übernommen werden. Die Orientierung der Wirbel und des Beckens in dem Wir- belsäulen-Becken-Modell entspricht damit den aktuell eingestellten Wirbelsäulen- und Beckenparametern, welche das vorgegebene Wirbelsäulenprofil - und die vorgegebene Beckenausrichtung definieren. The phantom thus preferably enables an anatomically correct simulation of the spine and the skin surface according to a given spine profile and optionally a pelvis. The definition of the spinal profile is preferably based on spinal parameters while the pelvic alignment is based on pelvic parameters. The spinal and pelvic parameters can serve as input parameters for an adaptive computer model. The specified spine and pelvis parameters can be incorporated into a computer-implemented spine-pelvis model. The orientation of the vertebrae and pelvis in the spine-pelvis model therefore corresponds to the currently set spine and pelvis parameters, which define the specified spine profile and the specified pelvic alignment.
Von dem Wirbelsäulenmodell kann automatisiert eine Modell-Datei für ein computerimplementiertes Wirbelsäulengestellmodell generiert und exportiert werden. Basierend auf der Wirbelsäulengestellmodell-Fertigungsdatei kann ein physisches Wirbelsäulengestell additiv gefertigt werden. Die Ausrichtung der Wirbel- und Beckennachbildungen und relativ dazu die Ausrichtung der Hautstützstrukturen erfolgt im physischen Phantom vorzugsweise anhand dieses Wirbelsäulengestells. From the spine model, a model file for a computer-implemented spine frame model can be automatically generated and exported. Based on the spine frame model manufacturing file, a physical spine frame can be additively manufactured. The alignment of the vertebral and pelvic replicas and, relative to this, the alignment of the skin support structures in the physical phantom are preferably carried out using this spinal frame.
Das Phantom kann so weitergebildet werden, dass es ein rechtes Schulterelement und ein linkes Schulterelement aufweist, die jeweils ein Schulterblatt und Teile der darüber liegenden Muskulatur der rechten oder linken Schulterpartie und vorzugsweise wenigstens einen Teil der jeweiligen Oberarmmuskulatur des menschlichen Körpers nachbilden. Auf diese Weise können neben dem Schulterblatt auch die darüber liegenden Muskelstränge, also der musculus supraspinatus, musculus infraspinatus, musculus teres major und der musculus teres minor miteinbezogen werden. Ferner kann die Oberarmmuskulatur über die Form des musculus deltoideus angenähert werden. Das Phantom wird dadurch noch naturgetreuer und realistischer. Die rechten und linken Schulterelemente können mittels einem oder mehreren lösbaren Schulterverbindungsmitteln, beispielsweise einer Schraubverbindung, mit einem Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente verbunden sein und die Lage der rechten und linken Schulterelemente können mittels der einen oder den mehreren lösbaren Schulterverbindungsmitteln relativ zu dem Wirbelsäulensegment einstellbar sein. Beispielsweise könnte eine Fixierungsstruktur im sechsten Wirbelsäulensegment des Brustkorbs integriert sein. Die Fixierung der Schulter kann in dessen Zentrum durch die Schulterverbindungsmittel erfolgen. Über diese Schulterverbindungsmittel ist eine Einstellung der Lage der rechten und linken Schulterelemente relativ zu dem Wirbelsäulensegment möglich. Die rechten und linken Schulterelemente können beispielweise mittels einer Schraubverbindung mit einem Wirbelsäulensegment verbunden werden. Eine durch die Fixierungsstruktur vorgegebene Achse kann anhand des Schultermodells sowie auf Basis von anthropometrischen Messdaten konstruiert werden. The phantom can be further developed in such a way that it has a right shoulder element and a left shoulder element, each of which simulates a shoulder blade and parts of the overlying muscles of the right or left shoulder area and preferably at least part of the respective upper arm muscles of the human body. In this way, in addition to the shoulder blade, the muscle strands above it, i.e. the supraspinatus muscle, infraspinatus muscle, teres major muscle and teres minor muscle, can also be included. Furthermore, the upper arm muscles can be approximated using the shape of the deltoid muscle. This makes the phantom even more lifelike and realistic. The right and left shoulder elements can be connected to a spinal segment of the number of spinal segments by means of one or more releasable shoulder connecting means, for example a screw connection, and the position of the right and left shoulder elements can be adjustable relative to the spinal segment by means of the one or more releasable shoulder connecting means. For example, a fixation structure could be integrated in the sixth spinal segment of the thorax. The shoulder can be fixed in its center using the shoulder connecting means. These shoulder connecting means can be used to adjust the position of the right and left shoulder elements relative to the spinal segment. The right and left shoulder elements can be connected to a spinal segment using a screw connection, for example. An axis specified by the fixation structure can be constructed using the shoulder model and based on anthropometric measurement data.
Für die Radiologie wird die Schulterpartie in der Regel nicht benötigt. Allerdings kann das Schulterblatt inkl. Muskeln für auf der Oberflächenvermessung basierenden Verfahren, wie der Rasterstereographie, von Bedeutung sein, da dadurch indirekte Landmarken, wie z.B. Achselhöhle, Schulterblattlinien, Schulterpunkte etc. gesetzt werden können, die unter Umständen zur Rekonstruktion der Wirbelsäule benötigt werden. The shoulder area is generally not needed for radiology. However, the scapula, including muscles, can be important for methods based on surface measurement, such as raster stereography, as indirect landmarks such as the armpit, scapula lines, shoulder points, etc. can be set, which may be needed to reconstruct the spine.
Insbesondere zur radiologischen Differenzierbarkeit von Knochen und Gewebematerial kann vorgesehen sein, dass die Knochenstrukturen eine höhere Materialdichte als die Hautstützstrukturen und/oder Gesäßformstrukturen aufweisen. Die unterschiedlichen Materialdichten können dazu führen, dass in einer radiologischen Aufnahme im Wesentlichen die Knochenstrukturen sichtbar sind, während z.B. das Wirbelsäulengestell nicht oder nur kaum erkennbar ist. Dazu kann zum einen Material unterschiedlicher Dichte genutzt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das gleiche Material mit unterschiedlicher Fülldichte zum Einsatz kommen. In particular, for the radiological differentiation of bones and tissue material, it can be provided that the bone structures have a higher material density than the skin support structures and/or buttock mold structures. The different material densities can mean that the bone structures are essentially visible in a radiological image, while the spinal structure, for example, is not or only barely visible. On the one hand, materials of different densities can be used for this purpose. Alternatively or additionally, the same material with different filling density can be used.
Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn bei wenigstens einem Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente die Wirbelnachbildung und die Hautstützstruktur des Wirbelsäulensegments aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und die Wirbelnachbildung eine höhere Materialdichte als die Hautstützstruktur hat. Beispielsweise könnten bei einer additive Fertigung Knochenstrukturen wie die Wirbelnachbildung z.B. eine Fülldichte von 100 % und Hautstützstrukturen z.B. eine Fülldichte von 15 % haben. Die unterschiedlichen Fülldichten können dazu führen, dass in einer radiologischen Aufnahme im Wesentlichen die Knochenstrukturen sichtbar sind. For example, it can be advantageous if, in the case of at least one spinal segment of the number of spinal segments, the vertebra replica and the skin support structure of the spinal segment are made of the same material or of different materials and the vertebra replica has a higher material density than the skin support structure. For example, in additive manufacturing, bone structures such as vertebral replicas could have a fill density of 100% and skin support structures could have a fill density of 15%. The different filling densities can do this lead to the fact that essentially the bone structures are visible in a radiological image.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass eine Wirbelnachbildung eines Wirbelsäulensegments der Anzahl Wirbelsäulensegmente und das Wirbelsäulengestell aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und die Wirbelnachbildung eine höhere Materialdichte als das Wirbelsäulengestell hat. Die unterschiedlichen Materialdichten können auch in diesem Fall besonders gut in einem additiven Fertigungsverfahren erreicht werden. In einer radiologischen Aufnahme könnte auf diese Weise erreicht werden, dass das Wirbelsäulengestell nicht oder nur kaum erkennbar ist. Hingegen könnten die Wirbelnachbildungen, die Knochengewebe repräsentieren, vergleichsweise gut in der radiologischen Aufnahme sichtbar sein. Es kann vorteilhaft sein, wenn die Materialdichte der Wirbelnachbildung mindestens um einen Faktor 2 insbesondere um einen Faktor zwischen 2 und 8 oder mehr höher ist, als die Materialdichte des Wirbelsäulengestells oder auch anderen Strukturen des Phantoms, die kein Knochengewebe repräsentieren. Alternatively or additionally, it can be provided that a vertebra replica of a spinal segment of the number of spinal segments and the spinal frame are made of the same material or of different materials and the vertebra replica has a higher material density than the spinal frame. In this case, too, the different material densities can be achieved particularly well using an additive manufacturing process. In this way, it could be achieved in a radiological image that the spinal structure is not or only barely visible. On the other hand, the vertebral replicas, which represent bone tissue, could be visible comparatively well in the radiological image. It can be advantageous if the material density of the vertebra replica is at least a factor of 2, in particular a factor between 2 and 8 or more, higher than the material density of the spinal frame or other structures of the phantom that do not represent bone tissue.
Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung des vorstehend beschriebenen Phantoms zum Erzeugen einer auf der Oberflächenvermessung basierenden Aufnahme, z.B. einer Rasterstereografie-Aufnahme oder einer Tiefenkamera-Aufnahme, und/oder einer Röntgenaufnahme und/oder einer computertomographischen Aufnahme. Insbesondere kann das zuvor beschriebene Phantom dazu verwendet werden, gleichzeitig eine Rasterstereografie-Aufnahme und eine Röntgenaufnahme zu erzeugen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass die Rasterstereografie-Aufnahme und die radiologische Aufnahme unter einer veränderten Körperhaltung aufgenommen werden. Zudem ermöglicht das Phantom eine systematische Erzeugung von vordefinierten Wirbelsäulenprofilen und Beckenausrichtungen sowohl für die Radiologie als auch für Verfahren, die auf der Oberflächenvermessung basieren, wie die Rasterstereographie. The invention also relates to a use of the phantom described above for generating an image based on the surface measurement, for example a raster stereography image or a depth camera image, and/or an X-ray image and/or a computed tomography image. In particular, the previously described phantom can be used to simultaneously generate a raster stereographic image and an X-ray image. In this way, it can be avoided that the raster stereographic image and the radiological image are recorded under a changed posture. In addition, the phantom enables systematic generation of predefined spinal profiles and pelvic alignments for both radiology and surface measurement-based procedures such as raster stereography.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Phantoms eines menschlichen Körperteils, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: The invention also relates to a method for producing a phantom of a human body part, the method comprising the steps:
- computerimplementiertes Bereitstellen eines Wirbelsäulenmodells einer menschlichen Wirbelsäule, wobei das Wirbelsäulenmodell eine Anzahl Wirbelsäulensegmente aufweist, und ein Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente ein Wirbelbefestigungselement und ein an dem Wirbelbefestigungselement angeordnetes Körperteilelement aufweist, - computerimplementiertes Bereitstellen eines an das Wirbelsäulenmodell angepasstes Wirbelsäulengestellmodell, aufweisend eine Anzahl Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen, die zur lösbaren Verbindung mit einem Wirbelbefestigungselement eines Wirbelsäulensegments vorgesehen sind, - computer-implemented provision of a spine model of a human spine, wherein the spine model has a number of spine segments, and a spine segment of the number of spine segments has a vertebral fastening element and a body part element arranged on the vertebral fastening element, - computer-implemented provision of a spinal frame model adapted to the spinal model, comprising a number of spinal segment holding structures which are intended for releasable connection to a vertebral fastening element of a spinal segment,
- Vorgeben eines Wirbelsäulenprofils und Ausrichten der Körperteilelemente der Anzahl Wirbelsäulensegmente des Wirbelsäulenmodells gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil, - Specifying a spine profile and aligning the body part elements of the number of spine segments of the spine model according to the specified spine profile,
- computerimplementiertes Anpassen des Wirbelsäulengestellmodells an das gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ausgerichteten Wirbelsäulenmodells, derart, dass die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen eine Position und Orientierung des Körperteilelements relativ zu dem Wirbelsäulengestellmodell definieren, so dass die Körperteilelemente gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil an dem Wirbelsäulengestellmodell ausgerichtet werden können, - computer-implemented adjustment of the spine frame model to the spine model aligned according to the predetermined spine profile, such that the spine segment holding structures define a position and orientation of the body part element relative to the spine frame model, so that the body part elements can be aligned on the spine frame model according to the predetermined spine profile,
- Herstellen eines physischen Wirbelsäulengestells auf Basis des an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepassten Wirbelsäulengestellmodells, und - Producing a physical spine frame based on the spine frame model adapted to the specified spine profile, and
- Verbinden einer Anzahl hergestellter physischer Wirbelsäulensegmente mit den Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells. - Connecting a number of fabricated physical spinal segments to the spinal segment support structures of the spinal frame.
Mit dem Verfahren kann insbesondere das vorstehend beschriebene Phantom hergestellt werden. In particular, the method described above can be used to produce the phantom.
In dem Verfahren ist es bevorzugt, dass das Körperteilelement eines Wirbelsäulensegments eine Wirbelnachbildung eines Wirbels der menschlichen Wirbelsäule und/oder eine Hautstützstruktur, die eine Lage einer Hautoberfläche vorgibt, aufweist, und das Ausrichten der Wirbelsäulensegmente des Wirbelsäulenmodells gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil die weiteren Schritte umfasst: In the method, it is preferred that the body part element of a spinal segment has a vertebra replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a position of a skin surface, and the alignment of the spinal segments of the spinal model according to the predetermined spinal profile comprises the further steps:
- computerimplementiertes Vorgeben eines Wirbelsäulenparameters für wenigstens eine Wirbelnachbildung des Wirbelsäulenmodells entsprechend einem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil, und - computerimplementiertes Anpassen des Wirbelsäulenmodells an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil unter Verwendung des vorgegebenen Wirbelsäulenparameters, so dass die Wirbelnachbildungen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wirbelsäulensegmente wenigstens einen Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule mit dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nachbilden, und/oder die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells so angeordnet und ausgebildet sind, dass die Hautstützstrukturen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wirbelsäulensegmente eine an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasste Lage einer Hautoberfläche nachbilden. - computer-implemented specification of a spine parameter for at least one vertebra replica of the spine model according to a predetermined spine profile, and - computer-implemented adaptation of the spine model to the predetermined spine profile using the predetermined spine parameter, so that the vertebral replicas of the spine segments connected to the spine frame reproduce at least a section of the human spine with the predetermined spine profile, and / or the spine segment holding structures of the spine frame are arranged and designed in such a way, that the skin support structures of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce a position of a skin surface that is adapted to the specified spinal profile.
Das Wirbelsäulenmodell kann beispielsweise ein Computer-Aided Design (CAD)-Modell der menschlichen Wirbelsäule sein, wobei die Wirbelsäule aus Wirbelsäulensegmenten besteht, die jeweils eine Wirbelnachbildung, ein Wirbelbefestigungselement und/oder eine Hautstützstruktur aufweisen können. Die durch das Wirbelsäulenmodell dargestellte Wirbelsäule kann durch Vorgeben eines Wirbelsäulenparameters wie z.B. eine laterale Wirbelneigung, eine sagittale Wirbelneigung, eine laterale Seitabweichung, eine sagittale Seitabweichung, eine Wirbelrotation, und/oder eine Wirbelhöhe an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil angepasst werden. Dadurch kann festgelegt werden, ob das Wirbelsäulenmodell eine physiologische Wirbelsäule oder eine Wirbelsäule gemäß einem Krankheitsbild, z.B. eine skoliotische Wirbelsäule darstellen soll. Das Wirbelsäulengestellmodell wird dann an das Wirbelsäulenmodell angepasst, so dass das Wirbelsäulengestellmodell ausgebildet ist ein Wirbelsäulenmodell gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil auszurichten. Das Wirbelsäulengestellmodell wird dabei derart verformt, dass die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen so ausgerichtet sind, dass, wenn diese mit Wirbelsäulensegmenten verbunden werden, die Wirbelsäulensegmente gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ausgerichtet sind. The spine model can be, for example, a computer-aided design (CAD) model of the human spine, wherein the spine consists of spine segments, each of which can have a vertebra replica, a vertebra fastening element and/or a skin support structure. The spine represented by the spine model can be adapted to a predetermined spine profile by specifying a spine parameter such as a lateral vertebral inclination, a sagittal vertebral inclination, a lateral lateral deviation, a sagittal lateral deviation, a vertebral rotation, and/or a vertebral height. This makes it possible to determine whether the spine model should represent a physiological spine or a spine based on a clinical picture, e.g. a scoliotic spine. The spine frame model is then adapted to the spine model, so that the spine frame model is designed to align a spine model according to the predetermined spine profile. The spine frame model is deformed in such a way that the spine segment holding structures are aligned such that when they are connected to spine segments, the spine segments are aligned according to the predetermined spine profile.
Anschließend wird ein physisches Wirbelsäulengestell auf Basis des an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepassten Wirbelsäulengestellmodells hergestellt und die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells mit Wirbelsäulensegmenten verbunden. Dadurch bilden die Wirbelsäulensegmente einen Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule mit dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nach. Außerdem geben die Hautstützstrukturen eine an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasste Lage einer Hautoberfläche relativ zu der Wirbelnachbildung des jeweiligen Wirbelsäulensegments vor. Unter den vorstehend definierten Verfahrensschritten können folgende Abläufe zusammengefasst sein: A physical spine frame is then manufactured based on the spine frame model adapted to the specified spine profile and the spine segment support structures of the spine frame are connected to spine segments. The spinal segments thereby reproduce a section of the human spine with the specified spinal profile. In addition, the skin support structures specify a position of a skin surface relative to the vertebral replica of the respective spinal segment that is adapted to the given spinal profile. The following processes can be summarized under the process steps defined above:
Das Wirbelsäulenprofil und/oder eine Beckenstellung kann durch eine computerimplementierte Definition von Wirbelsäulenparametern und/oder Beckenparametern angepasst werden. Dadurch kann festgelegt werden, ob das Wirbelsäulenmodell eine physiologische Wirbelsäule oder eine Wirbelsäule gemäß einem Krankheitsbild, z.B. eine skolioti- sche Wirbelsäule darstellen soll. Als Wirbelsäulenparameter werden vorzugsweise die laterale und sagittale Wirbelneigung, die Wirbelrotation und die laterale und sagittale Wirbelabweichung sowie die vertikale Wirbelhöhe gewählt. Die Implementation kann beispielsweise anhand eines lokalen Wirbelkoordinatensystems erfolgen. Die Beckenausrichtung erfolgt vorzugsweise anhand eines lokalen Beckenkoordinatensystems, mittels dem die definierte Beckenausrichtung im physischen Phantom umgesetzt werden. Als positionsunabhängiger Beckenparameter wird vorzugweise der Inzidenzwinkel und als positionsabhängige Beckenparameter werden vorzugsweise die sagittale Beckenneigung, der Beckenhochstand, die laterale Beckenabweichung, die sagittale Beckenabweichung, die transversale Beckenabweichung und die Beckenrotation gewählt. The spinal profile and/or a pelvic position can be adjusted through a computer-implemented definition of spinal parameters and/or pelvic parameters. This makes it possible to determine whether the spine model should represent a physiological spine or a spine based on a clinical picture, e.g. a scoliotic spine. The preferred spinal parameters chosen are the lateral and sagittal vertebral inclination, the vertebral rotation and the lateral and sagittal vertebral deviation as well as the vertical vertebral height. The implementation can be carried out, for example, using a local vortex coordinate system. The pelvic alignment is preferably carried out using a local pelvic coordinate system, by means of which the defined pelvic alignment is implemented in the physical phantom. The incidence angle is preferably selected as the position-independent pelvic parameter and the sagittal pelvic inclination, the pelvic elevation, the lateral pelvic deviation, the sagittal pelvic deviation, the transverse pelvic deviation and the pelvic rotation are preferably selected as the position-dependent pelvic parameters.
Das Verfahren kann ein computerimplementiertes Bereitstellen von Wirbelsäulensegment-Fertigungsdateien umfassen. Als Wirbelsäulensegment-Fertigungsdatei gelten sowohl die Modell-Dateien der Wirbelnachbildungen als auch die Modell-Dateien der Wirbelbefestigungen (ggf. mit Hautstützstruktur). Die Wirbelsäulensegment- Fertigungsdateien dienen der vorzugsweise additiven Fertigung der Bauteile des Wirbelsäulensegmentes. The method may include computer-implemented provision of spinal segment manufacturing files. The model files of the vertebral replicas as well as the model files of the vertebral attachments (if necessary with a skin support structure) are considered to be the spinal segment production file. The spinal segment manufacturing files are used for the preferably additive manufacturing of the components of the spinal segment.
Das Verfahren kann ein computerimplementiertes Bereitstellen von Beckensegment- Fertigungsdateien umfassen. Als Beckensegment-Fertigungsdatei gelten sowohl die Modell-Datei der Beckennachbildung als auch die Modell-Dateien der Beckenbefestigungen, optional mit Gesäßformstruktur. Die Beckensegment-Fertigungsdateien dienen der vorzugsweise additiven Fertigung der Bauteile des Beckensegmentes. The method may include computer-implemented provision of pelvic segment manufacturing files. Both the model file of the pelvis replica and the model files of the pelvic attachments, optionally with a buttock shape structure, are considered to be the pelvic segment production file. The pelvic segment manufacturing files are used for the preferably additive manufacturing of the pelvic segment components.
Das computerimplementierte Bereitstellen eines Wirbelsäulenmodells kann beispielsweise als Computer-Aided Design (CAD)-Modell erfolgen, wobei die Wirbelsäule aus Wirbelsäulensegmenten besteht, die jeweils eine Wirbelnachbildung und ein Wirbelbefesti- gungselement optional mit Hautstützstruktur aufweisen. Außerdem kann in das Wirbelsäulenmodell ein Beckensegment integriert sein, das aus einem Beckenelement und Beckenbefestigungselementen, optional mit Gesäßformstruktur, besteht. Die Anzahl Wirbelsäulensegmente sowie das Beckensegment des Wirbelsäulenmodells können über die jeweiligen Wirbel- bzw. Beckenbefestigungselemente mit dem Wirbelsäulengestell verbunden sein, wodurch die definierte Position der Wirbelnachbildungen sowie der Beckennachbildung sichergestellt werden kann. The computer-implemented provision of a spine model can be done, for example, as a computer-aided design (CAD) model, where the spine consists of spine segments, each of which has a vertebra replica and a vertebra fastening element, optionally with a skin support structure. In addition, a pelvic segment can be integrated into the spine model, which consists of a pelvic element and pelvic fastening elements, optionally with a buttock shape structure. The number Spinal segments and the pelvic segment of the spinal model can be connected to the spinal frame via the respective vertebral or pelvic fastening elements, whereby the defined position of the vertebral replicas and the pelvic replica can be ensured.
Die Anzahl Wirbelsäulensegmente repräsentiert dabei bevorzugt wenigstens einen Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule. Für eine Nutzung bei Messmethoden wie der Rasterstereographie, die auf der Oberflächenvermessung basieren, ist es bevorzugt, wenn wenigstens eines der Wirbelsäulensegmente eine Hautstützstruktur aufweist, welche die Lage der Hautoberfläche beispielsweise relativ zu der Wirbelnachbildung des jeweiligen Wirbelsäulensegments gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil definiert. The number of spine segments preferably represents at least one section of the human spine. For use in measurement methods such as raster stereography, which are based on surface measurement, it is preferred if at least one of the spinal segments has a skin support structure, which defines the position of the skin surface, for example, relative to the vertebral replica of the respective spinal segment according to the predetermined spinal profile.
Nach Vorgabe des Wirbelsäulenprofils sowie der Beckenausrichtung erfolgt vorzugsweise die computerimplementierte Anpassung des Wirbelsäulenmodells. Die gewählten Werte für die Wirbelsäulen- und Beckenparameter können automatisch im Wirbelsäulenmodell übernommen und die entsprechende Ausrichtung der einzelnen Modellkomponenten, z.B. der Wirbelnachbildungen und/oder der Hautstützstrukturen, zueinander angepasst werden. After specifying the spine profile and the pelvic alignment, the computer-implemented adjustment of the spine model is preferably carried out. The selected values for the spine and pelvis parameters can be automatically adopted in the spine model and the corresponding alignment of the individual model components, e.g. the vertebral replicas and/or the skin support structures, can be adjusted to one another.
Basierend auf dem angepassten Wirbelsäulenmodell erfolgt bevorzugt anschließend das computerimplementierte Anpassen des Wirbelsäulengestellmodells. Nach der automatisierten Anpassung ist das Wirbelsäulengestellmodell vorzugsweise derart geformt und die integrierten Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen und Beckenadapter derart ausgeprägt, dass die Wirbelnachbildungen bzw. das Beckenelement mit dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil bzw. der Beckenausrichtung positioniert sind. Das Modell dieses Wirbelsäulengestells kann in einer computergenerierten Wirbelsäulengestell- Fertigungsdatei gespeichert werden und dient der vorzugsweise additiven Fertigung eines physischen Wirbelsäulengestells. Based on the adapted spine model, the computer-implemented adjustment of the spine frame model is then preferably carried out. After the automated adjustment, the spinal frame model is preferably shaped in such a way and the integrated spinal segment holding structures and pelvic adapters are pronounced in such a way that the vertebral replicas or the pelvic element are positioned with the predetermined spinal profile or pelvic alignment. The model of this spinal frame can be saved in a computer-generated spinal frame manufacturing file and is used for the preferably additive manufacturing of a physical spinal frame.
Im Gegensatz zum physischen Wirbelsäulengestell ist es in der Regel ausreichend, wenn die Wirbelnachbildungen, die Wirbelbefestigungselemente, das Beckenelement und die Beckenbefestigungselemente einmalig hergestellt werden. Aufgrund der modularen Bauweise des Phantoms können diese Bauteile bei veränderten Wirbelsäulenprofilen oder Beckenausrichtungen wiederverwendet und am pathologiespezifischen Wirbelsäulengestell ausgerichtet werden. Die Fertigung einer Anzahl von Wirbelnachbildungen sowie die Fertigung einer Anzahl von Wirbelbefestigungselementen kann auf Basis der jeweiligen Wirbelsäulensegment-Fertigungsdatei vorzugsweise mittels additiver Ferti- gungsverfahren erfolgen. Ebenso kann die Fertigung des Beckenelements sowie die Fertigung einer Anzahl Beckenbefestigungselemente auf Basis der jeweiligen Beckensegment-Fertigungsdatei ebenfalls vorzugsweise mittels additiver Fertigungsverfahren erfolgen. In contrast to the physical spine frame, it is usually sufficient if the vertebral replicas, the vertebral fastening elements, the pelvic element and the pelvic fastening elements are manufactured once. Due to the modular design of the phantom, these components can be reused and aligned to the pathology-specific spine frame if the spinal profile or pelvic alignment changes. The production of a number of vertebral replicas as well as the production of a number of vertebral fastening elements can be based on the respective spinal segment production file, preferably using additive manufacturing. treatment procedure takes place. Likewise, the production of the pelvic element and the production of a number of pelvic fastening elements based on the respective pelvic segment production file can also preferably be carried out using additive manufacturing processes.
Nach der Fertigung der einzelnen Bestandteile des Phantoms kann die modulare Montage der Wirbelsäulensegmente und optional des Beckenelements am Wirbelsäulengestell erfolgen. Über die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells kann eine Anzahl Wirbelsäulensegmente ausgerichtet und lösbar verbunden werden. Zudem kann optional das Beckenelement lösbar mit dem Wirbelsäulengestell verbunden werden. Optional ist zudem die Einbringung von Hautstützstrukturen, welche die angepasste Lage einer Hautoberfläche relativ zum Wirbelsäulengestell vorgeben. Wiederum optional können Gesäßformstrukturen verwendet werden, die eine angepasste Lage einer Gesäßoberfläche relativ zum Beckenelement vorgeben. Der Verbund aus Wirbelsäulengestell, Wirbelsäulensegmenten, optional mit Hautstützstrukturen, und optional einem Beckenelement, optional mit Gesäßformstrukturen, kann somit wenigstens einen Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule und optional des Beckens mit einem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil und optional vorgegebener Beckenausrichtung darstellen. After the individual components of the phantom have been manufactured, the modular assembly of the spinal segments and optionally the pelvic element can be carried out on the spinal frame. A number of spinal segments can be aligned and releasably connected via the spinal segment holding structures of the spinal frame. In addition, the pelvic element can optionally be detachably connected to the spine frame. The introduction of skin support structures, which specify the adapted position of a skin surface relative to the spinal frame, is also optional. Again optionally, buttock shape structures can be used, which specify an adapted position of a buttock surface relative to the pelvic element. The composite of spine frame, spine segments, optionally with skin support structures, and optionally a pelvic element, optionally with buttock molding structures, can thus represent at least a section of the human spine and optionally of the pelvis with a predetermined spine profile and optionally predetermined pelvic alignment.
Die Wirbelsäulensegmente können mit einer Vielzahl unterschiedlicher Wirbelsäulengestelle verbunden werden, die jeweils an ein unterschiedliches vorgegebenes Wirbelsäulenprofil angepasst sind. Es reicht also aus, wenn die Wirbelsäulensegmente nur einmal hergestellt werden. Für jeweils unterschiedliche vorgegebene Wirbelsäulenprofile kann dann jeweils ein Wirbelsäulengestell individuell hergestellt werden. Die Wirbelsäulensegmente können dann je nach Anwendung mit einem unterschiedlichen der Wirbelsäulengestelle verbunden werden, um ein bestimmtes der vorgegebenen Wirbelsäulenprofile nachzubilden. Das nach dem Verfahren hergestellte Phantom hat also einen modularen Aufbau, der es erlaubt Material zu sparen, da nur die Wirbelsäulengestelle mehrfach hergestellt zu werden brauchen. Durch Umstecken der Wirbelsäulensegmente von einem Wirbelsäulengestell auf ein anderes Wirbelsäulengestell kann so auch vergleichsweise unkompliziert von einem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil zu einem anderen gewechselt werden. Das nach dem Verfahren hergestellte Phantom kann somit vielseitig eingesetzt werden und ist, wenn die Austauschbarkeit der Wirbelsäulengestelle mit einbezogen wird, nicht auf ein bestimmtes Wirbelsäulenprofil festgelegt. The spinal segments can be connected to a variety of different spinal frames, each of which is adapted to a different predetermined spinal profile. It is therefore sufficient if the spinal segments are only produced once. A spine frame can then be manufactured individually for each different predetermined spine profile. Depending on the application, the spinal segments can then be connected to a different spinal frame in order to replicate a specific one of the predetermined spinal profiles. The phantom produced using this process has a modular structure, which allows material to be saved because only the spinal frames need to be manufactured several times. By repositioning the spine segments from one spine frame to another spine frame, it is also possible to change from one given spine profile to another in a relatively simple manner. The phantom produced using this method can therefore be used in a variety of ways and, if the interchangeability of the spinal frames is taken into account, it is not limited to a specific spinal profile.
Zum Herstellen des Wirbelsäulengestells und/oder der Anzahl Wirbelsäulensegmente und optional des Beckenelements kann besonders vorteilhaft ein additives Fertigungsver- fahren verwendet werden. Die Fertigungsdaten des Wirbelsäulengestells und, falls gewünscht, die Daten der Wirbelsäulensegmente und des Beckenelements, können dabei als Eingangsdaten für eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, wie z.B. dem Fused Deposition Modeling (FDM)-Verfahren, verwendet werden. Anhand des generierten Wirbelsäulengestellmodells, welches auf den vorgegebenen Wirbelsäulen- und Beckenparametern beruht, ließe sich zum Beispiel eine typische skoliotische Wirbelsäulendeformation mit vergleichsweise hoher Genauigkeit und vergleichsweise geringen Kosten in ein entsprechend deformiertes physisches Wirbelsäulengestell übersetzen. Ein additives Fertigungsverfahren ist auch deshalb besonders gut geeignet, da sich die einzelnen Komponenten des Phantoms mit unterschiedlichen Dichten herstellen lassen, und auf diese Weise die radiologische Sichtbarkeit verschiedener Strukturen simuliert werden kann. To produce the spinal frame and/or the number of spinal segments and optionally the pelvic element, an additive manufacturing process can be particularly advantageous. driving can be used. The manufacturing data of the spinal frame and, if desired, the data of the spinal segments and the pelvic element can be used as input data for a device for additive manufacturing, such as the fused deposition modeling (FDM) method. Using the generated spinal frame model, which is based on the specified spinal and pelvic parameters, a typical scoliotic spinal deformation could, for example, be translated into a correspondingly deformed physical spinal frame with comparatively high accuracy and comparatively low costs. An additive manufacturing process is also particularly suitable because the individual components of the phantom can be manufactured with different densities, and in this way the radiological visibility of different structures can be simulated.
Als Rohmaterial zur additiven Fertigung kann z.B. ein Filament aus Polylactid (PLA) verwendet werden. Auch eine Fertigung aus Metall oder Gips (im 3D-Druck) wäre denkbar. Die Sichtbarkeit in einer Röntgenaufnahme kann auch über die Fülldichte der Bauteile bestimmt werden. Die Nachbildungen der Wirbel, des Steißbeins sowie der Beckenpfannen, können beispielsweise mit einer Fülldichte von 100% gedruckt werden. Die additive Fertigung der restlichen Bauteile, kann hingegen mit einer Fülldichte von beispielsweise 15% erfolgen. A filament made of polylactide (PLA), for example, can be used as a raw material for additive manufacturing. Production from metal or plaster (using 3D printing) would also be conceivable. The visibility in an X-ray can also be determined by the filling density of the components. The replicas of the vertebrae, the coccyx and the pelvic sockets can, for example, be printed with a fill density of 100%. The additive manufacturing of the remaining components, however, can be carried out with a filling density of, for example, 15%.
Optional kann das Verfahren den Schritt aufweisen: Optionally, the method may include the step:
- Herstellen einer Anzahl physischer Wirbelsäulensegmente auf Basis des Wirbelsäulenmodells einer menschlichen Wirbelsäule. - Creating a number of physical spinal segments based on the spinal model of a human spine.
Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von den Figuren zeigt: The invention will now be explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the figures. Of the figures shows:
Fig. 1 : eine graphische Darstellung von Computermodellen eines Wirbelsäulenmodells, eines Wirbelsäulengestellmodells und eines Phantommodells; 1: a graphical representation of computer models of a spine model, a spine frame model and a phantom model;
Fig. 2: eine Abfolge der Schritte für die Herstellung eines Wirbelsäulengestells für ein Phantom mit einem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil; Fig. 2: a sequence of steps for producing a spinal frame for a phantom with a given spinal profile;
Fig. 3: beispielhaft eine Anzahl Wirbelnachbildungen und deren Ausrichtung in einem Wirbelkoordinatensystem; Fig. 4: beispielhaft die Ausrichtung eines Beckenmodells in einem Becken-Fig. 3: an example of a number of vertebral replicas and their alignment in a vertebral coordinate system; Fig. 4: an example of the orientation of a pool model in a pool
Koordinatensystem; coordinate system;
Fig. 5: beispielhaft ein Modell eines lumbalen Wirbelsäulensegments; Fig. 5: an example of a model of a lumbar spine segment;
Fig. 6: beispielhaft drei pathologiespezifische Wirbelsäulengestellmodelle; Fig. 6: three pathology-specific spinal frame models as an example;
Fig. 7: eine Übersicht additiv gefertigter Bauteile eines Phantoms; Fig. 7: an overview of additively manufactured components of a phantom;
Fig. 8: beispielhaft einige Zwischenschritte bei der Montage eines Phantoms; Fig. 8: some examples of intermediate steps in assembling a phantom;
Fig. 9: drei unterschiedliche Phantom für jeweils unterschiedliche Wirbelsäulenprofile; Fig. 9: three different phantoms for different spine profiles;
Fig. 10: mehrere radiologische Aufnahmen des Phantoms B aus Figur 9; Fig. 10: several radiological images of the phantom B from Figure 9;
Fig. 11 : eine Darstellung von mittels Rasterstereographie erfassten Krümmungsprofile der Phantome A, B und C aus der Figur 9; 11: a representation of curvature profiles of the phantoms A, B and C from FIG. 9 recorded using raster stereography;
Fig. 12: eine rasterstereographische Rekonstruktion der Hautoberfläche und der Wirbelsäule jedes vermessenen Wirbelsäulenprofiles der Phantome A, B und C aus Figur 11 ; Fig. 12: a raster stereographic reconstruction of the skin surface and the spine of each measured spine profile of the phantoms A, B and C from Figure 11;
Figur 1 zeigt eine graphische Darstellung von Computermodellen a) eines Wirbelsäulen- Becken-Modells 100, b) eines Wirbelsäulengestellmodells 102 und c) und d) eines Phantommodells 104. Das Wirbelsäulen-Becken-Modell 100 weist Wirbelnachbildungen 106 auf, die eine menschliche Wirbelsäule nachbilden. Das Wirbelsäulen-Becken-Modell 100 weist weiterhin ein Beckenelement 108 auf, das ein menschliches Becken nachbildet. Zur Erzeugung realitätsgetreuer Volumenmodelle der Wirbelnachbildungen 106 kann die Methodik der 3D-Digitalisierung angewendet werden. Alternativ könnte das Wirbelsäulen- Becken-Modell auf Basis von CT-Daten erstellt werden. Dies hätte den Vorteil, dass eine patientenindividuelle Anpassung der Wirbelnachbildungen bzw. Beckennachbildung möglich ist. Figure 1 shows a graphical representation of computer models a) a spine-pelvis model 100, b) a spine frame model 102 and c) and d) a phantom model 104. The spine-pelvis model 100 has vertebrae replicas 106 that replicate a human spine . The spine-pelvis model 100 also has a pelvic element 108 that replicates a human pelvis. The 3D digitization methodology can be used to generate realistic volume models of the vertebral replicas 106. Alternatively, the spine-pelvis model could be created based on CT data. This would have the advantage that patient-specific adjustment of the vertebral replicas or pelvic replicas is possible.
Der Aufbau der Wirbelsäule des Wirbelsäulen-Becken-Modells 100 erfolgt vorzugsweise durch die Orientierung der einzelnen Wirbelnachbildungen 106 zueinander, vorzugsweise anhand von lokalen Wirbelkoordinatensystemen. Insbesondere kann jede Wirbelnachbil- dung 106 individuell anhand von sechs Wirbelparametern: Wirbelneigung lateral, Wirbelneigung sagittal, Wirbelrotation, Wirbelhöhe, sagittale Abweichung des Wirbels von der Schwerelinie und laterale Abweichung des Wirbels von der Schwerelinie ausgerichtet werden. The structure of the spine of the spine-pelvis model 100 is preferably carried out by orienting the individual vertebral replicas 106 to one another, preferably using local vertebral coordinate systems. In particular, any vertebral replica can dung 106 can be individually aligned based on six vertebral parameters: lateral vertebral inclination, sagittal vertebral inclination, vertebral rotation, vertebral height, sagittal deviation of the vertebra from the line of gravity and lateral deviation of the vertebra from the line of gravity.
Das Wirbelsäulen-Becken-Modell 100 weist weiterhin eine Beckenelement 108 auf, die anhand der positionsunabhängigen und positionsabhängigen Beckenparameter: Inzi- denzwinkel, Beckenhochstand, sagittale Beckenneigung, Beckenrotation, sagittale Beckenabweichung, transversale Beckenabweichung und laterale Beckenabweichung ausgerichtet werden kann. Die skelettale Struktur der Wirbelsäule sowie des Beckens ist somit parametrisiert. Eine Einstellung verschiedenster Wirbelsäulenprofile mit unterschiedlicher Beckenausrichtungen ist somit möglich. Die Parametrisierung der skelettalen Struktur ermöglicht zudem, dass das eingestellte Wirbelsäulenprofil und die eingestellte Beckenausrichtung automatisch im Wirbelsäulen-Becken-Modell 100 sowie im Phantommodell 104 übernommen werden. The spine-pelvis model 100 further has a pelvic element 108, which can be aligned based on the position-independent and position-dependent pelvic parameters: incidence angle, pelvic elevation, sagittal pelvic inclination, pelvic rotation, sagittal pelvic deviation, transverse pelvic deviation and lateral pelvic deviation. The skeletal structure of the spine and pelvis is thus parameterized. It is therefore possible to adjust a wide range of spinal profiles with different pelvic alignments. The parameterization of the skeletal structure also enables the set spine profile and the set pelvic alignment to be automatically adopted in the spine-pelvis model 100 and the phantom model 104.
Wie in Figur 1 b) gezeigt, ist das Wirbelsäulen-Becken-Modell 100 über Wirbelbefestigungselemente 110 mit dem Wirbelsäulengestellmodell 102 verbunden. Die Verbindung erfolgt über spezielle Wirbelsäulensegment-Haltestrukturen (siehe Figur 2, Bezugszeichen 206) des Wirbelsäulengestellmodells 102. Das Wirbelsäulengestellmodell 102 sowie dessen Wirbelsäulensegmenthaltstrukturen sind dabei an das zuvor eingestellte Wirbelsäulenprofil angepasst. As shown in Figure 1 b), the spine-pelvis model 100 is connected to the spine frame model 102 via vertebral fastening elements 110. The connection is made via special spinal segment holding structures (see FIG. 2, reference numeral 206) of the spinal frame model 102. The spinal frame model 102 and its spinal segment holding structures are adapted to the previously set spinal profile.
Ist eine Darstellung der Rückentopografie gewünscht, etwa um Rasterstereographieauf- nahmen zu erzeugen, wird die Hautoberfläche auf Höhe jeder Wirbelnachbildung approximiert. Dafür weist das Phantommodell 104 Hautstützstrukturen 112 auf, die der Befestigung eines Hautüberzugs dienen, welcher die Hautoberfläche relativ zur Wirbelnachbildung simuliert. Der Verbund aus Wirbelnachbildung 106, Hautstützstrukturen 112 und Wirbelbefestigungselement 110 bildet ein Wirbelsäulensegment. Alternativ könnte ein Wirbelsäulensegment des Phantoms auch entweder eine Wirbelnachbildung oder eine Hautstützstruktur aufweisen. Wenn ein Wirbelsäulensegment des Phantoms eine Wirbelnachbildung aber keine Hautstützstruktur aufweist, eignet sich das Phantom insbesondere für die Erzeugung radioalogischer Aufnahmen der Nachbildung der Wirbelsäule. Wenn ein Wirbelsäulensegment des Phantoms jedoch eine Hautstützstruktur aber keine Wirbelnachbildung aufweist, eignet sich das Phantom insbesondere für die Erzeugung von auf Oberflächenvermessung basierenden Aufnahmen wie rasterstereographischen Aufnahmen des Rückens des Phantoms. Analog bilden das Beckenelement 108 und die Gesäßformstrukturen 116 im Bereich des Gesäßes einen als Beckensegment bezeichneten Verbund. Im Computermodell erfolgt eine Anpassung der Hautoberfläche an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil automatisch, da eine direkte Verbindung zur darunterliegenden parametrisierten Skelettstruktur besteht. If a representation of the back topography is desired, for example to create raster stereography images, the skin surface is approximated at the level of each vertebra replica. For this purpose, the phantom model 104 has skin support structures 112, which serve to attach a skin cover that simulates the skin surface relative to the vertebra replica. The composite of vertebral replica 106, skin support structures 112 and vertebral fastening element 110 forms a spinal segment. Alternatively, a spinal segment of the phantom could also have either a replica vertebra or a skin support structure. If a spinal segment of the phantom has a vertebral replica but no skin support structure, the phantom is particularly suitable for producing radiological images of the replica of the spine. However, if a spinal segment of the phantom has a skin support structure but no vertebral replica, the phantom is particularly suitable for generating images based on surface measurements such as raster stereographic images of the phantom's back. Analogously, the pelvic element 108 and the buttock mold structures 116 form a composite called a pelvic segment in the area of the buttocks. In the computer model, the skin surface is automatically adapted to a given spinal profile because there is a direct connection to the underlying parameterized skeletal structure.
Das Wirbelsäulenprofil ist durch die Orientierung und Position jedes einzelnen Wirbels veränderbar. Die Beckenausrichtung lässt sich durch Variation der Beckenparameter einstellen. Das Wirbelsäulen-Becken-Modell 100 und das darauf aufbauende Phantommodell 104 können Änderungen aufgrund einer entsprechenden Parametrisierung automatisch übernehmen. Zur Anpassung des physischen Phantoms an ein verändertes Wirbelsäulenprofil und/oder Beckenausrichtung ist nur die erneute Fertigung des Wirbelsäulengestells nötig. Die Wirbelsäulensegmente sowie das Beckenelement sind aufgrund des modularen Aufbaus des physischen Phantoms wiederverwendbar. Dies ermöglicht eine vergleichsweise kostengünstige Fertigung bei gleichzeitiger hoher Variabilität des Wirbelsäulenprofils und der Beckenausrichtung. The spinal profile can be changed by the orientation and position of each individual vertebra. The pool alignment can be adjusted by varying the pool parameters. The spine-pelvis model 100 and the phantom model 104 based on it can automatically adopt changes based on appropriate parameterization. To adapt the physical phantom to a changed spinal profile and/or pelvic alignment, all that is necessary is to re-manufacture the spinal frame. The spinal segments and the pelvic element are reusable due to the modular structure of the physical phantom. This enables comparatively cost-effective production while at the same time offering a high degree of variability in the spine profile and pelvic alignment.
Das physische Phantom weist somit dasselbe definierte Wirbelsäulenprofil und Beckenausrichtung wie das computergenerierte Wirbelsäulen-Becken-Modell 100 und das darauf aufbauende computergenerierte Phantommodell 104 auf. The physical phantom thus has the same defined spine profile and pelvic alignment as the computer-generated spine-pelvis model 100 and the computer-generated phantom model 104 based on it.
Die Fertigung des Wirbelsäulengestells erfolgt anhand von automatisch generierten Fertigungs-Dateien auf Basis des angepassten Wirbelsäulengestellmodells 102. In das Wirbelsäulengestell sind Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen (siehe Figur 2, Bezugszeichen 206) integriert, deren Orientierung sich dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil automatisch anpasst. Die Ausrichtung aller Wirbelsäulensegmente erfolgt vorzugsweise als Steckverbindungen zwischen dessen Wirbelbefestigungselement und der entsprechenden Wirbelsäulensegmenthaltestruktur des Wirbelsäulengestells 102. Die Ausrichtung des Beckens sowie der Gesäßoberfläche wird bevorzugt ebenfalls über entsprechend ausgebildete Beckenbefestigungselemente realisiert. Zudem kann die Orientierung der Schultern 114 beispielsweise basierend auf statistischen Angaben beispielsweise manuell vorzugsweise am sechsten Wirbelsäulensegment erfolgen. The spine frame is manufactured using automatically generated manufacturing files based on the adapted spine frame model 102. Spinal segment holding structures (see FIG. 2, reference numeral 206) are integrated into the spine frame, the orientation of which automatically adapts to the specified spine profile. The alignment of all spinal segments is preferably carried out as plug connections between its vertebral fastening element and the corresponding spinal segment holding structure of the spinal frame 102. The alignment of the pelvis and the buttock surface is preferably also realized via appropriately designed pelvic fastening elements. In addition, the orientation of the shoulders 114 can be carried out manually, for example based on statistical information, preferably on the sixth spinal segment.
Die Bauteile des computergenerierten Wirbelsäulen-Becken-Modells 100 und des darauf aufbauenden computergenerierten Phantommodells 104 sind vorzugsweise additiv zu fertigen. Die additive Fertigung bietet die Möglichkeit, die Materialdichte prozentual einzustellen und somit die Sichtbarkeit der Komponenten in einer Röntgenaufnahme zu kontrollieren. Nach der Fertigung kann auf die Hautstützstrukturen vorzugsweise ein Hakenband mit Widerhaken aufgeklebt werden, so dass ein elastischer Hautüberzug aus Stoff an den Hautstützstrukturen haftet. Mittels des Hautüberzugs kann die geschlossene Hautoberfläche des Rückens beispielsweise für die Rasterstereographie-Aufnahmen simuliert werden. The components of the computer-generated spine-pelvis model 100 and the computer-generated phantom model 104 based on it are preferably to be manufactured additively. Additive manufacturing offers the possibility of adjusting the material density as a percentage and thus increasing the visibility of the components in an X-ray check. After production, a hook tape with barbs can preferably be glued to the skin support structures, so that an elastic skin cover made of material adheres to the skin support structures. Using the skin cover, the closed skin surface of the back can be simulated, for example for raster stereography recordings.
Figur 2 zeigt exemplarisch eine Abfolge von Schritten für die additive Fertigung eines Wirbelsäulengestells, welches an das definierte Wirbelsäulenprofil und die definierte Beckenausrichtung angepasst ist. Figure 2 shows an example of a sequence of steps for the additive manufacturing of a spinal frame, which is adapted to the defined spinal profile and the defined pelvic alignment.
Zunächst wird ein Wirbelsäulen-Becken-Modell 200 und ein Wirbelsäulengestellmodell 202 bereitgestellt. Anschließend werden die Wirbelsäulen- und Beckenparameter 204 definiert. Die Parametrisierung (Schritt S1) der Modelle ermöglicht die automatische Übernahme der veränderten Wirbelsäulen- und Beckenparameter 204 ins Wirbelsäulen- Becken-Modell 200 und in das darauf aufbauende Wirbelsäulengestellmodel 202. First, a spine-pelvis model 200 and a spine frame model 202 are provided. The spinal and pelvic parameters 204 are then defined. The parameterization (step S1) of the models enables the changed spine and pelvis parameters 204 to be automatically adopted into the spine-pelvis model 200 and the spine frame model 202 based on it.
Die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen werden im Computermodell durch Subtraktion der parametrisierten und ans Wirbelsäulenprofil angepassten Wirbelbefestigungselemente (siehe Fig. 1 , Bezugszeichen 110) erzeugt (Schritt S2). Auf diese Weise wird die Komplementarität zwischen den Wirbelsäulenstützstrukturen 206 und dem Wirbelbefestigungselement gewährleistet. Aufgrund der Parametrisierung passt sich die Ausrichtung der Wirbelbefestigungselemente dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil automatisch an. Vorzugsweise durch die Subtraktion der Wirbelbefestigungselemente vom Wirbelsäulengestellmodell 202 wird deren Ausrichtung automatisch auf die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen 206 übertragen. Die Form des Wirbelsäulengestellmodells 202 und die Ausrichtung der Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen 206 legen somit die Orientierung der einzusteckenden Wirbelsäulensegmente fest. Das angepasste Wirbelsäulengestellmodel 202 weist somit nach der Parametrisierung Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen 206 auf, anhand derer die Wirbelnachbildungen im zu erzeugenden Wirbelsäulenprofil ausgerichtet werden können. The spinal segment holding structures are generated in the computer model by subtracting the parameterized vertebral fastening elements (see FIG. 1 , reference numeral 110) adapted to the spinal profile (step S2). In this way, the complementarity between the spinal support structures 206 and the vertebral attachment element is ensured. Due to the parameterization, the alignment of the vertebral fastening elements automatically adapts to the specified spinal profile. Preferably, by subtracting the vertebral fasteners from the spinal frame model 202, their alignment is automatically transferred to the spinal segment support structures 206. The shape of the spinal frame model 202 and the orientation of the spinal segment holding structures 206 thus determine the orientation of the spinal segments to be inserted. After parameterization, the adapted spine frame model 202 thus has spine segment holding structures 206, by means of which the vertebral replicas can be aligned in the spine profile to be generated.
Ferner dient das Wirbelsäulengestellmodell 202 der Ausrichtung des Beckens. Dies kann beispielsweise anhand von Beckenbefestigungselementen erfolgen, welche im physischen Modell direkt am Wirbelsäulengestell über Schraubverbindungen fixiert werden können. Auf diese Weise wird das vorgegebene Wirbelsäulenprofil mit der vorgegebenen Beckenausrichtung auf das physische Phantom übertragen. Das angepasste Wirbelsäulengestellmodell 202 kann als Fertigungsdatei exportiert (Schritt S3) und einer Vorrichtung zur additiven Fertigung 208, z.B. einem 3D-Drucker, als Eingangsdaten zur Verfügung gestellt werden. Furthermore, the spinal frame model 202 serves to align the pelvis. This can be done, for example, using pelvic fastening elements, which can be fixed directly to the spine frame in the physical model using screw connections. In this way, the specified spinal profile with the specified pelvic alignment is transferred to the physical phantom. The customized spinal frame model 202 may be exported as a manufacturing file (step S3) and provided as input data to an additive manufacturing device 208, such as a 3D printer.
Figur 3 zeigt beispielhaft eine lumbale Wirbelnachbildung 300 in verschiedenen Ausrichtungen. Die Lagebeschreibung erfolgt anhand mehrerer lokaler Wirbelkoordinatensysteme. Dabei ist in der ersten Spalte 302 die Frontalebene, in der zweiten Spalte 304 die Sagittalebene und in der dritten Spalte 306 die Transversalebene gezeigt. Figure 3 shows an example of a lumbar vertebra replica 300 in different orientations. The location description is based on several local vortex coordinate systems. The frontal plane is shown in the first column 302, the sagittal plane in the second column 304 and the transversal plane in the third column 306.
In der ersten Zeile 308 ist eine Basisausrichtung der Wirbelnachbildung 300 gezeigt. Die Basis-Wirbelkoordinatensysteme (WKS-B) basieren auf anatomischen Landmarken der Wirbelnachbildung. Der Ursprung des WKS-B liegt im Zentrum der Wirbelnachbildung 300. Vom Ursprung ausgehend, zeigt der x- Vektor nach posterior, der y- Vektor nach links und der z- Vektor nach kranial. A basic orientation of the vortex replica 300 is shown in the first line 308. The basic vertebral coordinate systems (WKS-B) are based on anatomical landmarks of the vertebral simulation. The origin of the WKS-B is in the center of the vertebra replica 300. Starting from the origin, the x-vector points posteriorly, the y-vector points to the left and the z-vector points cranially.
Anhand dieses lokalen Basis- Wirbelkoordinatensystems sind die sagittale Seitabwei- chung, laterale Seitabweichung und vertikale Wirbelhöhe der Wirbelnachbildung bezogen auf ein festes Raumkoordinatensystem (RKS) parametrisierbar. Die sagittale Seitabweichung jedes Wirbels wird über die Distanz der YZ-Ebene des WKS-B zur YZ-Ebene des RKS festgelegt. Die laterale Seitabweichung jedes Wirbels ist analog als Distanz der XZ- Ebene des WKS-B zur XZ-Ebene des RKS definiert. Die vertikale Wirbelhöhe kann über den vertikalen Abstand des Ursprungs des WKS-B zur XY-Ebene des RKS eingestellt werden. Using this local basic vertebral coordinate system, the sagittal lateral deviation, lateral lateral deviation and vertical vertebral height of the vertebral simulation can be parameterized in relation to a fixed spatial coordinate system (RKS). The sagittal lateral deviation of each vertebra is determined by the distance from the YZ plane of the WKS-B to the YZ plane of the RKS. The lateral lateral deviation of each vertebra is defined analogously as the distance from the XZ plane of the WKS-B to the XZ plane of the RKS. The vertical vortex height can be adjusted via the vertical distance from the origin of the WKS-B to the XY plane of the RKS.
Die laterale Wirbelneigung im Wirbelkoordinatensystem-Neigung-Lateral (WKS-NL) 310 beschreibt die Rotation um die x-Achse des WKS-B. Die sagittale Wirbelneigung im Wirbelkoordinatensystem-Neigung-Sagittal (WKS-NS) 312 beschreibt die Rotation um die y-Achse des WKS-B. Die Wirbelrotation im Wirbelkoordinatensystem-Rotation (WKS-R) 314 ist als Rotation um die z-Achse des WKS-B einstellbar. Der Einsatz des WKS-B 308 und darauf aufbauen der WKS-NL 310, WKS-NS 312 und WKS-R 314 ermöglicht die Parametrisierbarkeit des Wirbels in sechs Dimensionen. The lateral vertebral inclination in the vertebral coordinate system-inclination-lateral (WKS-NL) 310 describes the rotation around the x-axis of the WKS-B. The sagittal vertebral inclination in the vertebral coordinate system-Inclination-Sagittal (WKS-NS) 312 describes the rotation about the y-axis of the WKS-B. The vertebral rotation in the vertebral coordinate system rotation (WKS-R) 314 can be set as a rotation about the z-axis of the WKS-B. The use of the WKS-B 308 and, based on it, the WKS-NL 310, WKS-NS 312 and WKS-R 314 enables the vortex to be parameterized in six dimensions.
Figur 4 zeigt beispielhaft die Ausrichtung eines Beckenmodells 400 in einem Becken- Koordinatensystem. Das Basis-Beckenkoordinatensystem (BKS-B) wird über Landmarken in dem erzeugten Volumenmodell rekonstruiert. Hierfür wird ein Beckenkoordinatensystem definiert, dessen Ursprung im Mittelpunkt der kranialen Endplatte des Sakrums liegt. Die XY-Ebene liegt parallel zur Ebene, welche durch zwei Geraden aufgespannt wird: zum einen durch die Gerade zwischen den anterioren Knochenvorsprüngen (ASIS, lat. anterior superior iliac spine) und zum anderen durch die Gerade zwischen den posterioren Knochenvorsprüngen (PSIS, lat. posterior superior iliac spine). Der z-Vektor steht lotrecht auf der XY-Ebene und weist vom Ursprung ausgehend aufwärts. Die XZ-Ebene wird durch den z-Vektor sowie der Geraden definiert, welche durch die Mittelpunkte der Geraden zwischen den anterioren bzw. posterioren Knochenvorsprüngen verläuft, wie in Fig. 4c) gezeigt. Der x-Vektor zeigt vom Ursprung aus nach posterior. Der y-Vektor zeigt lotrecht zur x-Achse vom Ursprung aus nach links. Der Beckenhochstand wird als Rotation um die x-Achse definiert. Die Beckenneigung beschreibt die Rotation des Beckens um die y-Achse, die Becken rotation die Rotation um die z-Achse. Die sagittale Beckenabweichung beschreibt die Distanz der YZ-Ebene des BKS-B zur YZ-Ebene des RKS. Die laterale Beckenabweichung ist analog als Distanz der XZ-Ebene des BKS-B zur XZ- Ebene des RKS definiert. Die transversale Beckenabweichung kann über den vertikalen Abstand des Ursprungs des BKS-B zur XY-Ebene des RKS eingestellt werden. Figure 4 shows an example of the orientation of a basin model 400 in a basin coordinate system. The base basin coordinate system (BCS-B) is reconstructed via landmarks in the generated volume model. For this purpose, a pelvic coordinate system is defined whose origin lies at the center of the cranial end plate of the sacrum. The XY plane is parallel to the plane, which is spanned by two straight lines is: on the one hand by the straight line between the anterior bone projections (ASIS, Latin anterior superior iliac spine) and on the other hand by the straight line between the posterior bone projections (PSIS, Latin posterior superior iliac spine). The z vector is perpendicular to the XY plane and points upwards from the origin. The The x vector points posteriorly from the origin. The y-vector points perpendicular to the x-axis to the left from the origin. The pelvic elevation is defined as rotation around the x-axis. The pelvic tilt describes the rotation of the pelvis around the y-axis, the pelvic rotation describes the rotation around the z-axis. The sagittal pelvic deviation describes the distance from the YZ plane of the BKS-B to the YZ plane of the RKS. The lateral pelvic deviation is defined analogously as the distance from the XZ plane of the BKS-B to the XZ plane of the RKS. The transverse pelvis deviation can be adjusted via the vertical distance from the origin of the UCS-B to the XY plane of the RKS.
Figur 5 zeigt beispielhaft ein Modell eines lumbalen Wirbelsäulensegments 500 mit integrierter Hautstützstruktur zur Erstellung eines Phantoms für beispielsweise rasterstereographische Aufnahmen. Das Wirbelsäulensegment 500 weist ein Wirbelbefestigungselement 502 auf. Dieses ist an einem Ende lösbar mit einer Wirbelnachbildung 504 eines lumbalen Wirbels verbunden. Über Verstrebungen 506 hält des Wirbelbefestigungselement 502 eine Hautstützstruktur 508, die eine Lage der Hautoberfläche individuell für die Wirbelnachbildung 504 approximiert. An seinem anderen Ende 510 kann das Wirbelbefestigungselement 502 mit einer Wirbelsäulensegmenthaltestruktur eines Wirbelsäulengestells verbunden werden. Figure 5 shows an example of a model of a lumbar spine segment 500 with an integrated skin support structure for creating a phantom for, for example, raster stereographic recordings. The spinal segment 500 has a vertebral attachment element 502. This is detachably connected at one end to a vertebra replica 504 of a lumbar vertebra. The vertebral fastening element 502 holds a skin support structure 508 via struts 506, which approximates a position of the skin surface individually for the vertebral replica 504. At its other end 510, the vertebral fastening element 502 can be connected to a spinal segment support structure of a spinal frame.
Figur 6 zeigt beispielhaft drei Wirbelsäulengestellmodelle, wobei das Phantoms A 600 ein physiologisches Wirbelsäulenprofil, das Phantoms B 602 ein skoliotisches Wirbelsäulenprofil ohne Wirbelrotation und das Phantoms C 604 ein skoliotisches Wirbelsäulenprofil mit einer Wirbelrotation aufweist. Figure 6 shows an example of three spinal frame models, with the Phantoms A 600 having a physiological spine profile, the Phantoms B 602 having a scoliotic spine profile without vertebral rotation and the Phantoms C 604 having a scoliotic spine profile with vertebral rotation.
Figur 7 zeigt eine Übersicht additiv gefertigter Bauteile eines Phantoms 700 mit dem sowohl radiologische als auch auf der optischen Vermessung der Hautoberfläche basierende Aufnahmen, beispielsweise rasterstereographische Aufnahmen, erzeugt werden können. Das Phantom 700 weist ein Wirbelsäulengestell 701 auf, das aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt wird. Weiterhin umfasst das Phantom 700 Wirbelsäulensegmente, an dessen Wirbelbefestigungselementen die jeweilige Hautstützstruktur sowie die jeweilige Wirbelnachbildung, z.B. der Halswirbel (C2 bis C7) 702, der Brustwirbel (T1 bis T12) 704, 706, und der Lendenwirbel (L1 bis L5) 708 lösbar verbunden werden. Weiterhin umfasst das Phantom 700 Nachbildungen der linken und rechten Schulterpartien 710 und eine Nachbildung des Beckens 712. Zur Nachbildung der Gesäßoberfläche weist das Phantom 700 Gesäßformstrukturen 714 auf. Figure 7 shows an overview of additively manufactured components of a phantom 700 with which both radiological images and images based on the optical measurement of the skin surface, for example raster stereographic images, can be generated. The Phantom 700 has a spine frame 701 that is assembled from several individual parts. Furthermore, the phantom 700 comprises spinal segments, on whose vertebral fastening elements the respective skin support structure and the respective vertebral replica, for example the cervical vertebrae (C2 to C7) 702, the thoracic vertebrae (T1 to T12) 704, 706, and the lumbar vertebra (L1 to L5) 708 can be releasably connected. Furthermore, the phantom 700 includes replicas of the left and right shoulder areas 710 and a replica of the pelvis 712. To replicate the buttock surface, the phantom 700 has buttock mold structures 714.
Figur 8 zeigt beispielhaft einige Zwischenschritte bei der Montage eines Phantoms 800 mit einem beispielhaften, skoliotischen Wirbelsäulenprofil. Zunächst werden Wirbelsäulensegmente nacheinander am Wirbelsäulengestell ausgerichtet und über Schraubverbindungen fixiert (Schritte T1 und T2). Anschließend wird ein Beckenbefestigungselement am Wirbelsäulengestell fixiert. An diesem werden weitere Beckenbefestigungselemente angebracht (Schritt T3). Anhand des Wirbelsäulengestells ist anschließend die Ausrichtung und Fixierung des Beckenelements und dessen Gesäßformstrukturen (Schritt T4) möglich. Ferner werden die Schultern am sechsten thorakalen Wirbelsäulensegment fixiert und ausgerichtet. Figure 8 shows an example of some intermediate steps in the assembly of a phantom 800 with an exemplary scoliotic spine profile. First, spinal segments are aligned one after the other on the spinal frame and fixed using screw connections (steps T1 and T2). A pelvic fastening element is then fixed to the spinal frame. Additional cymbal fastening elements are attached to this (step T3). Using the spine frame, it is then possible to align and fix the pelvic element and its buttock structures (step T4). Furthermore, the shoulders are fixed and aligned on the sixth thoracic spinal segment.
Danach kann das Phantom 800 in eine Rahmenkonstruktion (nicht gezeigt) eingehängt und in der Frontalebene ausgerichtet und fixiert werden. Im letzten Schritt werden die Wirbelsäulensegmente mit dem Hautüberzug überspannt (Schritt T5). Dazu wird auf die Wirbelsäulensegmente ein Hakenband mit Widerhaken aufgeklebt. Beim Überspannen sollte darauf geachtet werden, dass es zu keiner Faltenbildung kommt und der Hautüberzug vollständig an den Hautstützstrukturen anliegt. Als Hautüberzug für die Hautoberfläche kann ein T-Shirt-Stoff verwendet werden, da dieser dehnbar ist und auf dem Hakenband haftet. The Phantom 800 can then be hung in a frame structure (not shown) and aligned and fixed in the frontal plane. In the last step, the spinal segments are covered with the skin cover (step T5). To do this, a hook band with barbs is glued to the spinal segments. When over-tightening, care should be taken to ensure that no wrinkles form and that the skin cover lies completely against the skin support structures. T-shirt fabric can be used as a skin cover for the skin surface as it is stretchy and adheres to the hook tape.
Figur 9 zeigt die Phantommodelle A 900, B 902, C 904 in unterschiedlichen Ansichten. In der ersten Spalte 906 sind die Phantome A, B und C in einer Ansicht von posterior nach anterior (PA-Ansicht), in einer zweiten Spalte 908 sind die Phantome A, B und C in einer Ansicht von anterior nach posterior (AP-Ansicht), in einer dritten Spalte 910 sind die Phantome A, B und C in einer lateralen Ansicht (Lat-Ansicht) und in einer vierten Spalte sind die Phantome A, B und C in einer PA-Ansicht mit Hautüberzug gezeigt. Figure 9 shows the phantom models A 900, B 902, C 904 in different views. In the first column 906 the phantoms A, B and C are in a view from posterior to anterior (PA view), in a second column 908 the phantoms A, B and C are in a view from anterior to posterior (AP view ), in a third column 910, phantoms A, B, and C are shown in a lateral view (lat view), and in a fourth column, phantoms A, B, and C are shown in a skin-covered PA view.
Figur 10 zeigt mehrere radiologische Aufnahmen 1000, 1002, 1004, 1006 des in Figur 9 gezeigten Phantoms B, also von einem Phantom mit skoliotischem Wirbelsäulenprofil ohne Wirbelrotation. Die aus dem Becken und den Wirbeln bestehende skelettale Struktur erscheint in allen Röntgenbildern 1000, 1002, 1004, 1006 aufgrund der höheren Materialdichte heller. Die Hautstützstrukturen sind in den Röntgenbilder 1000, 1002, 1004, 1006 sichtbar, weisen allerdings eine geringere Helligkeitsstufe auf. Das Wirbel- Säulengestell sowie die Schulterpartie werden in allen Aufnahmen 1 OOO, 1002, 1004, 1006 ebenfalls mit einer geringen Helligkeitsstufe abgebildet. Der Hautüberzug wird in den Röntgenbildern 1000, 1002, 1006 nur sehr schwach abgebildet. Die für die Auswertung der Wirbelsäulenparameter relevanten kranialen und kaudalen Wirbelendplatten sind somit ebenso wie die Endplatte des Sakrums in den Röntgenbildern 1000, 1002, 1004, 1006 erkennbar. Ferner wird das Acetabulum beider Beckenpfannen in den Röntgenbildern 1000, 1002, 1004, 1006 abgebildet. Figure 10 shows several radiological images 1000, 1002, 1004, 1006 of the phantom B shown in Figure 9, i.e. of a phantom with a scoliotic spinal profile without vertebral rotation. The skeletal structure consisting of the pelvis and vertebrae appears brighter in all X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006 due to the higher material density. The skin support structures are visible in X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006, but have a lower brightness level. The vortex The column frame and the shoulder area are also shown with a low brightness level in all images 1 OOO, 1002, 1004, 1006. The skin covering is only shown very faintly in the X-ray images 1000, 1002, 1006. The cranial and caudal vertebral endplates relevant to the evaluation of the spinal parameters, as well as the endplate of the sacrum, can therefore be seen in the X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006. Furthermore, the acetabulum of both pelvic cups is shown in X-ray images 1000, 1002, 1004, 1006.
Figur 11 zeigt Darstellungen 1100, 1102, 1104 von mittels Rasterstereographie erfassten Krümmungsprofilen der Phantome A, B und C. Die spinale Mittellinie, die Taille sowie die Schulterblätter und die Analrinne werden als konkave (blau) Bereiche erfasst. Die Rechtskonvexität der Wirbelsäule der Phantome B und C wird ebenfalls erkannt (rot). Figure 11 shows representations 1100, 1102, 1104 of curvature profiles of phantoms A, B and C recorded using raster stereography. The spinal midline, the waist as well as the shoulder blades and the anal groove are recorded as concave (blue) areas. The right convexity of the spine of phantoms B and C is also recognized (red).
Figur 12 zeigt rasterstereographische Rekonstruktionen 1200, 1202, 1204 der Hautoberfläche und der Wirbelsäule jedes vermessenen Wirbelsäulenprofiles der Phantome A, B und C, die auf den erfassten Krümmungsprofilen basieren (Figur 11). Figure 12 shows raster stereographic reconstructions 1200, 1202, 1204 of the skin surface and spine of each measured spinal profile of phantoms A, B and C, which are based on the recorded curvature profiles (Figure 11).

Claims

Ansprüche Phantom eines menschlichen Körperteils, wobei das Phantom aufweist: eine Anzahl Wirbelsäulensegmente, die jeweils ein Wirbelbefestigungselement und ein an dem Wirbelbefestigungselement angeordnetes Körperteilelement aufweisen, und ein Wirbelsäulengestell, das an ein vorgegebenes Wirbelsäulenprofil der menschlichen Wirbelsäule angepasst ist, und eine Anzahl Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen aufweist, die jeweils lösbar mit dem Wirbelbefestigungselement eines Wirbelsäulensegments der Anzahl Wirbelsäulensegmente verbunden sind, wobei die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells so angeordnet und ausgebildet sind, dass die Körperteilelemente der mit den Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen verbundenen Wirbelsäulensegmenten an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasst ausgerichtet sind. Phantom nach Anspruch 1 , wobei das Körperteilelement eine Wirbelnachbildung eines Wirbels der menschlichen Wirbelsäule und/oder eine Hautstützstruktur, die eine Lage einer Hautoberfläche vorgibt, aufweist, wobei die Wirbelnachbildung und/oder die Hautstützstruktur mit dem Wirbelbefestigungselement des Wirbelsäulensegments der Anzahl Wirbelsäulensegmente verbunden sind. Phantom nach Anspruch 2, wobei die Körperteilelemente von mehreren Wirbelsäulensegmenten eine Wirbelnachbildung eines Wirbels der menschlichen Wirbelsäule und/oder eine Hautstützstruktur aufweisen, und die Wirbelnachbildungen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wirbelsäulensegmente wenigstens einen Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule mit dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nachbilden, und/oder die Hautstützstrukturen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wirbelsäulensegmente eine an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasste Lage einer Hautoberfläche nachbilden. Phantom nach wenigstens einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Wirbelsäulensegmente so mit dem Wirbelsäulengestell verbunden sind, dass die Wirbelnachbildung des jeweiligen Wirbelsäulensegments entsprechend einer sich aus dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ergebenen lateralen Wirbelneigung, sagittalen Wirbelneigung, lateralen Seitabweichung, sagittalen Seitabweichung, Wirbel rotation, und Wirbelhöhe ausgerichtet sind. Phantom nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hautstützstrukturen mit einem Hautüberzug überspannt sind, so dass der Hautüberzug eine Lage der Hautoberfläche in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nachbildet. Phantom nach Anspruch 5, wobei an wenigstens einer Hautstützstruktur ein Hauthaltemittel angeordnet ist, das den Hautüberzug relativ zu der Hautstützstruktur fixiert. Phantom nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Hautstützstruktur eines Wirbelsäulensegments mittels einer Anzahl Verstrebungen mit dem Wirbelbefestigungselement des Wirbelsäulensegments verbunden ist. Phantom nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend ein mit dem Wirbelsäulengestell verbundenes Beckenelement, das ausgebildet ist, ein Becken des menschlichen Körpers nachzubilden, wobei das Beckenelement mittels eines Beckenadapters mit dem Wirbelsäulengestell verbunden ist. Phantom nach Anspruch 8, wobei das Beckenelement eine Anzahl Gesäßformstrukturen aufweist, die ausgebildet und angeordnet sind, eine Lage einer Gesäßoberfläche relativ zu dem Beckenelement vorzugeben. Phantom nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Beckenelement anhand der Beckenparameter Inzidenzwinkel, sagittale Beckenneigung, Beckenhochstand, laterale Beckenabweichung, sagittale Beckenabweichung, transversale Beckenabweichung und Beckenrotation an dem Wirbelsäulengestell ausgerichtet ist, und das Becken relativ zu dem von der Anzahl Wirbelsäulensegmente gebildeten Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule nachbildet. Phantom nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, aufweisend ein rechtes Schulterelement und ein linkes Schulterelement, die jeweils ein Schulterblatt und Teile der darüber liegenden Muskulatur der rechten oder linken Schulterpartie und vorzugsweise wenigstens einen Teil der jeweiligen Oberarmmuskulatur des menschlichen Körpers nachbilden. Phantom nach Anspruch 11 , wobei die rechten und linken Schulterelemente mittels einem oder mehreren lösbaren Schulterverbindungsmitteln mit einem Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente verbunden und eine Lage der rechten und linken Schulterelemente mittels dem einen oder den mehreren lösbaren Schulterverbindungsmitteln relativ zu dem Wirbelsäulensegment einstellbar ist. Phantom nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 12, wobei bei wenigstens einem Wirbelsäulensegment der Anzahl Wirbelsäulensegmente die Wirbelnachbildung und die Hautstützstruktur des Wirbelsäulensegments aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, wobei die Wirbelnachbildung eine höhere Materialdichte als die Hautstützstruktur hat. Phantom nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei eine Wirbelnachbildung eines Wirbelsäulensegments der Anzahl Wirbelsäulensegmente und das Wirbelsäulengestell aus demselben Material oder aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind und die Wirbelnachbildung eine höhere Materialdichte als das Wirbelsäulengestell hat. Verwendung des Phantoms nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche zum Erzeugen einer auf einer Oberflächenvermessung basierenden Aufnahme, insbesondere einer Rasterstereografie-Aufnahme oder einer Tiefenkamera- Aufnahme, und/oder einer Röntgenaufnahme und/oder einer computertomographischen Aufnahme. Verfahren zum Herstellen eines Phantoms eines menschlichen Körperteils, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: computerimplementiertes Bereitstellen eines Wirbelsäulenmodells einer menschlichen Wirbelsäule, wobei das Wirbelsäulenmodell eine Anzahl Wirbelsäulensegmente aufweist, und ein Wirbelsäulensegment der Anzahl Wir- belsäulensegmente ein Wirbelbefestigungselement und ein an dem Wirbelbefestigungselement angeordnetes Körperteilelement aufweist, computerimplementiertes Bereitstellen eines an das Wirbelsäulenmodell angepassten Wirbelsäulengestellmodells, aufweisend eine Anzahl Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen, die zur lösbaren Verbindung mit einem Wirbelbefestigungselement eines Wirbelsäulensegments vorgesehen sind, Claims phantom of a human body part, the phantom comprising: a number of spinal segments each having a vertebral attachment element and a body part element arranged on the vertebral attachment element, and a spinal frame adapted to a predetermined spinal profile of the human spine, and a number of spinal segment support structures which are each detachably connected to the vertebral fastening element of a spinal segment of the number of spinal segments, the spinal segment holding structures of the spinal frame being arranged and designed in such a way that the body part elements of the spinal segments connected to the spinal segment holding structures are aligned in a manner adapted to the predetermined spinal profile. Phantom according to claim 1, wherein the body part element has a vertebral replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a location of a skin surface, wherein the vertebral replica and/or the skin support structure are connected to the vertebral fastening element of the spinal segment of the number of spinal segments. Phantom according to claim 2, wherein the body part elements of a plurality of spinal segments have a vertebral replica of a vertebra of the human spine and / or a skin support structure, and the vertebral replicas of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce at least a section of the human spine with the predetermined spinal profile, and / or the Skin support structures of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce a position of a skin surface that is adapted to the specified spinal profile. Phantom according to at least one of claims 2 or 3, wherein the spinal segments are connected to the spinal frame in such a way that the vertebral replica of the respective spinal segment corresponds to a lateral vertebral inclination, sagittal vertebral inclination, lateral lateral deviation, sagittal lateral deviation, vertebral rotation resulting from the predetermined spinal profile, and Vertebral height are aligned. Phantom according to at least one of the preceding claims, wherein the skin support structures are covered with a skin cover, so that the skin cover replicates a position of the skin surface depending on the predetermined spinal profile. Phantom according to claim 5, wherein a skin holding means is arranged on at least one skin support structure and fixes the skin cover relative to the skin support structure. The phantom of at least one of claims 2 to 6, wherein the skin support structure of a spinal segment is connected to the vertebral attachment element of the spinal segment by means of a number of struts. Phantom according to at least one of the preceding claims, comprising a pelvic element connected to the spinal frame and designed to simulate a pelvis of the human body, the pelvic element being connected to the spinal frame by means of a pelvic adapter. The phantom of claim 8, wherein the pelvic member includes a number of buttock molding structures configured and arranged to dictate a location of a buttock surface relative to the pelvic member. Phantom according to claim 8 or 9, wherein the pelvic element is aligned with the spinal frame based on the pelvic parameters incidence angle, sagittal pelvic inclination, pelvic elevation, lateral pelvic deviation, sagittal pelvic deviation, transverse pelvic deviation and pelvic rotation, and the pelvis is aligned relative to the section of the human formed by the number of spinal segments Recreates the spine. Phantom according to at least one of the preceding claims, comprising a right shoulder element and a left shoulder element, each of which simulates a shoulder blade and parts of the overlying muscles of the right or left shoulder area and preferably at least part of the respective upper arm muscles of the human body. Phantom according to claim 11, wherein the right and left shoulder elements are connected to a spinal segment of the number of spinal segments by means of one or more releasable shoulder connecting means and a position of the right and left shoulder elements is adjustable relative to the spinal segment by means of the one or more releasable shoulder connecting means. Phantom according to at least one of claims 2 to 12, wherein in at least one spinal segment of the number of spinal segments, the vertebral replica and the skin support structure of the spinal segment are made of the same material or of different materials, the vertebral replica having a higher material density than the skin support structure. Phantom according to at least one of claims 2 to 13, wherein a vertebra replica of a spinal segment of the number of spinal segments and the spinal frame are made of the same material or of different materials and the vertebra replica has a higher material density than the spinal frame. Use of the phantom according to at least one of the preceding claims for generating a recording based on a surface measurement, in particular a raster stereographic recording or a depth camera recording, and/or an X-ray recording and/or a computer tomographic recording. A method for producing a phantom of a human body part, the method comprising the steps of: computer-implemented providing a spinal model of a human spine, the spinal model having a number of spinal segments, and a spinal segment of the number of spinal columns. spinal column segments have a vertebral fastening element and a body part element arranged on the vertebral fastening element, computer-implemented provision of a spinal frame model adapted to the spinal model, comprising a number of spinal segment holding structures which are intended for releasable connection to a vertebral fastening element of a spinal segment,
Vorgeben eines Wirbelsäulenprofils und Ausrichten der Körperteilelemente der Anzahl Wirbelsäulensegmente des Wirbelsäulenmodells gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil, computerimplementiertes Anpassen des Wirbelsäulengestellmodells an das gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil ausgerichteten Wirbelsäulenmodells, derart, dass die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen eine Position und Orientierung des Körperteilelements relativ zu dem Wirbelsäulengestellmodell definieren, so dass die Körperteilelemente gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil an dem Wirbelsäulengestellmodell ausgerichtet werden können, Specifying a spine profile and aligning the body part elements of the number of spine segments of the spine model according to the predetermined spine profile, computer-implemented adjustment of the spine frame model to the spine model aligned according to the predetermined spine profile, such that the spine segment holding structures define a position and orientation of the body part element relative to the spine frame model, so that the Body part elements can be aligned on the spine frame model according to the specified spine profile,
Herstellen eines physischen Wirbelsäulengestells auf Basis des an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepassten Wirbelsäulengestellmodells, und Producing a physical spine frame based on the spine frame model adapted to the specified spine profile, and
Verbinden einer Anzahl hergestellter physischer Wirbelsäulensegmente mit den Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Körperteilelement eines Wirbelsäulensegments eine Wirbelnachbildung eines Wirbels der menschlichen Wirbelsäule und/oder eine Hautstützstruktur, die eine Lage einer Hautoberfläche vorgibt, aufweist, und das Ausrichten der Wirbelsäulensegmente des Wirbelsäulenmodells gemäß dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil die Schritte umfasst: computerimplementiertes Vorgeben eines Wirbelsäulenparameters für wenigstens eine Wirbelnachbildung des Wirbelsäulenmodells entsprechend einem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil, und computerimplementiertes Anpassen des Wirbelsäulenmodells an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil unter Verwendung des vorgegebenen Wirbelsäulenparameters, so dass die Wirbelnachbildungen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wir- belsäulensegmente wenigstens einen Abschnitt der menschlichen Wirbelsäule mit dem vorgegebenen Wirbelsäulenprofil nachbilden, und/oder die Wirbelsäulensegmenthaltestrukturen des Wirbelsäulengestells so angeordnet und ausgebildet sind, dass die Hautstützstrukturen der mit dem Wirbelsäulengestell verbundenen Wirbelsäulensegmente eine an das vorgegebene Wirbelsäulenprofil angepasste Lage einer Hautoberfläche nachbilden. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, weiterhin aufweisend den Schritt: Connecting a number of fabricated physical spinal segments to the spinal segment support structures of the spinal frame. The method of claim 16, wherein the body part element of a spinal segment comprises a vertebral replica of a vertebra of the human spine and/or a skin support structure that specifies a location of a skin surface, and aligning the spinal segments of the spinal model according to the predetermined spinal profile comprises the steps of: computer-implemented specifying a Spine parameters for at least one vertebra replica of the spine model according to a predetermined spine profile, and computer-implemented adaptation of the spine model to the predetermined spine profile using the predetermined spine parameter, so that the vertebral replicas of the spine segments connected to the spine frame reproduce at least a section of the human spine with the predetermined spine profile, and / or the spine segment holding structures of the spine frame are arranged and designed in this way that the skin support structures of the spinal segments connected to the spinal frame reproduce a position of a skin surface that is adapted to the specified spinal profile. The method of claim 16 or 17, further comprising the step:
Herstellen einer Anzahl physischer Wirbelsäulensegmente auf Basis des Wirbelsäulenmodells einer menschlichen Wirbelsäule. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das Wirbelsäulengestell und/oder die Anzahl Wirbelsäulensegmente unter Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden. Creating a number of physical spinal segments based on the spinal model of a human spine. Method according to at least one of claims 16 to 18, wherein the spinal frame and/or the number of spinal segments are manufactured using an additive manufacturing process.
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