使用精度映射和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了使用精度映射和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件的系統(tǒng)和方法。在一些方面，所描述的系統(tǒng)和方法涉及用于設(shè)計器件的裝置。該裝置包括處理器(210)，該處理器配置用于生成物理物體(402)的三維模型，以及基于精度映射(404)而確定該三維模型是否滿足精度閾值。處理器還配置用于生成器件(406)的仿真表示，確定該器件的仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值(408)，在器件的仿真表示滿足穩(wěn)定性閾值(410)的情況下對器件在三維模型上的擬合進行仿真，以及確定器件在三維模型上的仿真擬合是否處于容差閾值(412)之內(nèi)。處理器還配置用于在仿真擬合處于容差閾值(414)之內(nèi)的情況下生成器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計。
【專利說明】使用精度映射和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件的系統(tǒng)和方 法
[0001] 優(yōu)先權(quán)
[0002] 本申請要求轉(zhuǎn)讓給本受讓人并通過引用而全文并入于此的、提交于2011年12 月 23 日的名稱為 "METHOD OF OBTAINING THREE DMENSIONAL MODELS FROM PROJECTED IMAGES"的美國臨時專利申請No. 61/579, 927的權(quán)益。本申請還要求轉(zhuǎn)讓給本受讓人并通 過引用而全文并入于此的、提交于2012年11月13日的名稱為"SYSTEMS AND METHODS FOR DESIGNING AND GENERATING DEVICES USING ACCURACY MAPS AND STABILITY ANALYSIS"的 美國臨時專利申請No. 61/725,915的權(quán)益。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及設(shè)計用于在計算機上設(shè)計和生成器件或物體的系統(tǒng)和方法。更具體而 言，本發(fā)明涉及使用精度映射和穩(wěn)定性分析在計算機上設(shè)計和生成器件或產(chǎn)品。

【背景技術(shù)】
[0004] 物體設(shè)計和制造被用于創(chuàng)造針對多種不同行業(yè)的必要工具。例如，可以設(shè)計和制 造零件、工具等以供在日常生活的所有方面中使用。然而，設(shè)計和制造此類物體的過程可能 耗時而昂貴。例如，傳統(tǒng)制造技術(shù)可能要求設(shè)計和構(gòu)建原型，基于設(shè)計來創(chuàng)造模具，對組件 進行鉆孔和切削，以及其他耗時而昂貴的技術(shù)來創(chuàng)造單一物體。由于模具等可以重復(fù)使用， 因此當(dāng)制作與最初設(shè)計的物體相同的后續(xù)物體時，可能有規(guī)模效益。然而，對于一次性的物 體，無法獲得這樣的規(guī)模效益。
[0005] 相應(yīng)地，傳統(tǒng)設(shè)計和制造技術(shù)不適合用于生成一次性的或定制的物體，諸如專為 患者設(shè)計的外科植入物、原型等。諸如增材制造（例如，3D打印）等工藝可以通過減少創(chuàng) 造物體的時間和成本來克服這樣的局限性。增材制造可以定義為用于例如使用物體的三維 (3D)計算機輔助設(shè)計（CAD)數(shù)據(jù)來制造物體的有形模型的一組技術(shù)。
[0006] 通常，增材制造技術(shù)從所要形成的3D物體的數(shù)字表示開始。一般而言，該數(shù)字表 示被切成一系列截面層，所述一系列截面層可以疊加從而形成作為整體的物體。增材制造 裝置使用該數(shù)據(jù)來逐層地構(gòu)建物體。仿真模型可以與參考數(shù)據(jù)（例如，2D數(shù)據(jù)）一起用于 生成物體的3D數(shù)字表示。物體的3D數(shù)字表示的精度可能根據(jù)用以獲得該數(shù)字表示的過程 而不同。各種應(yīng)用（例如，加工、外科、制造等）可能要求物體的準(zhǔn)確而精密的表示，以便設(shè) 計隨這些物體使用的可使用產(chǎn)品。此外，期望被設(shè)計用于隨物體使用的產(chǎn)品對于該物體穩(wěn) 定。相應(yīng)地，需要改善的系統(tǒng)和技術(shù)來設(shè)計和生成器件或產(chǎn)品。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 隨附權(quán)利要求范圍內(nèi)的系統(tǒng)、方法和設(shè)備的各個實現(xiàn)各自具有若干方面，其中的 單一方面不獨自負(fù)責(zé)本文所述的期望屬性。本文在不限制隨附權(quán)利要求范圍的情況下描述 一些突出特征。
[0008] 本說明書中所描述的主題的一個或多個實現(xiàn)的細(xì)節(jié)在附圖和以下描述中闡述。其 他特征、方面和優(yōu)點將會從描述、附圖和權(quán)利要求中變得顯而易見。注意，以下附圖的相對 尺寸可能并非按比例繪制。
[0009] 本公開中描述的主題的一個方面提供用于設(shè)計器件的裝置。該裝置包括處理器， 該處理器配置用于生成物理物體的三維模型，以及基于精度映射來確定該三維模型是否滿 足精度閾值。處理器還配置用于生成所述器件的仿真表示，確定所述器件的仿真表示是否 滿足穩(wěn)定性閾值，如果所述器件的仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值則對所述器件在所述三維 模型上的擬合進行仿真，以及確定所述器件在所述三維模型上的仿真擬合是否處于容差閾 值之內(nèi)。處理器還配置用于在所述仿真擬合處于所述容差閾值之內(nèi)的情況下生成所述器件 的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計。
[0010] 本公開中描述的主題的另一方面提供設(shè)計器件的方法的實現(xiàn)。該方法包括生成物 理物體的三維模型，以及基于精度映射來確定該三維模型是否滿足精度閾值。該方法還包 括生成器件的仿真表示，確定所述器件的仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值，如果所述器件的 仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值則對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真，以及確定 所述器件在所述三維模型上的仿真擬合是否處于容差閾值之內(nèi)。該方法還包括如果所述仿 真擬合處于所述容差閾值之內(nèi)則生成所述器件的經(jīng)批注的設(shè)計。
[0011] 本公開中描述的主題的又一方面提供用于設(shè)計器件的裝置。該裝置包括用于生成 物理物體的三維模型的裝置，以及用于基于精度映射來確定該三維模型是否滿足精度閾值 的裝置。所述裝置還包括用于生成器件的仿真表示的裝置，用于確定所述器件的仿真表示 是否滿足穩(wěn)定性閾值的裝置，用于在所述器件的仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值的情況下對 所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真的裝置，以及用于確定所述器件在所述三維模 型上的仿真擬合是否處于容差閾值之內(nèi)的裝置。所述裝置還包括用于在所述仿真擬合處于 所述容差閾值之內(nèi)的情況下生成所述器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計的裝置。
[0012] 本公開中描述的主題的另一方面提供計算機程序產(chǎn)品的實現(xiàn)。該計算機程序產(chǎn)品 包括計算機可讀介質(zhì)，該計算機可讀介質(zhì)包含用于生成物理物體的三維模型的代碼和用于 基于精度映射來確定該三維模型是否滿足精度閾值的代碼。所述計算機程序產(chǎn)品還包括 用于生成器件的仿真表示的代碼，用于確定所述器件的仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值的代 碼，用于在所述器件的仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值的情況下對所述器件在所述三維模型 上的擬合進行仿真的代碼，以及用于確定所述器件在所述三維模型上的仿真擬合是否處于 容差閾值之內(nèi)的代碼。所述計算機程序產(chǎn)品還包括用于在所述仿真擬合處于所述容差閾值 之內(nèi)的情況下生成所述器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計的代碼。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1描繪了用于設(shè)計和制造3D物體的系統(tǒng)的一個示例。
[0014] 圖2圖示了圖1的計算機的一個示例的功能框圖。
[0015] 圖3圖示了用于制造3D物體的過程。
[0016] 圖4圖示了用于使用精度和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件的過程。
[0017] 圖5圖示了用于使用精度和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件的另一過程。
[0018] 圖6圖示了將3D表面模型對齊（register)到點云的過程。
[0019] 圖7圖示了將統(tǒng)計形狀模型（SSM)擬合至點云的過程。
[0020] 圖8圖示了從X射線的2D點獲得3D點的過程。
[0021] 圖9圖示了模型的側(cè)影點或曲線的示例。
[0022] 圖10圖示了尋找實值函數(shù)g的零點曲線的過程。
[0023] 圖11圖示了用于將SSM擬合至一個或多個X射線的過程。
[0024] 圖12a至圖12b圖示了外科導(dǎo)引工具的示例。

【具體實施方式】
[0025] 以下詳細(xì)描述針對特定的【具體實施方式】。然而，本文的教導(dǎo)能夠以多種不同方式 來應(yīng)用。在本描述中參考附圖，其中自始至終以相似標(biāo)號來標(biāo)示相似部件。
[0026] 將會關(guān)于特定實施方式描述本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此，而是僅由權(quán)利要求 所限定。
[0027] 本文所使用的單數(shù)形式"一個"、"一種"等同時包含單數(shù)和復(fù)數(shù)的所指對象，除非 上下文明確另有所指。
[0028] 本文所使用的術(shù)語"包含"、"由…構(gòu)成"等與"包括"、"含有"等同義，并且是包容 性的或開放性的而不排除附加的、未記載的構(gòu)件、元件或方法步驟。術(shù)語"包括"、"包含"和 "由…構(gòu)成"在意指記載的組件、元件或方法步驟時，還包括由所述記載的組件、元件或方法 步驟"構(gòu)成的"實施方式。
[0029] 此外，在描述和權(quán)利要求中的術(shù)語"第一"、"第二"、"第三"等用于在相似元件之間 加以區(qū)分，而并不一定用于描述連續(xù)順序或時間順序，除非另有指定。應(yīng)當(dāng)理解，如此使用 的術(shù)語在適當(dāng)情況下可互換，并且本文所描述的本發(fā)明實施方式能夠以不同于本文所述或 所示的其他順序來操作。
[0030] 在本說明書中各處提及的"一個實施方式"、"實施方式"、"一些方面"、"方面"或 "一個方面"意指聯(lián)系該實施方式或方面描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明的至 少一個實施方式之中。因此，在本說明書中各處出現(xiàn)的短語"在一個實施方式中"、"在實施 方式中"、"一些方面"、"方面"或"一個方面"并不一定全都意指相同的實施方式或方面，而 可以意指不同的實施方式或方面。此外，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會從本公開中顯而易見，特定 特征、結(jié)構(gòu)或特性可以在一個或多個實施方式或方面中按任何適當(dāng)方式組合。此外，雖然本 文所描述的一些實施方式或方面包括其他實施方式或方面中所包括的一些特征而非其他 特征，但是如本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解，不同實施方式或方面的特征的組合旨在屬于本發(fā)明 的范圍內(nèi)，并且形成不同的實施方式或方面。例如，在隨附權(quán)利要求中，所要求保護的實施 方式或方面的任何特征能夠以任何組合來使用。
[0031] 在一些方面，可以創(chuàng)建物體的2D或3D數(shù)字表示或模型，以提供參考物體，用以從 中設(shè)計隨該物體使用的產(chǎn)品或器件。例如，可以創(chuàng)建患者的骨骼的數(shù)字表示，以便設(shè)計用于 隨患者的骨骼使用的外科導(dǎo)引器、假體器件和/或矯形器件。在一些方面，可以使用2D信 息來產(chǎn)生3D物體的數(shù)字表示?？梢詫a(chǎn)品或器件的數(shù)字仿真表示與物體的數(shù)字表示加以 對比，以便設(shè)計要隨該物體使用的產(chǎn)品或器件。例如，可以將產(chǎn)品或器件的2D或3D模型與 物體的2D或3D數(shù)字表示加以對比或與之?dāng)M合（例如，通過將仿真表示或模型對齊或者擬 合在物體的數(shù)字表示之上）。根據(jù)所設(shè)計的產(chǎn)品或器件所應(yīng)用于的特定應(yīng)用（例如，加工、 外科等），可能要求物體的準(zhǔn)確而精密的數(shù)字表示或模型，以便提供可使用的產(chǎn)品或器件。 此外，產(chǎn)品或器件對于其所設(shè)計用于的物體應(yīng)當(dāng)是穩(wěn)定的。
[0032] 此外，諸如X射線放射造影術(shù)等成像技術(shù)可以用于定性測量和診斷。例如，可以使 用X射線來確定骨骼是否斷裂，或者查看患者體內(nèi)是否存在腫瘤。X射線成像技術(shù)提供二維 (2D)圖像，而其他成像技術(shù)（例如，計算機斷層掃描（CT)和磁共振成像（MRI))可以提供三 維（3D)圖像。使用X射線的成像技術(shù)是有價值的，這是因為X射線的進行快速而簡便，并 且與諸如使用CT或MRI的其他成像技術(shù)相比僅需有限的成像工具。雖然已開發(fā)出若干種 工具和選項來提高X射線成像的精度，但由于X射線圖像是僅提供2D圖像的投影圖像，因 此使用X射線圖像作為用于進行設(shè)計的物體的數(shù)字表示變得困難。
[0033] 相應(yīng)地，系統(tǒng)和方法允許使用精度映射和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件或產(chǎn)品。 在一些方面，可以基于從2D圖像生成的物體的3D模型來設(shè)計和生成器件或產(chǎn)品以供隨該 物體使用。在一些方面，可以通過增材制造來制造或生成所設(shè)計的器件。
[0034] 雖然以下描述的一些方面和/或?qū)嵤┓绞教峁┌ㄍ饪苹蜥t(yī)療器件、工具、導(dǎo)引 器等在內(nèi)的具體示例，但本領(lǐng)域中普通技術(shù)人員將會理解，本文所描述的原理同樣適用于 可以制造出（例如，使用增材制造）的任何其他類型的器件或產(chǎn)品，包括但不限于機器設(shè) 備、體育器材、運動裝備、辦公設(shè)備等。
[0035] 在一些方面，可以使用下文詳細(xì)描述的精度映射和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成患者 特異性的器件。本文所使用的術(shù)語"患者特異性"意指從個體患者的解剖結(jié)構(gòu)開始設(shè)計外 科器件、工具和/或?qū)б?，以提供針對特定的個體患者的定制配合和/或功能。對患者特 異性器件、工具或?qū)б鞯氖褂迷试S改善的或優(yōu)化的外科干預(yù)、骨科結(jié)構(gòu)和/或患者的動 力學(xué)。
[0036] 用戶（例如，工程師、設(shè)計師、外科醫(yī)生、內(nèi)科醫(yī)生等）可以在術(shù)前程序期間標(biāo)識特 定患者的身體部分（例如，骨骼）的各個區(qū)域，并且可以基于身體部分的經(jīng)標(biāo)識的區(qū)域來確 定針對外科器件的最優(yōu)設(shè)計。術(shù)前過程可以包括在進行外科手術(shù)之前獲得患者身體部分的 圖像。通過本領(lǐng)域中已知的任何適當(dāng)方式，例如X射線、計算機斷層攝影（CT)掃描儀、磁共 振成像（MRI)掃描儀、超聲掃描儀等，可以提供數(shù)字患者特異性圖像信息。術(shù)前規(guī)劃可以包 括構(gòu)建身體部分的三維（3D)虛擬模型。在一些方面，3D虛擬模型的構(gòu)建可以開始于對患者 進行掃描。例如，掃描可以包括使用生成醫(yī)療數(shù)據(jù)的掃描技術(shù)，諸如X射線、CT掃描、MRI掃 描等。在一些方面，掃描的輸出可以包括形成3D數(shù)據(jù)集的一疊二維（2D)切片。掃描的輸 出可以數(shù)字化導(dǎo)入到計算機程序中，并且可以使用圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】中已知的算法得到轉(zhuǎn) 換，以產(chǎn)生身體部分的3D計算機模型。例如，所述虛擬3D模型可以使用諸如由Materialise N. V.，Leuven, Belgium供應(yīng)的Mimics?等計算機程序從所述數(shù)據(jù)集構(gòu)建而成。一旦重建 出身體部分或其一部分的3D體積，用戶即可限定外科手術(shù)所需的器件的各個部分的優(yōu)選 位置、定向、深度和直徑?；诖_定的外科手術(shù)需要，用戶可以設(shè)計、制造和/或操縱器件， 以滿足特定患者的需要。關(guān)于外科手術(shù)中的使用而創(chuàng)造準(zhǔn)確、穩(wěn)定的患者特異性器件是成 功的器件設(shè)計的重要方面。
[0037] 圖1描繪了用于設(shè)計和制造3D器件或產(chǎn)品的系統(tǒng)100的一個示例。系統(tǒng)100 被配置成支持本文所述的技術(shù)。例如，系統(tǒng)100可以如下文更詳細(xì)描述那樣，被配置用于 使用精度映射和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件或產(chǎn)品。系統(tǒng)100包括一個或多個計算機 102a-102-D，所述計算機例如可以為任何工作站、服務(wù)器或者其他能夠處理信息的計算設(shè) 備。在一些方面，計算機102a-102-D中的每一個可以通過任何合適的通信技術(shù)（例如，因特 網(wǎng)協(xié)議）連接至網(wǎng)絡(luò)105 (例如，因特網(wǎng)）。相應(yīng)地，計算機102a-102-D可以經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)105在 彼此之間傳輸和接收信息（例如，軟件、3D物體的數(shù)字表示、用以操作增材制造設(shè)備的命令 或指令等）。系統(tǒng)100還包括一個或多個增材制造設(shè)備（例如，3D打印機等）106a-106b。如 圖所示，增材制造設(shè)備l〇6a直接連接至計算機102-D (并通過計算機102-D經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)105連 接至計算機l〇2a-102c)，并且增材制造設(shè)備106b經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)105連接至計算機102a-102-D。 相應(yīng)地，本領(lǐng)域中技術(shù)人員將會理解，增材制造設(shè)備106可以直接連接至計算機102,經(jīng)由 網(wǎng)絡(luò)105連接至計算機102,以及/或者經(jīng)由另一計算機102和網(wǎng)絡(luò)105連接至計算機102。
[0038] 應(yīng)當(dāng)注意，雖然關(guān)于網(wǎng)絡(luò)以及一個或多個計算機描述了系統(tǒng)100,但本文所描述的 技術(shù)還適用于單一計算機102,所述單一計算機102可以直接連接至增材制造設(shè)備106。
[0039] 圖2圖示了圖1的計算機的一個示例的功能框圖。計算機102a包括處理器210， 該處理器210與存儲器220、輸入設(shè)備230和輸出設(shè)備240數(shù)據(jù)通信。在一些實施方式中， 處理器還與光網(wǎng)絡(luò)接口卡260數(shù)據(jù)通信。雖然單獨描述，但應(yīng)當(dāng)明白，關(guān)于計算機102a描 述的功能塊無需為單獨的結(jié)構(gòu)元件。例如，處理器210和存儲器220可以實現(xiàn)在單一芯片 中。
[0040] 處理器210可以是被設(shè)計用于執(zhí)行本文所述功能的通用處理器、數(shù)字信號處理器 (DSP)、專用集成電路（ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)或其他可編程邏輯器件、分立門或 晶體管邏輯、分立硬件組件，或者它們的任何適當(dāng)組合。處理器還可以實現(xiàn)為計算器件的組 合，例如，DSP與微處理器的組合、多個微處理器、一個或多個微處理器連同DSP核心，或者 任何其他此類配置。
[0041] 處理器210可以經(jīng)由一個或多個總線耦合，以從存儲器220讀取信息或向其寫入 信息。處理器可以附加地或替代地含有存儲器，諸如處理器寄存器。存儲器220可以包括 處理器緩存，包括多級分層緩存，其中不同的級具有不同的容量和訪問速度。存儲器220還 可以包括隨機存儲存儲器（RAM)、其他易失性存儲器件，或者非易失性存儲器件。存儲可以 包括硬盤驅(qū)動器、光盤（諸如緊湊盤（CD)或數(shù)字視頻盤（DVD))、閃存、軟盤、磁帶和Zip驅(qū) 動器。
[0042] 處理器210還可以耦合至輸入設(shè)備230和輸出設(shè)備240,以便相應(yīng)地從計算機 102a的用戶接收輸入和向其提供輸出。合適的輸入設(shè)備包括但不限于：鍵盤、滾動球、按 鈕、按鍵、開關(guān)、指點設(shè)備、鼠標(biāo)、操縱桿、遙控器、紅外檢測器、語音識別系統(tǒng)、條碼閱讀器、 掃描儀、視頻相機（有可能與視頻處理軟件相耦合，以例如檢測手勢或表情）、運動檢測器、 麥克風(fēng)（有可能耦合至音頻處理軟件，以例如檢測語音命令）或者其他能夠從用戶向計算 機傳輸信息的設(shè)備。輸入設(shè)備還可以是關(guān)聯(lián)于顯示器的觸摸屏，在該情況下用戶通過觸摸 屏幕來響應(yīng)于顯示器上的提示。用戶可以通過諸如鍵盤或觸摸屏等輸入設(shè)備來鍵入文本信 息。合適的輸出設(shè)備包括但不限于：視覺輸出設(shè)備，包括顯示器和打印機；音頻輸出設(shè)備， 包括揚聲器、頭戴式耳機、耳機和警報器；增材制造設(shè)備；以及觸覺輸出設(shè)備。
[0043] 處理器210還可以耦合至網(wǎng)絡(luò)接口卡260。網(wǎng)絡(luò)接口卡260準(zhǔn)備由處理器210生 成的數(shù)據(jù)用于根據(jù)一個或多個數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議而經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。網(wǎng)絡(luò)接口卡260還對根 據(jù)一個或多個數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)進行解碼。網(wǎng)絡(luò)接口卡260可以包括發(fā) 射器、接收器或同時包括發(fā)射器和接收器。在其他實施方式中，發(fā)射器和接收器可為兩個單 獨的組件。網(wǎng)絡(luò)接口卡260可體現(xiàn)為被設(shè)計用于執(zhí)行本文所述功能的通用處理器、數(shù)字信 號處理器（DSP)、專用集成電路（ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)或其他可編程邏輯器件、 分立門或晶體管邏輯、分立硬件組件，或者它們的任何適當(dāng)組合。
[0044] 圖3圖示了用于制造3D產(chǎn)品或器件的過程300。如圖所示，在步驟305處，使用 計算機--諸如計算機102a--來設(shè)計器件的數(shù)字表示。例如，可以使用器件的2D表示來 創(chuàng)建該器件的3D模型。作為另一示例，可以向計算機102a輸入3D數(shù)據(jù)，用于輔助設(shè)計3D 器件的數(shù)字表示。在步驟310處繼續(xù)，從計算機102a向增材制造設(shè)備（諸如增材制造設(shè)備 106)發(fā)送信息。在步驟315處，增材制造設(shè)備106開始使用合適的材料來制造3D器件。合 適的材料包括但不限于：聚氨酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS)、聚碳酸酯（PC)、PC-ABS、 聚酰胺、含有諸如玻璃或金屬顆粒等添加劑的聚酰胺、甲基丙烯酸甲酯-丙烯腈-丁二 烯-苯乙烯共聚物、諸如聚合物-陶瓷復(fù)合材料之類的可吸收材料等。市售材料的示例有： 來自 DSM Somos 的 DSM SctmOS? 系列材料 7100、8100、9100、9420、10100、11100、12110、 14120 和 15100 ;來自 Stratasys 的 ABSplus-P430、ABSi、ABS-ESD7、ABS-M30、ABS-M30i、 PC-ABS、PC-ISO、PC、ULTEM9085、PPSF 和 PPSU 材料；來自 3-Systems 的 Accura Plastic、 DuraForm、CastForm、Laserform和VisiJet材料線；錯、鈷絡(luò)合金和不鎊鋼材料；馬氏體時 效鋼；鎳合金；鈦；來自EOS GmbH的PA材料線、PrimeCast和PrimePart材料，以及Alumide 和CarbonMide。此外，在步驟320處生成3D器件。
[0045] 根據(jù)某些方面，系統(tǒng)和方法允許使用精度映射和穩(wěn)定性分析來設(shè)計和生成器件或 產(chǎn)品?？梢陨晌矬w的數(shù)字表示或模型來提供參考物體，從中設(shè)計可隨物體使用的產(chǎn)品或 器件。精度映射和穩(wěn)定性分析可以用于輔助這些產(chǎn)品或器件的設(shè)計。圖4圖示了用于設(shè)計 器件的過程400的示例。在一些方面，過程400可以通過各種方式來實現(xiàn)，諸如由例如使用 處理器210的計算機102a來實現(xiàn)。在塊402處，該過程通過生成物理物體的三維（3D)模 型或數(shù)字表示而開始。在一些方面，所述物理物體可以包括受試者或患者的關(guān)注區(qū)域，該關(guān) 注區(qū)域可以包括受試者或患者的任何部分，諸如受試者或患者的特定解剖部分。物理物體 例如可以包括人體部分，諸如骨骼（例如，股骨、肱骨、脊柱等）、腿部、手臂、踝部等。在一 些方面，所述3D模型可以基于物理物體的2D圖像而生成。例如，可以將關(guān)于物體的仿真模 型與物體的2D圖像進行對比，以便生成3D模型。作為另一示例，可以將代表物理物體的統(tǒng) 計形狀模型與物理物體的X射線進行對比或擬合（例如，通過將統(tǒng)計形狀模型對齊在X射 線之上）。在一些方面，所述3D模型可以基于3D成像技術(shù)（例如，分割）而生成。在一些 方面，所述3D模型可以基于對計算斷層掃描（CT)或磁共振成像（MRI)圖像的3D重建而生 成。在下文中將會參考圖5描述關(guān)于生成物理物體的3D模型的進一步詳情。
[0046] 在塊404處，過程通過例如基于精度映射來確定物理物體的3D模型是否滿足精度 閾值而繼續(xù)。精度閾值可由用戶設(shè)定，或者可對應(yīng)于器件設(shè)計所應(yīng)用于的特定應(yīng)用的需求 和/或約束?？梢栽O(shè)定精度閾值來確定物理物體的3D模型對于特定應(yīng)用是否足夠精確。例 如，可以分析通過將代表股骨的統(tǒng)計形狀模型與患者股骨的X射線進行對比而獲得的患者 股骨的3D模型的精度，以便確定該3D模型對于在要隨股骨使用的器件或工具（例如，外科 導(dǎo)引工具）的設(shè)計中的使用是否足夠精確。物理物體的3D模型的精度可以基于精度映射 來確定。在一些方面，計算機102a的處理器210配置用于生成精度映射。在一些方面，處 理器210配置用于從存儲器220、網(wǎng)絡(luò)接口卡260或輸入設(shè)備230檢索精度映射。下文將參 考圖5討論關(guān)于確定物理物體的3D模型的精度以及精度映射的進一步詳情。
[0047] 在塊406處，過程通過生成器件的仿真表示而繼續(xù)進行。在一些方面，所述器件可 以包括外科器件，諸如外科導(dǎo)引器、矯形器件、假體器件或外科工具。例如，可以設(shè)計外科導(dǎo) 引器或者其他醫(yī)療或外科器件、工具等，并且可以生成該器件的模型來代表設(shè)計出的器件。 在塊408處，過程確定器件的仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值?？梢栽O(shè)定所述穩(wěn)定性閾值以 確定器件的仿真表示對于該器件所要用于的特定應(yīng)用是否足夠穩(wěn)定。例如，穩(wěn)定性閾值可 以用于確定仿真的外科導(dǎo)引器設(shè)計對于該導(dǎo)引器所要用于的身體部分的接觸面是否穩(wěn)定。 在一些方面，基于穩(wěn)定性評分來確定器件的仿真表不是否滿足穩(wěn)定性閾值。在一些方面，處 理器210配置用于生成穩(wěn)定性評分。在一些方面，處理器210配置用于從存儲器220、網(wǎng)絡(luò) 接口卡260或輸入設(shè)備230檢索穩(wěn)定性評分。過程可以通過在器件的仿真表示不滿足穩(wěn)定 性閾值的情況下生成器件的第二仿真表示而繼續(xù)。過程可以繼而確定該第二仿真表示是否 滿足穩(wěn)定性閾值。過程可以繼續(xù)生成器件的后續(xù)仿真表示，直到所述表示中之一滿足穩(wěn)定 性閾值。例如，可以關(guān)于器件在該器件將會用于的物理物體的接觸面上的穩(wěn)定性來分析各 種器件設(shè)計。下文將會參考圖5討論關(guān)于確定器件的仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值的進一 步詳情。
[0048] 在塊410處，過程通過在器件的仿真表示滿足穩(wěn)定性閾值的情況下對器件在物理 物體的3D模型上的擬合進行仿真而繼續(xù)。在一些方面，對器件在3D模型上的擬合進行仿 真包括對器件在3D模型的一個或多個變體上的擬合進行仿真。對器件在3D模型上的擬合 進行仿真還可以包括將器件的仿真表示對齊在物理物體之上以確定最佳擬合。例如，當(dāng)器 件的仿真表示上的一定數(shù)目的數(shù)據(jù)點與物理物體的3D模型上的對應(yīng)的數(shù)據(jù)點集合相匹配 時可以確定最佳擬合。在一些方面，對器件在3D模型上的擬合進行仿真可以包括對外科器 件（例如，外科導(dǎo)引器、外科工具、矯形器或假體）在人體部分的3D模型的一個或多個變體 上的擬合進行仿真。擬合仿真的輸出可以包括所得的器件在物體上的位置。在塊412處， 過程確定器件在物理物體的3D模型上的仿真擬合是否處于容差閾值之內(nèi)。在一些方面，可 以將所得的器件在物體上的位置與容差閾值進行對比，以確定在器件的計劃應(yīng)用期間是否 將會在該器件關(guān)于物體被設(shè)計用于的計劃位置的界定區(qū)域內(nèi)使用該器件。下文將參考圖5 討論關(guān)于對器件在物理物體的3D模型上的擬合進行仿真以及確定仿真擬合是否處于容差 閾值之內(nèi)的進一步詳情。
[0049] 在塊414處，所述方法在仿真擬合處于容差閾值之內(nèi)的情況下生成器件的經(jīng)批準(zhǔn) 的設(shè)計。如果仿真擬合不處于容差閾值之內(nèi)，則過程可以繼續(xù)進行以拒絕關(guān)于器件設(shè)計的 設(shè)計實例。在一些方面，打印機（例如，輸出設(shè)備240)被配置用于基于器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè) 計來生成器件。
[0050] 圖5圖示了用于設(shè)計器件的過程的另一示例。在一些方面，過程500可以通過各 種方式來實現(xiàn)，諸如通過例如使用處理器210的計算機102a來實現(xiàn)。在塊502處，過程通 過生成物理物體的3D模型或數(shù)字表示而開始。在一些方面，所述物理物體例如可以包括人 體部分，諸如骨骼（例如，股骨、肱骨、脊柱等）、腿部、手臂、踝部等。
[0051] 在一些方面，如下文進一步詳細(xì)描述，可以在擬合方法中使用仿真模型來實現(xiàn)物 理物體的基于2D圖像的分割，從而創(chuàng)建物體的3D模型。例如，可以將關(guān)于物理物體的仿真 模型與物體的圖像進行對比，以便生成3D模型。例如，仿真模型可以包括代表物理物體的 統(tǒng)計形狀模型，該統(tǒng)計形狀模型可以與物理物體的一個或多個圖像（例如，X射線或其他醫(yī) 療掃描）進行對比或擬合。在一些方面，可以在擬合中使用來自不同角度的多個圖像，以提 供用于擬合仿真模型的多個實例。在一些方面，圖像可以至少包括來自物理物體的冠狀面 和矢狀面的視圖。統(tǒng)計形狀模型可以是代表物理物體的2D或3D模型，并且可以對應(yīng)于具 有與物理物體的特性相似的特性的理論預(yù)期物體。在一些方面，可以在生成物理物體的3D 模型中使用迭代最近點過程或者其變體。例如，統(tǒng)計形狀模型與一個或多個圖像的對比或 擬合可以通過將統(tǒng)計形狀模型與圖像對齊或?qū)?zhǔn)來進行。對齊可以通過選擇統(tǒng)計形狀模型 和/或圖像上的點并繼而將統(tǒng)計形狀模型上的各數(shù)據(jù)點與圖像上的數(shù)據(jù)點相匹配來進行。 可以僅從統(tǒng)計形狀模型，僅從圖像，或者同時從統(tǒng)計形狀模型和圖像選擇點?？梢允褂酶鞣N 匹配方法。例如，可以通過確定圖像上相對于統(tǒng)計形狀模型上的給定點的最近點來進行匹 配。此外，可以相對于圖像來測試統(tǒng)計形狀模型的各種平移和旋轉(zhuǎn)，以便匹配對應(yīng)的點和對 準(zhǔn)統(tǒng)計形狀模型與圖像形狀。過程可以迭代地選擇和匹配統(tǒng)計形狀模型和圖像上的點，以 便完善3D模型和使統(tǒng)計形狀模型與圖像形狀上的對應(yīng)點之間的距離最小化。對齊的結(jié)果 使統(tǒng)計形狀模型適合于圖像，以便精確地生成物理物體的3D模型。一個示例可以包括生成 患者的股骨的3D模型。在該示例中，可以獲得患者股骨的X射線圖像。此外，可以將包括 針對具有與患者的特性（例如，性別、年齡、身高等）相似的特性的理論人的股骨的解剖知 識的統(tǒng)計形狀模型與X射線圖像對齊或?qū)?zhǔn)，以便生成患者股骨的3D模型。可以選擇統(tǒng)計 形狀模型和/或X射線圖像上的各個數(shù)據(jù)點。繼而可以將來自統(tǒng)計形狀模型的數(shù)據(jù)點與X 射線圖像上的數(shù)據(jù)點相匹配。在匹配完成之后，生成患者股骨的3D模型。在下文中將會討 論關(guān)于通過使用仿真模型進行基于2D圖像的分割而從2D圖像生成3D模型的進一步詳情。
[0052] 在一些方面，可以基于3D成像技術(shù)，諸如用以創(chuàng)建3D模型的3D圖像數(shù)據(jù)分割來 生成物理物體的3D模型。例如，可以獲得（例如，磁共振成像（MRI)或計算斷層掃描（CT) 成像）和分割物理物體的各種不同的3D圖像，以便創(chuàng)建3D模型。在一些方面，3D模型可以 基于CT或MRI圖像的3D重建。
[0053] 在一些方面，如上文所述，可以使用仿真模型來實現(xiàn)物理物體的基于2D圖像的分 害!]，以創(chuàng)建物體的3D模型?；?D的分割是從X射線之類的一個或多個2D圖像建立物理 物體的3D模型的統(tǒng)計方法。在關(guān)于醫(yī)療應(yīng)用的一些方面，一個或多個X射線圖像可能不單 獨包括足夠的信息來建立X射線中所描繪的物理物體（例如，骨骼）的可靠3D模型。相應(yīng) 地，為了建立可靠的3D模型，可以使用包括關(guān)于X射線中的物體的解剖知識的仿真模型來 解譯X射線。例如，解剖知識可以凝結(jié)在統(tǒng)計形狀模型（SSM)中。SSM可以在擬合方法中使 用，以通過將SSM擬合至2D圖像而實現(xiàn)物理物體的基于2D圖像的分割從而創(chuàng)建3D模型。 為了設(shè)計業(yè)內(nèi)參與者（例如，醫(yī)療公司、外科醫(yī)生等）所接受的3D模型，可以提供關(guān)于所產(chǎn) 生的模型的幾何結(jié)構(gòu)的精度的信息。相應(yīng)地，擬合的最終結(jié)果包括包含經(jīng)擬合的幾何結(jié)構(gòu) 的3D模型（例如，標(biāo)準(zhǔn)嵌圖語言（Standard Tessellation Language, STL)模型），并且還 包括精度映射。在以下的塊504和塊506處討論使用精度映射來評估和指示3D模型的精 度和質(zhì)量的技術(shù)。
[0054] 如上文所述，物理物體的解剖知識可以凝結(jié)在SSM中。SSM可以用于了解一組X射 線中所含為何物。SSM還具有強大的統(tǒng)計方面，并且可以在擬合方法及相關(guān)的精度映射中使 用?？梢允褂弥鞒煞址治觯≒CA)來生成SSM。PCA分析的輸入包括訓(xùn)練集。由SSM所代表 的物理物體的每個形狀可以變換成向量，并且每個向量可以變換回對應(yīng)的形狀。相應(yīng)地，可 以將每個形狀視為對應(yīng)的向量，并且可以將每個向量視為對應(yīng)的形狀。因此，訓(xùn)練集是向量 的集合。當(dāng)進行PCA時，可以隱含地假定所述向量是具有高斯分布的總體的一部分，并且假 定訓(xùn)練集為代表性的子集。PCA的結(jié)果提供SSM，并且包括平均形狀（或?qū)?yīng)向量）、主成分 的集合以及每個主成分的標(biāo)準(zhǔn)差。

【權(quán)利要求】
1. 一種用于設(shè)計器件的裝置，該裝置包括： 處理器，其配置用于： 生成物理物體的三維模型； 基于精度映射來確定該三維模型是否滿足精度閾值； 生成所述器件的仿真表示； 確定所述器件的所述仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值； 如果所述器件的所述仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值，則對所述器件在所述三維模型上 的擬合進行仿真； 確定所述器件在所述三維模型上的仿真擬合是否處于容差閾值之內(nèi)；以及 如果所述仿真擬合處于所述容差閾值之內(nèi)，則生成所述器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述處理器配置用于生成所述精度映射。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括存儲器，其中所述處理器配置用于從所述存儲器檢 索所述精度映射。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述處理器還配置用于基于穩(wěn)定性評分來確定所述器 件的所述仿真表示是否滿足所述穩(wěn)定性閾值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，其中所述處理器配置用于生成所述穩(wěn)定性評分。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的裝置，還包括存儲器，其中所述處理器配置用于從所述存儲器檢 索所述穩(wěn)定性評分。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述處理器配置用于在所述器件的所述仿真表示不滿 足所述穩(wěn)定性閾值的情況下生成所述器件的第二仿真表示。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真包括對 所述器件在所述三維模型的一個或多個變體上的擬合進行仿真。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真包括將 所述器件的所述仿真表示對齊在所述物理物體之上以確定最佳擬合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述器件包括外科器件。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述外科器件包括外科導(dǎo)引器、矯形器件、假體器件 和外科工具中的至少一項。
12. 根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中所述物理物體包括人體部分。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真包括 對所述外科器件在所述人體部分的三維模型的一個或多個變體上的擬合進行仿真。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括打印機，該打印機配置用于基于所述器件的所述經(jīng) 批準(zhǔn)的設(shè)計來生成所述器件。
15. -種設(shè)計器件的方法，該方法包括： 生成物理物體的三維模型； 基于精度映射來確定該三維模型是否滿足精度閾值； 生成所述器件的仿真表示； 確定所述器件的所述仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值； 如果所述器件的所述仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值，則對所述器件在所述三維模型上 的擬合進行仿真； 確定所述器件在所述三維模型上的仿真擬合是否處于容差閾值之內(nèi)；以及 如果所述仿真擬合處于所述容差閾值之內(nèi)，則生成所述器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括生成所述精度映射。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括從存儲器檢索所述精度映射。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括基于穩(wěn)定性評分來確定所述器件的所述仿真表示 是否滿足所述穩(wěn)定性閾值。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，還包括生成所述穩(wěn)定性評分。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，還包括從存儲器檢索所述穩(wěn)定性評分。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括如果所述器件的所述仿真表示不滿足所述穩(wěn)定性 閾值則生成所述器件的第二仿真表示。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真包括 對所述器件在所述三維模型的一個或多個變體上的擬合進行仿真。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真包括 將所述器件的所述仿真表示對齊在所述物理物體之上以確定最佳擬合。
24. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述器件包括外科器件。
25. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述外科器件包括外科導(dǎo)引器、矯形器件、假體器件 和外科工具中的至少一項。
26. 根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中所述物理物體包括人體部分。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真包括 對所述外科器件在所述人體部分的三維模型的一個或多個變體上的擬合進行仿真。
28. 根據(jù)權(quán)利要求15的方法，還包括基于所述器件的所述經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計來打印所述器 件。
29. -種用于設(shè)計器件的裝置，該裝置包括： 用于生成物理物體的三維模型的裝置； 用于基于精度映射來確定該三維模型是否滿足精度閾值的裝置； 用于生成所述器件的仿真表示的裝置； 用于確定所述器件的所述仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值的裝置； 用于在所述器件的所述仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值的情況下對所述器件在所述三 維模型上的擬合進行仿真的裝置； 用于確定所述器件在所述三維模型上的仿真擬合是否處于容差閾值之內(nèi)的裝置；以及 用于在所述仿真擬合處于所述容差閾值之內(nèi)的情況下生成所述器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計 的裝置。
30. -種計算機程序產(chǎn)品，包括： 計算機可讀介質(zhì)，其包含： 當(dāng)由計算機執(zhí)行時導(dǎo)致該計算機生成物理物體的三維模型的代碼； 當(dāng)由計算機執(zhí)行時導(dǎo)致該計算機基于精度映射來確定該三維模型是否滿足精度閾值 的代碼； 當(dāng)由計算機執(zhí)行時導(dǎo)致該計算機生成所述器件的仿真表示的代碼； 當(dāng)由計算機執(zhí)行時導(dǎo)致該計算機確定所述器件的所述仿真表示是否滿足穩(wěn)定性閾值 的代碼； 當(dāng)由計算機執(zhí)行時導(dǎo)致該計算機在所述器件的所述仿真表示滿足所述穩(wěn)定性閾值的 情況下對所述器件在所述三維模型上的擬合進行仿真的代碼； 當(dāng)由計算機執(zhí)行時導(dǎo)致該計算機確定所述器件在所述三維模型上的仿真擬合是否處 于容差閾值之內(nèi)的代碼；以及 當(dāng)由計算機執(zhí)行時導(dǎo)致該計算機在所述仿真擬合處于所述容差閾值之內(nèi)的情況下生 成所述器件的經(jīng)批準(zhǔn)的設(shè)計的代碼。
【文檔編號】A61F2/30GK104271076SQ201280069589
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月23日
【發(fā)明者】R·威爾克斯-斯皮特簡斯, J·范登布羅?？? M·詹森斯 申請人:物化股份有限公司