合成骨模型及提供其的方法
【專利摘要】一種用于提供受試者骨的合成骨模型的方法包括提供具有表示三維受試者骨的數據的文件。基于所述數據的至少一部分產生制造指令。將所述制造指令傳遞至制造設備。使用所述制造設備依據所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外殼。所述外殼限定內部空腔。將填充材料放置于所述內部空腔的至少一部分內。還公開了一種合成骨模型。
【專利說明】合成骨模型及提供其的方法
[0001]相關申請
[0002]本申請要求于2011年10月3日提交的美國臨時申請?zhí)?1/542，605的優(yōu)先權，通過引用將其主題全部內容合并于此。
【技術領域】
[0003]本發(fā)明涉及一種建模方法和系統(tǒng)，并且更具體地涉及合成骨模型及提供其的方法。
【背景技術】
[0004]在外科手術中常見的是為了關節(jié)成形術的目的機加工或改變患者組織以允許使用用于固定骨折的內部螺釘、植入人造關節(jié)、固定髓內植入物，以及有利于各種其他外科手術程序。這些外科手術程序包括精確地加工敏感組織。特別地，當外科手術程序為不尋?；驈碗s的手術時，或者當患者的組織結構包括異常(無論先天的還是后天的)時，外科醫(yī)生會希望提前在患者組織結構的物理模型上進行預演或精制外科手術程序以預測手術中的困難或者針對患者問題測試不同的解決方案。外科醫(yī)生還可以或者反而希望出于會診、實驗或任何其他目的(在外科手術程序之前、期間或之后)而具有患者組織結構的物理模型，即使不對該模型作出物理修改。此外，一般性(非患者特異性的)患者組織的物理模型可以用于教學、訓練、預演、患者教育或醫(yī)學領域中許多其他應用。
[0005]當前，“鋸骨(Sawbone) ”物理患者組織模型可購自華盛頓Vashon的PacificResearch Laboratories, Inc.。這些模型可以是通用的或為特定患者組織定制的。然而“鋸骨”模型、特別是定制的模型，可能相對昂貴和/或耗時才能得到。

【發(fā)明內容】

[0006]在本發(fā)明的一個實施方式中，公開了一種用于提供受試者骨的合成骨模型的方法。提供具有表示三維受試者骨的數據的文件?；谒鰯祿闹辽僖徊糠之a生制造指令。將所述制造指令傳遞至制造設備。使用所述制造設備依據所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外殼。所述外殼限定內部空腔。將填充材料放置于所述內部空腔的至少一部分內。
[0007]在本發(fā)明的一個實施方式中，公開了合成骨模型。依據制造指令直接通過制造設備形成薄壁外殼。制造指令是基于數字表示三維受試者骨的至少一部分的數據。外殼限定內部空腔。將填充材料安置于內部空腔的至少一部分內。外殼由與填充材料不同的殼體材料制成。
[0008]在本發(fā)明的一個實施方式中，公開了一種儲存計算機可執(zhí)行指令的非暫時性計算機可讀存儲介質。當所述計算機可執(zhí)行指令在計算機上執(zhí)行時形成了包括提供具有表示三維受試者骨的數據的文件的方法。提取所述受試者骨的輪廓。基于所述提取輪廓的至少一部分產生制造指令。將所述制造指令以使用者可理解的方式提供至輸出界面。將所述制造指令傳遞至制造設備。使用所述制造設備依據所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外殼。所述外殼由殼體材料制成并限定內部空腔。將與所述殼體材料不同的填充材料放置于所述內部空腔的至少一部分內。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]為了更好地理解本發(fā)明，可以參照附圖，其中:
[0010]圖1A-1C是本發(fā)明的一個實施方式的各種立體圖；
[0011]圖2是闡釋用于廣生圖1A-1C的實施方式的不例過程的流程圖；和
[0012]圖3是為了實現本文中所描述的系統(tǒng)和方法所采用的計算機系統(tǒng)的示意圖(諸如基于在計算機系統(tǒng)上運行的計算機可執(zhí)行指令)。
【具體實施方式】
[0013]本文中示出并描述了示例受試者骨，至少為肩胛骨或其一部分，但是受試者骨可以是任何期望類型例如，但不限于，髖關節(jié)、肩關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)、趾關節(jié)、跖關節(jié)、脊柱結構、長骨(例如，骨折部位)、或用于本發(fā)明的任何其他合適的患者組織應用環(huán)境。
[0014]根據本發(fā)明，圖1A-1C描繪了合成骨模型100。合成骨模型100包括依據制造指令直接通過制造設備形成的薄壁外殼102。實現制造指令的制造設備可以是快速原型制造設備，該快速原型制造設備為可以從計算機得到制造指令并由原料響應性地生成結構的一種類型的機器?？焖僭椭圃煸O備為與例如模制方法(其中模具以任何期望樣式來制作、用原料來填充，然后移 除該模具以留下作為產生結構的原料)不同類型的構造技術。使用快速原型制造設備(有時統(tǒng)稱為“三維打印機”)，通?；旧蠜]有在生成目標結構的過程中產生的“負向(negative)”結構或其他外部結構，因此，使用快速原型制造比使用模制或許多其他常規(guī)制造方法具有較少的廢料。用于本發(fā)明的合適的快速原型制造設備/方法包括，但不限于，添加型制造設備/方法(例如，選擇性激光燒結[SLS]、熔融沉積成型[FDM]、直接金屬激光燒結[DMLS]、立體平版印刷[SLA]、包層、電子束熔煉、電子束直接制造、氣溶膠噴射、油墨噴射、半固體自由形式制造、數字光處理、2-光子光聚合、分層實體制造[L0M]、3維打印[3DP]、等等)和減去型制造設備/方法(例如，由合適的材料進行計算機數控加工[CNC]、放電加工、電化學加工、電子束加工、光化學加工、超聲波加工、輪廓銑削、
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[0015]制造指令可以基于數字表示三維受試者骨的至少一部分(本文中顯示為肩胛骨)的數據。本文中使用術語“數字表示”是指任何相對比例的物理物品的復制品或拷貝。受試者骨的數字表示可以是受試者患者組織的總體或部分表示，并且可以按任何合適方式產生。例如，如在下面說明中假定的，數字表示可以基于輸入到計算機輔助制圖(“CAD”)系統(tǒng)內的計算機斷層成像(“CT”)數據。另外或作為替代方案，數字表示可以基于數字或模擬放射線成像、磁共振成象、或任何其他合適的成像方式。通常為使用者顯示數字表示以例如通過使用計算機或其他圖形工作站界面在外科手術前進行回顧和操作。
[0016]外殼102限定內部空腔104。如圖1C可見，將填充材料106安置于內部空腔104的一部分內。外殼102可以由與填充材料106不同的殼體材料108制成。例如，殼體材料108可以具有第一密度而填充材料106可以具有第二密度；可選擇地，第二密度小于第一密度。殼體材料108可以是針對利用快速原型成型機器配置的任何合適的快速原型成型材料，例如，但不限于，冷固化樹脂、環(huán)氧樹脂、其他樹脂、70%無機聚合物、聚氨酯、氨基甲酸酯、其他聚合物、臘、模型板和工具板(modeling and tooling board)、粘土、彈性體、衆(zhòng)糊、石膏、水泥、塑料、金屬、糖果(candy)、紙型(papier-mache)、等等。填充材料106可以是任何合適的材料，其可以放置于內部空腔104的至少一部分內并且通過其自身性能(例如，在適當的位置干燥或固化)或通過使用基本上防止填充材料從內部空腔出來的屏障(未示出)而保持在那里。合適的填充材料106包括，但不限于，可膨脹的氨基甲酸酯泡沫、膨脹的聚苯乙烯泡沫、其他泡沫、水、其他流體、等等?？蛇x擇地，填充材料106可以基本上是固體并且經過成形或加工以適合在內部空腔104的期望部分內。但是，考慮了，針對本發(fā)明大多數應用而言，將選擇填充材料106用于供應至內部空腔104內(流動通過可能復雜的內部通道)從而基本上填充內部空腔的至少一部分，然后在適當位置硬化或固化，由此保持在內部空腔內。
[0017]可選擇地，外殼102可以被移除，為使用者留下以“模制”形式的填充材料106。在這種情況下，外殼102可以設計成“模具(mold) ”并且可以是并未精確復制三維受試者骨的改變形式；反而，可以配置制造指令以使填充材料106成形為期望的最終結構。然而，對于本發(fā)明的大多數應用而言，考慮了完整地留下外殼102作為最終合成骨模型100的一部分。
[0018]圖2的流程圖表示可以用于生成圖1A-1C的合成骨模型100的一系列步驟。在第一動作塊210中，提供了具有表示三維受試者骨的數據的文件。如前所提到的，該文件可以是圖像文件。可以預測，可以要求某些類型的圖像處理使圖像文件成為表示三維受試者骨的形式。例如，掃描過程的不希望的殘影(artifact)(例如，由患者組織上/中存在金屬引起的“陰影”、由內部患者組織成分的邊界附近相似的組織密度引起的“模糊”邊緣、等等)可以在產生數據期間和/或圖2中描述的過程后期被除去。
[0019]在第二動作塊212中，制造指令基于數據的至少一部分而產生。這些制造指令能夠以任何合適方式產生并且可以基于任何自動或手工標準或者規(guī)則，如針對輸入數據、制造設備、制造方法、待生產的期望的合成骨模型100、或任何其他因素(單獨地或組合地)的特定組合所要求的。例如，計算機輔助制圖(“CAD”)程序可以接收數據并響應性地產生用于傳送至快速原型成型機器的STL文件(立體平版印刷指令格式文件)。例如可以通過包括以下步驟的方法來產生制造指令:提取受試者骨的外部邊界或輪廓以及將外部輪廓向內投影(projecting)外殼102的期望厚度，然后基于提取和/或投影的外部輪廓的至少一部分產生制造指令。外殼102的期望厚度可以具有任何期望尺寸。例如，對于本發(fā)明的某些應用而言，外殼102可以具有約0.5至5毫米之間、更具體地約2毫米的厚度。外殼102的厚度不必是恒定不變的，而是在外殼的本體內的不同部分可以改變。例如，可能希望外殼的特定突出物是實心體，其中并沒有安置內部空腔104，可能希望的實施例情況是如果使用者想要改變或加工完成的合成骨模型100的那個區(qū)域并且希望操作大體上均勻體積的殼體材料108?？紤]了，針對本發(fā)明的特定應用而言，本領域技術人員將能夠詳細說明合適的外殼102結構。
[0020]可選擇地，可以將制造指令以使用者可理解的形式提供至輸出界面。換言之，制造指令可以與打印機、顯示器、或任何其他合適的設備組合使用以將合成骨模型100的外殼102的預期性能(例如，尺寸、形狀、顏色、或任何其他使用者可感知的性能)按視覺、數值、觸覺、或任何其他形式顯示給使用者。例如，可以在外殼102的預期最終外觀的顯示器上為使用者呈現三維(立體)圖。
[0021]作為制造指令的一部分或者在生成合成骨模型之后，可以將患者的名字、標識號碼、外科醫(yī)生的名字和/或任何其他所需的標示符以清晰易讀的方式模制入合成骨模型100內、打印于合成骨模型100上、附接至合成骨模型100或以其他方式與合成骨模型100關聯(lián)。
[0022]第三動作塊214包括將制造指令傳遞至制造設備(未示出)。該制造設備可以是任何期望類型，例如，但不限于，上述的那些。本領域技術人員可以容易地選擇合適于本發(fā)明特定應用的制造設備。可以將制造設備直接連接至制造指令源，可以使制造指令最終定下來并且通過間接連接(例如，互聯(lián)網連接)提供至制造設備，可以保存制造指令用于后面的應用、或可能出現將制造指令提供至制造設備的任何其他方法、系統(tǒng)、順序，或者定時(timing)。
[0023]一旦將制造指令傳遞至合適的制造設備，第四動作塊216就會提供使用制造設備依據制造指令直接生成限定內部空腔104的合成骨模型100的薄壁外殼102。本文中使用術語“直接生成”以表示在通過制造設備接收制造指令的過程期間、在授權制造設備開始生產外殼102期間、在執(zhí)行針對制造設備的任何必要的內部處理以識別并實現制造指令期間、以及生成外殼期間基本上無中間步驟、結構或過程。例如，“直接生成”不包括使用制造設備生成模具，其中由該模具模制外殼102。可以預測，通過制造設備使用的原料為形成外殼102的相同的殼體材料108 (或通過制造設備將其加工成殼體材料)?？梢灶A測，通過制造設備將某種類型的支撐結構包含于外殼102中，或者當通過制造設備新生成外殼時，夕卜殼的結構可以包括制造過程的某些其他類型的殘影(artifact)。因此，使用者可以選擇執(zhí)行某種生成后“清除”或包括硬化或固化過程的處理工作，以生成最終外殼102。需要或希望的生成后處理工作的類型可以取決于所使用的制造過程的類型。
[0024]在第五動作塊218中，一旦外殼102完成任何希望的生成后處理，將填充材料106放置于在內部空腔104的至少一部分內。能夠以任何合適的方式以及在生成外殼102之后的任何希望的時間進行這種放置。例如，當填充材料106為氣溶膠泡沫時，可以在外殼102的附近和/或內部放置噴嘴以便按希望的方式分布填充材料。對于本發(fā)明的某些應用環(huán)境而言，填充材料106可以與殼體材料108不同。本領域技術人員能夠在外殼102內部生成填充材料106的合適排列，以生成用于本發(fā)明特定應用的希望的合成骨模型100?？梢栽诎ㄉ赏鈿ぶ?、期間或之后的任何希望的時間將填充材料106放置于外殼102內。例如，制造設備可以是同時生成外殼102并將填充材料106放置于該外殼的至少一部分內的添加型制造設備。
[0025]可選擇地，可以使填充材料106經受某種填充后處理。例如，可以移除從外殼102突出的過量填充材料106,外殼102和/或填充材料106可以經受硬化或固化處理、或者可以根據需要實施任何其他填充后處理。
[0026]—旦將填充材料106放置于外殼102內并且完成了二者之一的任何希望的處理，可以認為合成骨模型100完成并且可以根據需要用于參考、實踐或任何其他目的。
[0027]圖3闡釋了計算機系統(tǒng)320，其可以用于實現本文中所描述的系統(tǒng)和方法，如基于在計算機系統(tǒng)上運行的計算機可執(zhí)行指令的那些?？梢愿鶕枰试S使用者在外科手術之前使用計算機系統(tǒng)320模擬計劃的外科手術程序?？梢栽谝粋€或多個一般目的的聯(lián)網計算機系統(tǒng)、嵌入式計算機系統(tǒng)、路由器、交換機、服務器設備、客戶端設備、各種中間設備/節(jié)點和/或獨立計算機系統(tǒng)上實現計算機系統(tǒng)320。此外，使計算機系統(tǒng)320作為運行計算機可執(zhí)行指令的計算機輔助工程(CAE)工具的一部分來實現以執(zhí)行本文中所述的方法。
[0028]計算機系統(tǒng)320包括處理器322和系統(tǒng)內存324。雙微處理器和其他多處理器架構還可以用作處理器322。處理器322和系統(tǒng)內存324可以通過數種類型總線結構的任何一種進行結合，該總線結構包括內存總線或內存控制器、外圍總線、以及使用各種總線架構的任何一種的局部總線。系統(tǒng)內存324包括只讀存儲器(ROM) 326和隨機存取存儲器(RAM) 328，它們二者都可以被認為是計算機可讀存儲介質?；据斎?輸出系統(tǒng)(BIOS)可以存在于通常含有幫助在計算機系統(tǒng)320內的元件之間傳遞信息的基本例行程序如復位或上電的R0M326 中。
[0029]計算機系統(tǒng)320可以包括一種或多種類型的長期數據存儲器330或其他計算機可讀存儲介質，包括硬盤驅動器、磁盤驅動器(例如，用于讀出或寫入可移動磁盤)、和光盤驅動器(例如，用于讀取CD-ROM或DVD光盤或讀出或寫入其他光介質)?？梢酝ㄟ^驅動器接口 332將長期數據存儲器330連接至處理器322。對于計算機系統(tǒng)320而言，長期數據存儲器330組件提供數據、數據結構和計算機可執(zhí)行指令的非易失性存儲。還可以將許多程序模塊存儲于一個或多個驅動器中以及包括操作系統(tǒng)、一個或多個應用程序、其他程序模塊和程序數據的RAM328中。
[0030]使用者可以通過一種或多種輸入設備334如鍵盤或指針設備(例如，鼠標)將命令和信息輸入計算機系統(tǒng)320。常常通過設備接口 336將這些和其他輸入設備連接至處理器322。例如，可以通過并行端口、串行端口或通用串行總線(USB)的一種或多種將輸入設備334連接至系統(tǒng)總線。還可以經由設備接口 336將一種或多種輸出設備338，如可視化顯示設備或打印機，連接至處理器322。
[0031]計算機系統(tǒng)320可以在使用邏輯連接(例如，局域網(LAN)或廣域網(WAN)的聯(lián)網環(huán)境中對一個或多個遠程計算機340進行操作。給定的遠程計算機340可以是工作站、計算機系統(tǒng)、路由器、對等設備或其他常用網絡節(jié)點，并且通常包括相對于計算機系統(tǒng)320所描述的許多或全部元件。計算機系統(tǒng)320可以經由網絡接口 342如有線或無線的網絡接口卡或調制解調器與遠程計算機340進行通訊。在聯(lián)網環(huán)境中，可以將相對于計算機系統(tǒng)320或其一部分所描述的應用程序和程序數據儲存于與遠程計算機340相聯(lián)系的存儲器中，該存儲器也可以被認為是計算機可讀存儲介質。
[0032]雖然已參考上面的優(yōu)選實施方式具體地示出并描述了本發(fā)明的各方面，但本領域技術人員應當理解的是，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以考慮各種另外的實施方式。例如，使用所描述系統(tǒng)的上述具體方法僅僅是說明性的；本領域技術人員可以容易地確定任何數量的工具、步驟的順序、或用于將上述裝置或其組件虛擬地或實際地放置于基本上相似于本文所示和所描述的那些的位置內的其他方法/選擇。任何所描述的結構和組件都可以作為單件而整體形成或由單獨的子組件構成，這兩種構造的任一種包括任何合適的庫存或定制組件和/或任何合適的材料或材料的組合。盡管本文中所描述的某些組件顯示為具有特定幾何形狀，對于本發(fā)明的特定應用而言，本發(fā)明的所有結構也可以根據需要具有任何合適的形狀、尺寸、配置、相對關系、橫斷面積、或任何其他物理特性。可以單獨地或與其他結構或特征組合地將參考本發(fā)明的一個實施方式或配置所描述的任何結構或特征提供至任何其他實施方式或配置，當描述本文中所討論的每中實施方式和配置具有相對于所有的其他實施方式和配置所討論的所有選擇并不實際時。本文中所描述的任何組件都可以具有表面處理(例如，紋理化、凹口等)、材料選擇、和/或其他特性。本文中描述的系統(tǒng)不僅用來計劃和/或模擬將一種或多種假體結構植入患者身體內的外科手術程序，而且或反而不管在該程序之后非原生組件是否留在患者身體內都可以用于計劃和/或模擬任何外科手術程序。結合這些特征的任何一種的設備或方法應當被理解為落入如基于下面的權利要求及其任何等同物所確定的本發(fā)明的范圍內。
[0033]可以從附圖、披露內容和所附權利要求的研究得到本發(fā)明的其他方面、目的和優(yōu)點。
【權利要求】
1.一種用于提供受試者骨的合成骨模型的方法，所述方法包括以下步驟: 提供具有表示三維受試者骨的數據的文件； 基于所述數據的至少一部分產生制造指令； 將所述制造指令傳遞至制造設備； 使用所述制造設備依據所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外殼，其中所述外殼限定內部空腔；以及 將填充材料放置于所述內部空腔的至少一部分內。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述受試者骨的模板為圖像文件。
3.根據權利要求1所述的方法，其中所述基于所述數據的至少一部分產生制造指令的步驟包括以下步驟: 提取所述受試者骨的外部輪廓；和 使所述外部輪廓向內投影所述外殼的期望厚度。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述外殼由具有第一密度的殼體材料制成而所述填充材料具有第二密度。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述第二密度小于所述第一密度。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述外殼由選自包括以下各項的組的殼體材料制成:冷固化樹脂、環(huán)氧樹脂、其他樹脂、70%無機聚合物、聚氨酯、氨基甲酸酯、其他聚合物、蠟、模型板和工具板、粘土、彈性體、漿糊、石膏、水泥、塑料、金屬、糖果和紙型。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述填充材料選自包括以下各項的組:可膨脹的氨基甲酸酯泡沫、膨脹的聚苯乙烯泡沫、其他泡沫、水和其他流體。
8.根據權利要求1所述的方法，其中所述制造設備為快速原型制造設備。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述制造設備為添加型制造設備和減去型制造設備中至少一種。
10.一種合成骨模型，包括: 薄壁外殼，其依據制造指令直接由制造設備形成，所述制造指令基于數字表示三維受試者骨的至少一部分的數據，所述外殼限定內部空腔；以及 填充材料，其安置于所述內部空腔的至少一部分內； 其中所述外殼由與所述填充材料不同的殼體材料制成。
11.根據權利要求10所述的合成骨模型，其中所述殼體材料具有第一密度而所述填充材料具有第二密度。
12.根據權利要求11所述的合成骨模型，其中所述第二密度小于所述第一密度。
13.根據權利要求10所述的合成骨模型，其中所述殼體材料選自包括以下各項的組:冷固化樹脂、環(huán)氧樹脂、其他樹脂、70%無機聚合物、聚氨酯、氨基甲酸酯、其他聚合物、蠟、模型板和工具板、粘土、彈性體、漿糊、石膏、水泥、塑料、金屬、糖果和紙型。
14.根據權利要求10所述的合成骨模型，其中所述填充材料選自包括以下各項的組:可膨脹的氨基甲酸酯泡沫、膨脹的聚苯乙烯泡沫、其他泡沫、水和其他流體。
15.根據權利要求10所述的合成骨模型，其中所述制造指令通過快速原型制造設備來實現。
16.根據權利要求10所述的合成骨模型，其中所述制造指令通過添加型制造設備和減去型制造設備的至少一種來實現。
17.一種儲存計算機可執(zhí)行指令的非暫時性計算機可讀存儲介質，當所述指令在計算機上執(zhí)行時形成一種方法，所述方法包括: 提供具有表示三維受試者骨的數據的文件； 提取所述受試者骨的輪廓； 基于所述提取輪廓的至少一部分產生制造指令； 將所述制造指令以使用者可理解的形式提供至輸出界面； 將所述制造指令傳遞至制造設備； 使用所述制造設 備依據所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外殼，所述外殼由殼體材料制成并限定內部空腔；以及 將與所述殼體材料不同的填充材料放置于所述內部空腔的至少一部分內。
18.根據權利要求17所述的計算機可讀存儲介質，其中所述殼體材料具有第一密度而所述填充材料具有第二密度。
19.根據權利要求17所述的計算機可讀存儲介質，其中所述第二密度小于所述第一密度。
20.根據權利要求17所述的計算機可讀存儲介質，其中提取所述受試者骨輪廓的步驟包括以下步驟: 識別所述受試者骨的外部邊界；和 將所述外部邊界向內投影所述外殼的期望厚度。
【文檔編號】G09B23/30GK103959359SQ201280058603
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2012年9月28日 優(yōu)先權日:2011年10月3日
【發(fā)明者】詹森·A·布賴恩, 瑞安·S·克拉特, 彼得·D·奧尼爾 申請人:克利夫蘭臨床醫(yī)學基金會