用于生成制造模型的方法和计算单元与流程

本公开涉及用于生成制造模型的方法和计算单元。

背景技术：

对于植入物的生产，期望不仅实现最大可能的自动化程度以便递送高效率水平，而且还实现了与所讨论的患者的解剖的个体特点的最佳可能匹配，其在理论上与制造过程的总自动化相矛盾。患者特定解剖学适应的需求在这种情况下适用于不同植入物，诸如骨植入物、椎间盘置换或用于塑料或重建外科手术的软骨结构。

尤其是在经受由于与一个或多个周围组织结构相互作用(例如，由于运动)而造成的恒定载荷的植入物的情况下，植入物与周围组织的详细的患者特定匹配可以阻止由于载荷而造成的植入物的衰退。同样，这还使得能够减少涉及相互作用的由植入物引起的对组织结构的不期望的追溯性影响，从而帮助防止由于植入物而造成的组织结构的炎症、磨损、硬化、以及物理磨损和撕裂反应。

WO 2004/110309公开了一种方法，其为了生产植入物，首先获取要获取植入物的身体区域的三维断层图像数据、并且在身体区域的所述图像数据的基础上生成植入物的制造模型。最后，植入物凭借在断层摄影图像数据的基础上产生的制造模型来制作。在WO 2014/036551中，公开了一种植入物的患者特定实施例的方法，其利用三维断层摄影图像数据特别用于确定骨骼植入物与被指定用于植入物的骨骼的二维接触区域。

然而，一般而言，在所引用的方法的情况下，仅使用单个模态获取图像数据，即例如，借助于计算机断层摄影(CT)或磁共振断层摄影(MRT)，然后借助于由一个模态生成的所述图像数据直接 产生植入物的制造模型。这样做的结果是，在生成制造模型中，基本上仅考虑问题身体区域的那些解剖结构(即，CT中的骨骼结构或MRT中的软组织结构)，其通过所使用的模态特别有效地得以解析。

上文所描述的挑战不仅扩展到植入物，而且还扩展到在医学工程领域中使用的其它对象。特别地，对象可以是用于辐射规划或外科手术的定位辅助件(aid)。

技术实现要素：

因此，本发明所解决的问题是公开一种用于生成用于医学工程领域的对象的制造模型的方法，其实现了对象与患者特定解剖特点的最佳可能匹配。

该问题借助于根据权利要求1所述的方法、借助于根据权利要求11所述的计算单元、借助于根据权利要求12所述的成像设备、以及借助于根据权利要求13所述的计算机程序产品、借助于根据权利要求14所述的计算机可读介质、和借助于根据权利要求15所述的对象来解决。

结合所要求保护的设备以及结合所要求保护的方法在下文中对该问题的本发明解决方案进行描述。在该上下文中所引用的特征、优点或备选实施例变型同样还适用于其它所要求保护的主题事项，反之亦然。换言之，物理型权利要求(其涉及例如一种设备)还可以使用结合方法所描述或要求保护的特征进行开发。该方法的对应的功能性特征在这种情况下由对应的物理模块体现。

本发明的第一方面基于的事实是：借助于至少一个第一接口来接收患者的感兴趣检查区域的至少一个第一3D图像数据集、以及该感兴趣检查区域的第二3D图像数据集。本发明人已经认识到，可以至少基于第一3D图像数据集来确定感兴趣检查区域的几何模型，并且可以至少基于第二3D图像数据集来确定感兴趣检查区域的第一材料特性的第一空间分布。基于几何模型和第一空间分布，可以生成用于医学工程领域的对象的数字制造模型，该制造模型具有取决 于第一分布的对象的材料组成。因此，制造模型考虑了感兴趣检查区域的几何形状和第一材料特性，其结果是基于制造模型的对象在很大程度上与患者特定解剖特点相匹配。

几何模型包括关于感兴趣检查区域的结构(特别地，关于感兴趣检查区域的至少一部分的至少一个表面或边界表面)的信息。制造模型包括关于对象结构(特别地，关于对象表面)的信息。关于对象结构的信息可以被确定为几何模型的函数；特别地，对象结构可以被确定为负形状或作为几何模型中的结构的置换。

可以借助于3D打印机产生对象。这样的3D打印机依照制造模型的原型直接生成对象，特别地借助于CAD(计算机辅助设计的缩写)。可以使用不同的生产材料(特别地，陶瓷、金属、塑料和合成树脂)以便生成对象。在这种情况下，不同的生产材料可以借助于熔化或胶合工艺彼此接合。3D打印的特殊变型是用于金属的选择性激光熔化或电子束熔化、以及用于塑料、陶瓷和金属的选择性激光烧结。就本发明而言，(多)喷射方法特别有利。这需要借助于一次或多次喷射(jet)沉积多个层(特别地，一种或多种塑料和/或合成树脂)。因此，3D打印机可以具有用于铺设层(特别地，塑料和/或合成树脂)的一个或多个喷射。因此，制造模型可以包括关于借助于(多)喷射法来施加的各个层的层厚度的信息。

更进一步地，以下技术术语对于3D打印的变型是已知的：弹道层制造、覆层、计算机数字控制、轮廓手工制作、数字光处理、激光直接成型、直接制造、直接金属沉积、直接金属激光烧结、直接壳型生产铸造、电子束熔化、电子束投影光刻、电泳沉积、熔融沉积建模、喷墨沉积、分层实体制造、激光烧蚀、激光工程净成形、激光金属成型、激光粉末成形、激光切割、微细加工，多喷射建模、多光子光刻、光刻、基于石膏的3D打印、自动注浆成型(robocasting)、选择性熔合、选择性激光熔化、选择性激光烧结、面曝光制程(Solid Ground Curing)、旋转铸造、立体光刻。

特别地，对象可以是植入物。植入物可以是骨骼或软骨结构、 椎间盘、器官或器官的一部分(例如，心脏瓣膜或支架，特别地，用于血管)的置换。植入物优选地由生物相容生产材料制成或涂有此类材料。因此，植入物可以以3D打印机至少部分地施加生物生产材料这样的方式来产生。在本发明的变型中，生物生产材料借助于(多)喷射方法至少部分地沉积。更进一步地，植入物可以包括借助于化学处理和/或表面处理的附加功能。例如，植入物可以具有药理学上是活性的物质，使得这些被释放到患者的血流中。

根据本发明的另一方面，第一3D图像数据集是以第一X射线能量获取的CT数据集，而第二3D图像数据集是以第二X射线能量获取的CT数据集。在这种情况下，第一X射线能量与第二X射线能量不同。更进一步地，在这个方面的情况下，第二确定基于第一和第二3D图像数据集两者。以不同X射线能量扫描感兴趣检查区域也就是允许标识感兴趣检查区域中的材料，骨骼和软组织结构特别地容易区分。更进一步地，这还使得能够确定材料的浓度。例如，骨骼密度可以通过这种途径来确定。

根据本发明的另一方面，第一3D图像数据集具有的空间分辨率高于第二3D图像数据集。由于高空间分辨率，所以第一3D图像数据集特别适合用于确定感兴趣检查区域的几何模型。然而，并不一定需要相同的高空间分辨率以便确定第一材料特性的第一空间分

布。特别地，可能已经借助于与第二3D图像数据集不同的成像模态来获取第一3D图像数据集。

根据本发明的另一方面，第一材料特性是机械特性。当制造模型具有取决于感兴趣检查区域的机械特性的对象的材料组成时，匹配对象也就是特别成功。因此，制造模型具有使得后者与患者特定解剖特点匹配的对象的材料组成。

根据本发明的另一方面，机械特性涉及弹性、密度、强度或硬度。在本申请的含义内，弹性可以是体积模量、刚性模量、或弹性模量。关于强度，它可以特别是拉伸强度、耐压性、压缩强度、弯曲强度、扭转强度、或剪切强度。

根据本发明的另一方面，用于生成制造模型的方法还包括基于第一空间分布来分类感兴趣检查区域的子区域的步骤。在这种情况下，子区域可以被分配给不同组织类别。更进一步地，特定类别的子区域(特别地，组织)可以被分配给特定材料特性。

根据本发明的另一方面，以对象的材料组成与第一空间分布相对应这样的方式来生成制造模型。然后，空间分布与生产材料的3D分布相对应。特别地，可以通过建立对象的材料组成和第一空间分布之间的函数关系来生成制造模型。这样的函数关系可以通过默认预先定义或可以由用户来选择。

根据本发明的另一方面，用于生成制造模型的方法包括模拟感兴趣检查区域上的载荷的步骤，材料组成被确定为模拟的函数。通常，该模拟是基于几何模型以及第一空间分布。基于所模拟的载荷，可以推导出必须由材料组成满足的要求。在这种情况下，可以模拟静态和/或动态载荷。模拟可以用数字实现。模拟可以使用FEM方法(FEM＝有限元建模的缩写)、有限差方法、有限体积方法、或凭借lattice-Boltzmann方法来执行。

更进一步地，可以以材料组成是不均匀和/或各向异性的这样的方式来生成制造模型。特别地，制造模型可以具有至少两种不同生产材料的梯度。更进一步地，不均匀的和/或各向异性的材料组成还可以产生对象的不均匀和/或各向异性机械特性。

根据本发明的另一方面，借助于数据库来生成制造模型，分配给生产材料的多个不同的第一材料特性被存储在数据库中。特别地，材料特性可以被分配给特定混合的生产材料。这使得能够以特别简单和可靠的方式来确定对象的材料组成。

根据本发明的另一方面，用于生成制造模型的方法包括向3D打印机传递制造模型、以及借助于3D打印机基于制造模型来打印对象。制造模型可以特别地经由第一接口或经由另一个第二接口进行传递。

根据本发明的另一方面，制造模型经由网络被传递到3D打印 机。这使得能够在不同位置处产生对象。制造模型可以包括用于生成对象的所有必要信息。然而，制造模型还可以在传递之后进行修改。例如，制造模型可以以STL(表面镶嵌语言的缩写)或AMF(附加制造格式的缩写)存在。特别地，网络可以是内联网或互联网。

本发明还涉及到一种用于生成用于医学工程领域的对象的制造模型的计算单元，包括以下单元：

-第一接口，被体现为用于接收患者的感兴趣检查区域的至少一个第一3D图像数据集、以及该感兴趣检查区域的第二3D图像数据集，

-确定单元，被体现为借助于确定单元至少基于第一3D图像数据集来第一确定感兴趣检查区域的几何模型、并且至少基于第二图像数据集来第二确定感兴趣检查区域的第一材料特性的第一空间分布，

-生成单元，被体现为用于基于几何模型和第一空间分布来生成对象的数字制造模型，其中，制造模型具有取决于第一分布的对象的材料组成。

这种计算单元可以被体现为特别地用于执行根据本发明及其方面的上述方法。该计算单元被体现为借助于第一接口来执行所述方法及其方面，确定单元和生成单元被体现为用于执行对应的方法步骤。在本发明的另一实施例变型中，计算单元还具有第二接口和3D打印机以便传递和打印制造模型。本发明还涉及一种成像设备，其被体现为用于获取第一和/或第二3D图像数据集，具有根据本发明的计算单元。

第一3D图像数据集与第二3D图像数据集不同。例如，可以使用不同成像设备或使用不同获取参数来获取两个3D图像数据集。成像设备可以是断层摄影设备，特别地，计算机断层摄影设备或磁共振断层摄影设备。更进一步地，成像设备可以是X射线装置，诸如C形臂X射线设备。成像设备还可以是被配置成获取3D图像数据集的超声设备。超声设备可以特别地借助于被称为多普勒超声检查法 来获取3D图像数据集。更进一步地，3D图像数据集还可以借助于扩散成像来产生。

3D图像数据集可以包括已经在不同时刻处获取的感兴趣检查区域的多个3D图像。特别地，3D图像可以断层摄影图像。因此，在获取3D图像数据集期间，借助于断层摄影设备在不同时刻处获取多个测量数据。从所述测量数据可以重建具有不同时间相关焦点的3D图像。因此，必须向不同时刻分配所重建的3D图像。特别地，可以在单次扫描期间获取用于3D图像数据集的测量数据。

在本申请的范围内，“3D”用于指定空间立体特性。如果3D图像数据集包括在不同时刻处获取的多个3D图像，则所述3D图像数据集还可以被描述为4D图像数据集。在这种情况下，“4D”表示空间三维以及时间特性。因此，4D图像数据集还包括3D图像数据集。

本发明还涉及一种具有计算机程序和计算机可读介质的计算机程序产品。主要通过软件实现的方式的优点是，还可以借助于软件更新很容易地升级先前已经使用的计算单元以便以本发明方式操作。与计算机程序一样，这样的计算机程序产品可以在必要时包含附加的组成部分，诸如例如，文档和/或附加组件(包括硬件组件，诸如例如，硬件密钥(加密狗等))，以便使用软件。

附图说明

参照在附图中图示的示例性实施例，下文对本发明进行更详细地描述和解释。示例性实施例特别应对其中对象是植入物的情况。在另一实施例变型中，对象不是植入物。特别地，在不作更详细描述的另一实施例变型中，对象可以是用于辐射规划或外科手术的定位辅助件。

在附图中：

图1示出了计算单元，

图2示出了包括计算单元的网络，

图3示出了成像设备，

图4示出了感兴趣检查区域的3D图像，

图5示出了基于植入物的示例的对象，

图6示出了用于产生对象的方法的流程图。

具体实施方式

这里所示出的计算单元和这里所示出的成像设备被配置成执行根据本发明的方法。图1示出了计算单元。这里所示出的计算单元包括第一接口19、确定单元18、和连接到3D打印机30的生成单元20。接口是指通常已知的硬件或软件接口，例如，硬件接口PCI总线、USB或火线。确定单元18和生成单元20两者均可以具有软件元件和硬件元件，例如，被称为FPGA(“现场可编程门阵列”的缩写)的微处理器或设备。确定单元18、接口19和生成单元20可以各自被体现为计算机12的组成部分。更进一步地，计算单元可以与数据库31进行通信。计算单元可以具有其它接口，特别地，用于与数据库31和3D打印机30进行通信。

图2示出了包括计算单元的网络。第一3D图像数据集24和第二3D图像数据集25被存储在服务器16上，并且可以经由网络27被传递到客户端28。在这里所示出的实施例变型中，所述客户端28被体现为计算单元。计算机程序29以可执行的形式被存储在客户端28上。客户端28可以访问其中存储有与特定材料特性相关联的多个生产材料的数据库31。在这里所示出的示例性实施例中，所计算的制造模型26被直接传递到3D打印机30。在另一示例中，这里未示出，制造模型26被传递回服务器16或不同客户端。同时，还可以经由网络27进行制造模型26向3D打印机30的传递TRF。因此，3D打印机30还可以连接到服务器16或不同客户端。

图3示出了基于计算机断层摄影设备的示例的成像设备。这里所示出的计算机断层摄影设备特征为扫描单元17，其包括X射线源8和X射线检测器9。在获取测量数据期间，扫描单元17绕着系统轴线5转动，并且在获取期间，X射线源8发射X射线束2。在这 里所示出的示例中，X射线源8是X射线管。在这里所示出的示例中，X射线检测器9是具有多个行的行检测器。更进一步地，成像设备还可以是具有彼此成对的多个X射线源8和X射线检测器9的计算机断层摄影设备。这种设备特别适用于以不同X射线能量获取3D图像数据集。

用于成像的X射线源8具有X射线束谱，其中，每个谱与所定义的X射线能量相对应。例如，一个谱与该谱的平均X射线能量相对应。谱或X射线能量还可以通过X射线管的设定(特别地，通过X射线管的电压)进行定义。例如，可以在80kV的X线管电压下记录第一3D图像数据25，并且在120kV的X射线管电压下记录第二3D图像数据。因此，在所定义的X射线能量下记录的3D图像数据集表示已经用与所述所定义的X射线能量相对应的谱获取的3D图像数据集。

更进一步地，X射线检测器9可以被体现为计数检测器。计数检测器可以确定所检测到的光子的数目。更进一步地，X射线检测器9可以被体现为能量分辨检测器。能量分辨检测器可以将所检测到的X射线辐射分配给至少两种不同X射线能量中的其中一个。能量分辨检测器使得能够借助于在恒定电压下操作的一个X射线管以不同能量获取两个CT数据集。

在这里所示出的示例中，患者3在获取测量数据期间躺在患者床6上。患者床6被连接到床底座4，使得后者支撑患者床6和患者3。患者床6被配置成通过扫描单元17的孔10沿着扫描方向移动患者3。扫描方向通常由系统轴线5给定，当记录测量数据时，扫描单元17围绕该系统轴线转动。在螺旋扫描中，在扫描单元17围绕患者3转动并且捕获测量数据的同时，患者床6连续地移动通过孔10。因此，X射线束2描述了患者3表面上的螺旋形。对于基于测量数据来重建3D图像，这里所示出的计算机断层摄影设备附加地特征为重建单元14。

另外，像这里所示出的计算机断层摄影设备的成像设备还可以 特征为用于将造影剂注射到患者3的血流中的造影剂注射器。这使得能够使用造影剂以可以使用增强造影剂看到灌注有血液的感兴趣检查区域这样的方式来记录3D图像。更进一步地，造影剂注射器还赋予了致动血管造影获取或执行灌注扫描序列的可能性。增强身体结构和功能的可视化的这样的药剂在成像方法中通常被理解为造影剂。在本申请的范围内，常规造影剂(诸如例如，碘或钆)和示踪剂(诸如例如，¹⁸F、¹¹C、¹⁵O或¹³N)两者在这里均被理解为造影剂。

在这里所示出的示例中，第一接口19被体现为计算机12的一部分。计算机12以屏幕11的形式连接到输出单元并且连接到输入单元7。3D图像可以以各种形式(例如，作为渲染的体积图像或作为截面图像(切片))呈现在屏幕上。输入单元7例如是键盘、鼠标、“触摸屏”、甚至用于语音输入的麦克风。根据本发明的计算机程序29可以借助于输入单元7启动。根据本发明的方法的各个步骤可以由输入单元7来支持；例如，在3D图像中选择感兴趣检查区域可以借助于鼠标点击来确认。

这里所示出的计算机断层摄影设备具有用于重建3D图像的重建单元14。计算机12还包括确定单元18和生成单元20。计算机12和与之相关联的单元可以与计算机可读介质13配合，特别地，以便借助于包含程序代码的计算机程序29来执行根据本发明的方法。更进一步地，计算机程序29的程序代码可以以可检索的形式被存储在机器可读介质13上。特别地，机器可读介质可以是CD、DVD、蓝光光盘、记忆棒或硬磁盘。在这种情况下，计算机程序产品包括计算机程序29和对应的程序代码。

在这里所示出的实施例变型中，至少一个计算机程序29被存储在计算机12的存储器中，并且当计算机程序29由计算单元执行时执行根据本发明的方法的所有方法步骤。用于执行根据本发明的方法的方法步骤的计算机程序29包括程序代码。更进一步地，计算机程序29可以被体现为可执行文件和/或存储在与计算机12不同的计算系统上。例如，计算单元可以被配置成使得计算机程序29经由内 部网或因特网被加载到计算单元的存储器中，以便执行根据本发明的方法。

在另一实施例变型中，第一3D图像数据集24和第二3D图像数据集25借助于不同的成像设备来获取。因此，第一3D图像数据集24可以使用具有高空间和/或时间分辨率的成像设备(例如，借助于CT设备)获取。第二3D图像数据集25然后可以使用具有略低分辨率的成像设备来获取。特别地，第二3D图像数据集25可以是弹性成像图像数据集。弹性成像基于超声或磁共振断层摄影，并且允许确定感兴趣检查区域的至少一部分的弹性。

图4示出了感兴趣检查区域的3D图像。在这里所示出的示例中，感兴趣检查区域是血管段，并且具体地，腹腔中的主动脉的一部分。在这种情况下，3D图像以截面图像或切片形式被呈现在额平面中。虚线23标记血管段的中线。在这里所示出的示例中，无阻碍血流受限于斑块33。因此存在狭窄32(即，血管段的收缩)。这些斑块33具有的材料特性与血管段的壁不同。这里所示出的感兴趣检查区域是重要的传入血管，因此希望以这样的方式来治疗狭窄32：感兴趣检查区域的血流动力学特性以它们与健康患者3的那些相对应的这样的方式借助于植入物21来更改。因此，支架一方面旨在支撑感兴趣检查区域、并且另一方面旨在影响血流动力学特性。可以特别地借助于支架的弹性来影响血液动力学特性。支架的弹性又受到支架的材料组成的影响。因此，本文中所描述的本发明允许植入物21以后者单独与患者3的解剖结构匹配并且因此提高感兴趣检查区域的功能的这样的方式来产生。

图5示出了基于植入物的示例的对象。在这种情况下，植入物以支架的形式体现。所述植入物特别适合于支撑或置换图4所示出的感兴趣检查区域。根据本发明的对象可以使用图6中所图示的方法来产生。使用植入物作为示例对图6中所图示的方法进行更详细地描述。然而，图6中所图示的方法还可以应用于除植入物之外的其它对象。这种方法还可以任选地包括：获取IMG第一3D图像数 据集24和第二3D图像数据集25。在这种情况下，获取IMG还包括：重建3D图像。制造模型的生成是基于借助于第一接口19来接收REC第一3D图像数据集24，其中，第一3D图像数据集24包括患者3的感兴趣检查区域的3D图像。现在接着，借助于确定单元18至少基于第一3D图像数据集24来第一确定DET-1感兴趣检查区域的几何模型，以及借助于确定单元18至少基于第二3D图像数据集25来第二确定DET-2感兴趣检查区域的第一材料特性的第一空间分布。

第一确定DET-1和第二确定DET-2在每种情况下可以基于感兴趣检查区域中的至少一部分的分割。常规算法(诸如面向区域的算法或面向边缘的算法)可以用于分割。更进一步地，分割步骤可以基于感兴趣检查区域(特别地，血管段)的中线23。更进一步地，在不同的3D图像或3D图像数据集中分割的结构可以彼此对准(register)。例如，第一结构可以在第一3D图像数据集24中进行分割，并且第二结构可以在第二图像数据集25中进行分割。这两种结构现在可以彼此对准，特别地，以便确定第一几何模型和/或第一空间分布。更进一步地，在分割步骤之前，第一3D图像数据集24和第二3D图像数据集25还可以彼此对准。

现在实施基于几何模型和第一空间分布来计算CAL植入物21的制造模型26，制造模型26具有取决于第一空间分布的植入物21的材料组成。特别地，制造模型26可以具有用于生产植入物21的生产材料的空间分布。该制造模型26可以限定植入物21的特性，诸如其材料特点、植入物的各个组成部分的厚度等。制造模型26通常被体现为3D模型，并且描述植入物的3D几何形状、以及植入物21的3D材料组成。

更进一步地，计算CAL可以根据基于第一空间分布的感兴趣检查区域的子区域的分类CLF。在这种情况下，子区域可以特别被分配给不同的材料类别。例如，可以首先确定弹性和/或X射线吸收特性的第一空间分布。更进一步地，弹性和/或X射线吸收特性可以被 分配到感兴趣检查区域的特定子区域，特别地，基于所述子区域的分割。然后，这些子区域可以根据其弹性和/或X射线吸收特性被分组成类别。这些类别可以是组织类别。这样的类别可以是“骨骼”、“软骨”、“肌肉组织”。子区域还可以分为亚类，例如，“骨骼密度降低的骨骼”。

更进一步地，计算CAL可以基于模拟SIM感兴趣检查区域上的载荷，材料组成被确定为模拟的函数。可以静态或动态地对载荷进行模拟。特别地，可以模拟考虑了与感兴趣检查区域邻近的组织的相互作用的载荷。更进一步地，第一材料特性的第一空间分布可以以空间分布承受模拟载荷的这样的方式来确定。这使得制造模型26能够单独与患者3的解剖结构进行匹配。

任选地，可以执行制造模型26的修改MOD的步骤。可以基于计算单元的用户的输入或基于所预先定义的边界条件来实施修改MOD。输入可以带来制造模型26的直接修改MOD，例如，在于对植入物21的结构的厚度进行调整。更进一步地，可以任选地进行显示PIC制造模型26的步骤。例如，制造模型26可以被显示在显示单元11上。修改MOD可以用所显示的制造模型26通过输入单元7和显示单元11借助于用户的交互来实现。例如，可以标记所显示的制造模型26的区域并且移位所标记的区域。修改MOD还可以包括对制造模型26进行缩放。

制造模型26可以以不同的格式存在或转换成不同的格式。特别地，制造模型26可以以STL格式存在。制造模型26现在可以被传递到3D打印机30，例如，经由网络27通过传递TRF。然后接着，借助于3D打印机30基于制造模型26来生产PRT植入物21。在这种情况下，3D打印机30借助于打印工艺将与制造模型26的结构、材料组成等有关的信息转换成植入物21。

在本发明的另一实施例变型中，术语“基于”可以被替换为“根据”或“功能上取决于”。