合成骨模型及提供其的方法
【专利摘要】一种用于提供受试者骨的合成骨模型的方法包括提供具有表示三维受试者骨的数据的文件。基于所述数据的至少一部分产生制造指令。将所述制造指令传递至制造设备。使用所述制造设备依据所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外壳。所述外壳限定内部空腔。将填充材料放置于所述内部空腔的至少一部分内。还公开了一种合成骨模型。
【专利说明】合成骨模型及提供其的方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求于2011年10月3日提交的美国临时申请号61/542，605的优先权，通过引用将其主题全部内容合并于此。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种建模方法和系统，并且更具体地涉及合成骨模型及提供其的方法。
【背景技术】
[0004]在外科手术中常见的是为了关节成形术的目的机加工或改变患者组织以允许使用用于固定骨折的内部螺钉、植入人造关节、固定髓内植入物，以及有利于各种其他外科手术程序。这些外科手术程序包括精确地加工敏感组织。特别地，当外科手术程序为不寻常或复杂的手术时，或者当患者的组织结构包括异常(无论先天的还是后天的)时，外科医生会希望提前在患者组织结构的物理模型上进行预演或精制外科手术程序以预测手术中的困难或者针对患者问题测试不同的解决方案。外科医生还可以或者反而希望出于会诊、实验或任何其他目的(在外科手术程序之前、期间或之后)而具有患者组织结构的物理模型，即使不对该模型作出物理修改。此外，一般性(非患者特异性的)患者组织的物理模型可以用于教学、训练、预演、患者教育或医学领域中许多其他应用。
[0005]当前，“锯骨(Sawbone) ”物理患者组织模型可购自华盛顿Vashon的PacificResearch Laboratories, Inc.。这些模型可以是通用的或为特定患者组织定制的。然而“锯骨”模型、特别是定制的模型，可能相对昂贵和/或耗时才能得到。
【发明内容】
[0006]在本发明的一个实施方式中，公开了一种用于提供受试者骨的合成骨模型的方法。提供具有表示三维受试者骨的数据的文件。基于所述数据的至少一部分产生制造指令。将所述制造指令传递至制造设备。使用所述制造设备依据所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外壳。所述外壳限定内部空腔。将填充材料放置于所述内部空腔的至少一部分内。
[0007]在本发明的一个实施方式中，公开了合成骨模型。依据制造指令直接通过制造设备形成薄壁外壳。制造指令是基于数字表示三维受试者骨的至少一部分的数据。外壳限定内部空腔。将填充材料安置于内部空腔的至少一部分内。外壳由与填充材料不同的壳体材料制成。
[0008]在本发明的一个实施方式中，公开了一种储存计算机可执行指令的非暂时性计算机可读存储介质。当所述计算机可执行指令在计算机上执行时形成了包括提供具有表示三维受试者骨的数据的文件的方法。提取所述受试者骨的轮廓。基于所述提取轮廓的至少一部分产生制造指令。将所述制造指令以使用者可理解的方式提供至输出界面。将所述制造指令传递至制造设备。使用所述制造设备依据所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外壳。所述外壳由壳体材料制成并限定内部空腔。将与所述壳体材料不同的填充材料放置于所述内部空腔的至少一部分内。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]为了更好地理解本发明，可以参照附图，其中:
[0010]图1A-1C是本发明的一个实施方式的各种立体图；
[0011]图2是阐释用于广生图1A-1C的实施方式的不例过程的流程图；和
[0012]图3是为了实现本文中所描述的系统和方法所采用的计算机系统的示意图(诸如基于在计算机系统上运行的计算机可执行指令)。
【具体实施方式】
[0013]本文中示出并描述了示例受试者骨，至少为肩胛骨或其一部分，但是受试者骨可以是任何期望类型例如，但不限于，髋关节、肩关节、膝关节、踝关节、趾关节、跖关节、脊柱结构、长骨(例如，骨折部位)、或用于本发明的任何其他合适的患者组织应用环境。
[0014]根据本发明，图1A-1C描绘了合成骨模型100。合成骨模型100包括依据制造指令直接通过制造设备形成的薄壁外壳102。实现制造指令的制造设备可以是快速原型制造设备，该快速原型制造设备为可以从计算机得到制造指令并由原料响应性地生成结构的一种类型的机器。快速原型制造设备为与例如模制方法(其中模具以任何期望样式来制作、用原料来填充，然后移 除该模具以留下作为产生结构的原料)不同类型的构造技术。使用快速原型制造设备(有时统称为“三维打印机”)，通常基本上没有在生成目标结构的过程中产生的“负向(negative)”结构或其他外部结构，因此，使用快速原型制造比使用模制或许多其他常规制造方法具有较少的废料。用于本发明的合适的快速原型制造设备/方法包括，但不限于，添加型制造设备/方法(例如，选择性激光烧结[SLS]、熔融沉积成型[FDM]、直接金属激光烧结[DMLS]、立体平版印刷[SLA]、包层、电子束熔炼、电子束直接制造、气溶胶喷射、油墨喷射、半固体自由形式制造、数字光处理、2-光子光聚合、分层实体制造[L0M]、3维打印[3DP]、等等)和减去型制造设备/方法(例如，由合适的材料进行计算机数控加工[CNC]、放电加工、电化学加工、电子束加工、光化学加工、超声波加工、轮廓铣削、
坐坐^
寸寸/ ο
[0015]制造指令可以基于数字表示三维受试者骨的至少一部分(本文中显示为肩胛骨)的数据。本文中使用术语“数字表示”是指任何相对比例的物理物品的复制品或拷贝。受试者骨的数字表示可以是受试者患者组织的总体或部分表示，并且可以按任何合适方式产生。例如，如在下面说明中假定的，数字表示可以基于输入到计算机辅助制图(“CAD”)系统内的计算机断层成像(“CT”)数据。另外或作为替代方案，数字表示可以基于数字或模拟放射线成像、磁共振成象、或任何其他合适的成像方式。通常为使用者显示数字表示以例如通过使用计算机或其他图形工作站界面在外科手术前进行回顾和操作。
[0016]外壳102限定内部空腔104。如图1C可见，将填充材料106安置于内部空腔104的一部分内。外壳102可以由与填充材料106不同的壳体材料108制成。例如，壳体材料108可以具有第一密度而填充材料106可以具有第二密度；可选择地，第二密度小于第一密度。壳体材料108可以是针对利用快速原型成型机器配置的任何合适的快速原型成型材料，例如，但不限于，冷固化树脂、环氧树脂、其他树脂、70%无机聚合物、聚氨酯、氨基甲酸酯、其他聚合物、腊、模型板和工具板(modeling and tooling board)、粘土、弹性体、衆糊、石膏、水泥、塑料、金属、糖果(candy)、纸型(papier-mache)、等等。填充材料106可以是任何合适的材料，其可以放置于内部空腔104的至少一部分内并且通过其自身性能(例如，在适当的位置干燥或固化)或通过使用基本上防止填充材料从内部空腔出来的屏障(未示出)而保持在那里。合适的填充材料106包括，但不限于，可膨胀的氨基甲酸酯泡沫、膨胀的聚苯乙烯泡沫、其他泡沫、水、其他流体、等等。可选择地，填充材料106可以基本上是固体并且经过成形或加工以适合在内部空腔104的期望部分内。但是，考虑了，针对本发明大多数应用而言，将选择填充材料106用于供应至内部空腔104内(流动通过可能复杂的内部通道)从而基本上填充内部空腔的至少一部分，然后在适当位置硬化或固化，由此保持在内部空腔内。
[0017]可选择地，外壳102可以被移除，为使用者留下以“模制”形式的填充材料106。在这种情况下，外壳102可以设计成“模具(mold) ”并且可以是并未精确复制三维受试者骨的改变形式；反而，可以配置制造指令以使填充材料106成形为期望的最终结构。然而，对于本发明的大多数应用而言，考虑了完整地留下外壳102作为最终合成骨模型100的一部分。
[0018]图2的流程图表示可以用于生成图1A-1C的合成骨模型100的一系列步骤。在第一动作块210中，提供了具有表示三维受试者骨的数据的文件。如前所提到的，该文件可以是图像文件。可以预测，可以要求某些类型的图像处理使图像文件成为表示三维受试者骨的形式。例如，扫描过程的不希望的残影(artifact)(例如，由患者组织上/中存在金属引起的“阴影”、由内部患者组织成分的边界附近相似的组织密度引起的“模糊”边缘、等等)可以在产生数据期间和/或图2中描述的过程后期被除去。
[0019]在第二动作块212中，制造指令基于数据的至少一部分而产生。这些制造指令能够以任何合适方式产生并且可以基于任何自动或手工标准或者规则，如针对输入数据、制造设备、制造方法、待生产的期望的合成骨模型100、或任何其他因素(单独地或组合地)的特定组合所要求的。例如，计算机辅助制图(“CAD”)程序可以接收数据并响应性地产生用于传送至快速原型成型机器的STL文件(立体平版印刷指令格式文件)。例如可以通过包括以下步骤的方法来产生制造指令:提取受试者骨的外部边界或轮廓以及将外部轮廓向内投影(projecting)外壳102的期望厚度，然后基于提取和/或投影的外部轮廓的至少一部分产生制造指令。外壳102的期望厚度可以具有任何期望尺寸。例如，对于本发明的某些应用而言，外壳102可以具有约0.5至5毫米之间、更具体地约2毫米的厚度。外壳102的厚度不必是恒定不变的，而是在外壳的本体内的不同部分可以改变。例如，可能希望外壳的特定突出物是实心体，其中并没有安置内部空腔104，可能希望的实施例情况是如果使用者想要改变或加工完成的合成骨模型100的那个区域并且希望操作大体上均匀体积的壳体材料108。考虑了，针对本发明的特定应用而言，本领域技术人员将能够详细说明合适的外壳102结构。
[0020]可选择地，可以将制造指令以使用者可理解的形式提供至输出界面。换言之，制造指令可以与打印机、显示器、或任何其他合适的设备组合使用以将合成骨模型100的外壳102的预期性能(例如，尺寸、形状、颜色、或任何其他使用者可感知的性能)按视觉、数值、触觉、或任何其他形式显示给使用者。例如，可以在外壳102的预期最终外观的显示器上为使用者呈现三维(立体)图。
[0021]作为制造指令的一部分或者在生成合成骨模型之后，可以将患者的名字、标识号码、外科医生的名字和/或任何其他所需的标示符以清晰易读的方式模制入合成骨模型100内、打印于合成骨模型100上、附接至合成骨模型100或以其他方式与合成骨模型100关联。
[0022]第三动作块214包括将制造指令传递至制造设备(未示出)。该制造设备可以是任何期望类型，例如，但不限于，上述的那些。本领域技术人员可以容易地选择合适于本发明特定应用的制造设备。可以将制造设备直接连接至制造指令源，可以使制造指令最终定下来并且通过间接连接(例如，互联网连接)提供至制造设备，可以保存制造指令用于后面的应用、或可能出现将制造指令提供至制造设备的任何其他方法、系统、顺序，或者定时(timing)。
[0023]一旦将制造指令传递至合适的制造设备，第四动作块216就会提供使用制造设备依据制造指令直接生成限定内部空腔104的合成骨模型100的薄壁外壳102。本文中使用术语“直接生成”以表示在通过制造设备接收制造指令的过程期间、在授权制造设备开始生产外壳102期间、在执行针对制造设备的任何必要的内部处理以识别并实现制造指令期间、以及生成外壳期间基本上无中间步骤、结构或过程。例如，“直接生成”不包括使用制造设备生成模具，其中由该模具模制外壳102。可以预测，通过制造设备使用的原料为形成外壳102的相同的壳体材料108 (或通过制造设备将其加工成壳体材料)。可以预测，通过制造设备将某种类型的支撑结构包含于外壳102中，或者当通过制造设备新生成外壳时，夕卜壳的结构可以包括制造过程的某些其他类型的残影(artifact)。因此，使用者可以选择执行某种生成后“清除”或包括硬化或固化过程的处理工作，以生成最终外壳102。需要或希望的生成后处理工作的类型可以取决于所使用的制造过程的类型。
[0024]在第五动作块218中，一旦外壳102完成任何希望的生成后处理，将填充材料106放置于在内部空腔104的至少一部分内。能够以任何合适的方式以及在生成外壳102之后的任何希望的时间进行这种放置。例如，当填充材料106为气溶胶泡沫时，可以在外壳102的附近和/或内部放置喷嘴以便按希望的方式分布填充材料。对于本发明的某些应用环境而言，填充材料106可以与壳体材料108不同。本领域技术人员能够在外壳102内部生成填充材料106的合适排列，以生成用于本发明特定应用的希望的合成骨模型100。可以在包括生成外壳之前、期间或之后的任何希望的时间将填充材料106放置于外壳102内。例如，制造设备可以是同时生成外壳102并将填充材料106放置于该外壳的至少一部分内的添加型制造设备。
[0025]可选择地，可以使填充材料106经受某种填充后处理。例如，可以移除从外壳102突出的过量填充材料106,外壳102和/或填充材料106可以经受硬化或固化处理、或者可以根据需要实施任何其他填充后处理。
[0026]—旦将填充材料106放置于外壳102内并且完成了二者之一的任何希望的处理，可以认为合成骨模型100完成并且可以根据需要用于参考、实践或任何其他目的。
[0027]图3阐释了计算机系统320，其可以用于实现本文中所描述的系统和方法，如基于在计算机系统上运行的计算机可执行指令的那些。可以根据需要允许使用者在外科手术之前使用计算机系统320模拟计划的外科手术程序。可以在一个或多个一般目的的联网计算机系统、嵌入式计算机系统、路由器、交换机、服务器设备、客户端设备、各种中间设备/节点和/或独立计算机系统上实现计算机系统320。此外，使计算机系统320作为运行计算机可执行指令的计算机辅助工程(CAE)工具的一部分来实现以执行本文中所述的方法。
[0028]计算机系统320包括处理器322和系统内存324。双微处理器和其他多处理器架构还可以用作处理器322。处理器322和系统内存324可以通过数种类型总线结构的任何一种进行结合，该总线结构包括内存总线或内存控制器、外围总线、以及使用各种总线架构的任何一种的局部总线。系统内存324包括只读存储器(ROM) 326和随机存取存储器(RAM) 328，它们二者都可以被认为是计算机可读存储介质。基本输入/输出系统(BIOS)可以存在于通常含有帮助在计算机系统320内的元件之间传递信息的基本例行程序如复位或上电的R0M326 中。
[0029]计算机系统320可以包括一种或多种类型的长期数据存储器330或其他计算机可读存储介质，包括硬盘驱动器、磁盘驱动器(例如，用于读出或写入可移动磁盘)、和光盘驱动器(例如，用于读取CD-ROM或DVD光盘或读出或写入其他光介质)。可以通过驱动器接口 332将长期数据存储器330连接至处理器322。对于计算机系统320而言，长期数据存储器330组件提供数据、数据结构和计算机可执行指令的非易失性存储。还可以将许多程序模块存储于一个或多个驱动器中以及包括操作系统、一个或多个应用程序、其他程序模块和程序数据的RAM328中。
[0030]使用者可以通过一种或多种输入设备334如键盘或指针设备(例如，鼠标)将命令和信息输入计算机系统320。常常通过设备接口 336将这些和其他输入设备连接至处理器322。例如，可以通过并行端口、串行端口或通用串行总线(USB)的一种或多种将输入设备334连接至系统总线。还可以经由设备接口 336将一种或多种输出设备338，如可视化显示设备或打印机，连接至处理器322。
[0031]计算机系统320可以在使用逻辑连接(例如，局域网(LAN)或广域网(WAN)的联网环境中对一个或多个远程计算机340进行操作。给定的远程计算机340可以是工作站、计算机系统、路由器、对等设备或其他常用网络节点，并且通常包括相对于计算机系统320所描述的许多或全部元件。计算机系统320可以经由网络接口 342如有线或无线的网络接口卡或调制解调器与远程计算机340进行通讯。在联网环境中，可以将相对于计算机系统320或其一部分所描述的应用程序和程序数据储存于与远程计算机340相联系的存储器中，该存储器也可以被认为是计算机可读存储介质。
[0032]虽然已参考上面的优选实施方式具体地示出并描述了本发明的各方面，但本领域技术人员应当理解的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以考虑各种另外的实施方式。例如，使用所描述系统的上述具体方法仅仅是说明性的；本领域技术人员可以容易地确定任何数量的工具、步骤的顺序、或用于将上述装置或其组件虚拟地或实际地放置于基本上相似于本文所示和所描述的那些的位置内的其他方法/选择。任何所描述的结构和组件都可以作为单件而整体形成或由单独的子组件构成，这两种构造的任一种包括任何合适的库存或定制组件和/或任何合适的材料或材料的组合。尽管本文中所描述的某些组件显示为具有特定几何形状，对于本发明的特定应用而言，本发明的所有结构也可以根据需要具有任何合适的形状、尺寸、配置、相对关系、横断面积、或任何其他物理特性。可以单独地或与其他结构或特征组合地将参考本发明的一个实施方式或配置所描述的任何结构或特征提供至任何其他实施方式或配置，当描述本文中所讨论的每中实施方式和配置具有相对于所有的其他实施方式和配置所讨论的所有选择并不实际时。本文中所描述的任何组件都可以具有表面处理(例如，纹理化、凹口等)、材料选择、和/或其他特性。本文中描述的系统不仅用来计划和/或模拟将一种或多种假体结构植入患者身体内的外科手术程序，而且或反而不管在该程序之后非原生组件是否留在患者身体内都可以用于计划和/或模拟任何外科手术程序。结合这些特征的任何一种的设备或方法应当被理解为落入如基于下面的权利要求及其任何等同物所确定的本发明的范围内。
[0033]可以从附图、披露内容和所附权利要求的研究得到本发明的其他方面、目的和优点。
【权利要求】
1.一种用于提供受试者骨的合成骨模型的方法，所述方法包括以下步骤: 提供具有表示三维受试者骨的数据的文件； 基于所述数据的至少一部分产生制造指令； 将所述制造指令传递至制造设备； 使用所述制造设备依据所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外壳，其中所述外壳限定内部空腔；以及 将填充材料放置于所述内部空腔的至少一部分内。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述受试者骨的模板为图像文件。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述基于所述数据的至少一部分产生制造指令的步骤包括以下步骤: 提取所述受试者骨的外部轮廓；和 使所述外部轮廓向内投影所述外壳的期望厚度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述外壳由具有第一密度的壳体材料制成而所述填充材料具有第二密度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二密度小于所述第一密度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述外壳由选自包括以下各项的组的壳体材料制成:冷固化树脂、环氧树脂、其他树脂、70%无机聚合物、聚氨酯、氨基甲酸酯、其他聚合物、蜡、模型板和工具板、粘土、弹性体、浆糊、石膏、水泥、塑料、金属、糖果和纸型。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述填充材料选自包括以下各项的组:可膨胀的氨基甲酸酯泡沫、膨胀的聚苯乙烯泡沫、其他泡沫、水和其他流体。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述制造设备为快速原型制造设备。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述制造设备为添加型制造设备和减去型制造设备中至少一种。
10.一种合成骨模型，包括: 薄壁外壳，其依据制造指令直接由制造设备形成，所述制造指令基于数字表示三维受试者骨的至少一部分的数据，所述外壳限定内部空腔；以及 填充材料，其安置于所述内部空腔的至少一部分内； 其中所述外壳由与所述填充材料不同的壳体材料制成。
11.根据权利要求10所述的合成骨模型，其中所述壳体材料具有第一密度而所述填充材料具有第二密度。
12.根据权利要求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.根据权利要求10所述的合成骨模型，其中所述壳体材料选自包括以下各项的组:冷固化树脂、环氧树脂、其他树脂、70%无机聚合物、聚氨酯、氨基甲酸酯、其他聚合物、蜡、模型板和工具板、粘土、弹性体、浆糊、石膏、水泥、塑料、金属、糖果和纸型。
14.根据权利要求10所述的合成骨模型，其中所述填充材料选自包括以下各项的组:可膨胀的氨基甲酸酯泡沫、膨胀的聚苯乙烯泡沫、其他泡沫、水和其他流体。
15.根据权利要求10所述的合成骨模型，其中所述制造指令通过快速原型制造设备来实现。
16.根据权利要求10所述的合成骨模型，其中所述制造指令通过添加型制造设备和减去型制造设备的至少一种来实现。
17.一种储存计算机可执行指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令在计算机上执行时形成一种方法，所述方法包括: 提供具有表示三维受试者骨的数据的文件； 提取所述受试者骨的轮廓； 基于所述提取轮廓的至少一部分产生制造指令； 将所述制造指令以使用者可理解的形式提供至输出界面； 将所述制造指令传递至制造设备； 使用所述制造设 备依据所述制造指令直接生成所述合成骨模型的薄壁外壳，所述外壳由壳体材料制成并限定内部空腔；以及 将与所述壳体材料不同的填充材料放置于所述内部空腔的至少一部分内。
18.根据权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中所述壳体材料具有第一密度而所述填充材料具有第二密度。
19.根据权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中所述第二密度小于所述第一密度。
20.根据权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中提取所述受试者骨轮廓的步骤包括以下步骤: 识别所述受试者骨的外部边界；和 将所述外部边界向内投影所述外壳的期望厚度。
【文档编号】G09B23/30GK103959359SQ201280058603
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年9月28日 优先权日:2011年10月3日
【发明者】詹森·A·布赖恩, 瑞安·S·克拉特, 彼得·D·奥尼尔 申请人:克利夫兰临床医学基金会