骨骼重建和骨外科植入物的制作方法

本公开涉及骨外科的各个不同方面，包括骨骼和组织重建、患者特异性和大规模定制的骨外科植入物、性别和种族特异性的骨外科植入物、切割引导器、创伤防护板(trauma plate)、骨移植物切割和放置引导器、患者特异性仪器、惯性测量单元用于运动学和病理学的解剖跟踪的用途以及惯性测量单元在骨外科手术期间用于导航的用途。

背景技术：

技术实现思路

0、发明概述

1、本发明的第一方面提供了一种构建患者特异性骨外科植入物的方法，所述方法包括：(a)将源自于患者异常骨骼的实际解剖结构的患者特异性异常骨骼模型与同样源自于所述患者骨骼的解剖结构的重建的患者特异性骨骼模型进行比较，其中所述重建的患者特异性骨骼模型反映出所述患者骨骼的正常化解剖结构，并且其中所述患者特异性异常骨骼模型反映出包括部分骨、变形骨和破碎骨中的至少一者的所述患者骨骼的实际解剖结构，其中所述患者特异性异常骨骼模型包含患者特异性异常点云和患者特异性异常骨骼表面模型中的至少一者，并且其中所述重建的患者特异性骨骼模型包含重建的患者特异性点云和重建的患者特异性骨骼表面模型中的至少一者；(b)使用从所述患者特异性异常骨骼模型与所述重建的患者特异性骨骼模型的比较输出的数据，为待安装到所述患者异常骨骼的患者特异性骨外科植入物优化一个或多个参数；以及(c)将所述一个或多个参数考虑在内，为所述患者特异性骨外科植入物生成电子设计文件。

2、在所述第一方面的更详细的实施方式中，所述方法还包括使用所述电子设计文件制造所述患者特异性植入物。在另一个更详细的实施方式中，所述方法还包括将所述患者特异性异常骨骼模型与所述重建的患者特异性骨骼模型进行比较，以从所述患者特异性异常骨骼模型鉴定丢失骨或变形骨，以及将所述丢失骨或变形骨定位在所述重建的患者特异性骨骼模型上。在另一个详细实施方式中，所述方法还包括从代表所述患者异常骨骼的数据生成所述患者特异性异常骨骼模型，以及从代表所述患者异常骨骼的数据并从来自于统计图集的数据生成所述重建的患者特异性骨骼模型，其中所述统计图集数据包含与所述患者异常骨骼类似的正常骨骼的点云和表面模型中的至少一者。在又一个详细实施方式中，所述代表患者异常骨骼的数据包含磁共振图像、计算机断层扫描图像、x-射线图像和超声图像中的至少一者。在更详细的实施方式中，所述统计图集数据源自于所述正常骨骼的磁共振图像、计算机断层扫描图像、x-射线图像和超声图像中的至少一者。在更详细的实施方式中，所述鉴定到的丢失骨或变形骨包含边界点集，并且将所述丢失骨或变形骨定位在所述重建的患者特异性骨骼模型上包括将所述边界点集与所述重建的患者特异性骨骼模型相关联。在另一个更详细的实施方式中，将所述患者特异性异常骨骼模型与所述重建的患者特异性骨骼模型进行比较以从所述患者特异性异常骨骼模型鉴定丢失骨或变形骨包括输出至少两个数据列表，其中所述至少两个数据列表包括鉴定所述丢失骨或变形骨的第一列表，以及鉴定在所述患者特异性异常骨骼模型与所述重建的患者特异性骨骼模型之间共有的骨骼的第二列表。在另一个更详细的实施方式中，所述第一列表包含属于来自于所述患者特异性异常骨骼模型的所述丢失骨或变形骨的顶点，并且所述第二列表包含属于在所述患者特异性异常骨骼模型与所述重建的患者特异性骨骼模型之间共有的骨骼的顶点。在又一个更详细的实施方式中，所述方法还包括使用来自于所述患者特异性异常骨骼模型的数据和来自于所述重建的患者特异性骨骼模型的数据确定一个或多个患者特异性骨外科植入物固定位置。

3、在所述第一方面的又一个更详细的实施方式中，确定一个或多个患者特异性骨外科植入物固定位置包括排除鉴定到所述丢失骨或变形骨的任何位置。在另一个更详细的实施方式中，为患者特异性骨外科植入物优化一个或多个参数包括使用植入物参数化模板来建立通用参数，随后使用所述重建的患者特异性骨骼模型来优化所述通用参数。在另一个详细实施方式中，所述参数包括角度参数、深度参数、曲率参数和固定装置位置参数中的至少一者。在又一个详细实施方式中，所述方法还包括构建所述患者特异性骨外科植入物的表面模型的初始迭代。在更详细的实施方式中，构建所述表面模型的初始迭代包括将来自于所述患者特异性异常骨骼模型的轮廓与来自于所述重建的患者特异性骨骼模型的轮廓合并。在更详细的实施方式中，构建所述表面模型的初始迭代包括估算所述患者特异性骨外科植入物的目标植入位置。在另一个更详细的实施方式中，所述方法还包括构建所述患者特异性骨外科植入物的表面模型的后续迭代。在另一个更详细的实施方式中，构建所述患者特异性骨外科植入物的表面模型的后续迭代包括人工复查所述表面模型的后续迭代和所述重建的患者特异性骨骼模型，以分辨是否需要所述表面模型的进一步迭代。在又一个更详细的实施方式中，所述电子设计文件包括计算机辅助设计文件、计算机数控文件和快速制造指令文件中的至少一者。

4、在所述第一方面的更详细的实施方式中，所述方法还包括使用为所述患者特异性骨外科植入物优化的所述一个或多个参数为患者特异性植入物放置引导器生成电子设计文件。在另一个更详细的实施方式中，所述方法还包括使用所述患者特异性植入物放置引导器的电子设计文件制造所述患者特异性植入物放置引导器。在另一个详细实施方式中，为所述患者特异性骨外科植入物优化的所述一个或多个参数包括尺寸参数、形状参数和轮廓参数中的至少一者。在又一个详细实施方式中，至少一个轮廓参数是所述患者特异性骨外科植入物与所述患者特异性植入物放置引导器之间共有的。在更详细的实施方式中，所述方法还包括设计患者特异性植入物放置引导器以包括作为所述患者特异性植入物放置引导器打算驻留的患者骨骼的表面形状的负形的表面形状。在更详细的实施方式中，所述患者特异性异常骨骼模型包含源自于患者的异常髋关节的实际解剖结构的患者特异性异常股骨模型和患者特异性异常盆骨模型中的至少一者，所述重建的患者特异性骨骼模型包含源自于所述患者的髋关节的解剖结构的重建的患者特异性股骨模型和重建的患者特异性盆骨模型中的至少一者，所述重建的患者特异性模型反映出来自于所述患者的髋关节的正常化解剖结构，并且所述患者特异性异常骨骼模型反映出来自于所述患者的髋关节的实际解剖结构。在另一个更详细的实施方式中，所述患者特异性异常骨骼模型包含所述患者特异性异常股骨模型，所述重建的患者特异性骨骼模型包含所述重建的患者特异性股骨模型，所述重建的患者特异性模型反映出来自于所述患者的股骨近端的正常化解剖结构，所述患者特异性异常骨骼模型反映出来自于所述患者的股骨近端的实际解剖结构，并且所述患者特异性骨外科植入物包含股骨柄植入物。

5、在所述第一方面的更详细的实施方式中，所述患者特异性异常骨骼模型包含所述患者特异性异常盆骨模型，所述重建的患者特异性骨骼模型包含所述重建的患者特异性盆骨模型，所述重建的患者特异性模型反映出来自于所述患者的盆骨的正常化解剖结构，所述患者特异性异常骨骼模型反映出来自于所述患者的盆骨的实际解剖结构，并且所述患者特异性骨外科植入物包含髋臼杯植入物。在另一个更详细的实施方式中，用于所述患者特异性骨外科植入物的电子设计文件包括计算机辅助设计文件、计算机数控文件和快速制造指令文件中的至少一者。

6、本发明的第二方面提供了一种生成异常骨骼的电子重建的骨骼模型的方法，所述方法包括：(a)利用异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者，其中所述异常骨骼包括部分骨、变形骨和破碎骨中的至少一者，来进行下列至少一者：从统计图集鉴定与所述异常骨骼相似的骨骼，将来自于统计图集的骨骼配准(register)到所述异常骨骼，以及将所述异常骨骼的重建的模型上的表面点变形到所述异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者上；以及(b)生成所述异常骨骼的重建的模型。

7、在所述第二方面的更详细的实施方式中，利用异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者的步骤包括鉴定与所述异常骨骼最相似的统计图集骨骼。在另一个更详细的实施方式中，利用异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者的步骤包括将所述统计图集骨骼配准到所述异常骨骼。在另一个详细实施方式中，利用异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者的步骤包括将所述异常骨骼的重建的模型上的表面点变形到所述异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者上。在又一个详细实施方式中，鉴定与所述异常骨骼最相似的统计图集骨骼包括使用一个或多个相似性度量来鉴定所述统计图集骨骼。在更详细的实施方式中，所述统计图集包括多个数学表述，其中所述多个数学表述中的每一个都代表骨骼。在更详细的实施方式中，所述统计图集包括多个虚拟模型，其中所述多个虚拟模型中的每一个都代表骨骼。在另一个更详细的实施方式中，所述方法还包括将所述异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者配准到从所述统计图集鉴定到的与所述异常骨骼相似的骨骼。在另一个更详细的实施方式中，所述方法还包括增强(a)异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者与(b)从所述统计图集鉴定到的与所述异常骨骼相似的骨骼之间的形状参数。在又一个更详细的实施方式中，形状参数的增强包括在(a)异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者与(b)从所述统计图集鉴定到的与所述异常骨骼相似的骨骼之间插值，以便在所述异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者中鉴定丢失骨或变形骨。

8、在所述第二方面的又一个更详细的实施方式中，所述形状参数的增强导致生成对应于所述丢失骨或变形骨的表面点。在另一个更详细的实施方式中，所述方法还包括使用所述异常骨骼的点云和表面模型中的至少一者，对已从来自于所述统计图集的与所述异常骨骼相似的骨骼插值的表面点进行变形，以生成所述异常骨骼的重建的模型。在另一个详细实施方式中，所述异常骨骼包含变形盆骨段、破碎盆骨段和部分盆骨段丢失骨骼中的至少一者，并且所述异常骨骼的重建的模型至少包含已补救了下列至少一者的完整盆骨模型段：所述变形盆骨段中的骨骼变形，构成所述破碎盆骨段的一部分的破碎骨，以及所述部分盆骨段缺失的骨骼。在又一个详细实施方式中，所述完整盆骨模型段包括髋臼杯的解剖结构。在更详细的实施方式中，所述异常骨骼包含变形股骨段、破碎股骨段和部分股骨段丢失骨骼中的至少一者，并且所述异常骨骼的重建的模型至少包含已补救了下列至少一者的完整股骨模型段：所述变形股骨段中的骨骼变形，构成所述破碎股骨段的一部分的破碎骨，以及所述部分股骨段缺失的骨骼。在更详细的实施方式中，所述完整股骨模型段包含具有颈和球解剖结构的股骨近端。在另一个更详细的实施方式中，。在又另一个更详细的实施方式中，所述异常骨骼包含变形肱骨段、破碎肱骨段和部分肱骨段丢失骨骼、变形尺骨段、破碎尺骨段、部分尺骨段丢失骨骼、变形桡骨段、破碎桡骨段、部分桡骨段丢失骨骼、变形颅骨段、破碎颅骨段、部分颅骨段丢失骨骼、变形椎骨段、破碎椎骨段和部分椎骨段丢失骨骼中的至少一者，并且所述异常骨骼的重建的模型包含完整肱骨模型段、完整尺骨模型段、完整桡骨模型段、完整颅骨模型段和完整椎骨模型段中的至少一者，其已补救了下列至少一者：所述变形尺骨段中的骨骼变形，构成所述破碎尺骨段的一部分的破碎骨，所述部分尺骨段缺失的骨骼，所述变形桡骨段中的骨骼变形，构成所述破碎桡骨段的一部分的破碎骨，所述部分桡骨段缺失的骨骼，所述变形颅骨段中的骨骼变形，构成所述破碎颅骨段的一部分的破碎骨，所述部分颅骨段缺失的骨骼，所述变形椎骨段中的骨骼变形，构成所述破碎椎骨段的一部分的破碎骨，和所述部分椎骨段缺失的骨骼。

9、本发明的第三方面提供了一种构建大规模定制的骨外科植入物的方法，所述方法包括：(a)横跨骨骼统计图集群体而鉴定特点，其中所述特点包含标志物和形状特点中的至少一者；(b)使用横跨骨骼统计图集群体鉴定到的特点生成与植入物设计相关的描述符；(c)将至少一些所述描述符分组成具有相似描述符的组；(d)对所述组进行参数化以从所述组提取参数；以及(e)为大规模定制的骨外科植入物生成电子设计文件。

10、在所述第三方面的更详细的实施方式中，所述方法还包括使用所述电子设计文件制造所述大规模定制的骨外科植入物。在另一个更详细的实施方式中，特点鉴定步骤由软件程序自动进行，所述软件程序被配置成使用嵌入在计算逻辑中的位置参数横跨骨骼统计图集群体计算标志物。在另一个详细实施方式中，特点鉴定步骤由软件程序自动进行，所述软件程序被配置成使用嵌入在计算逻辑中的位置参数横跨骨骼统计图集群体计算形状特点。在又一个详细实施方式中，所述描述符包含横跨所述骨骼统计图集群体计算的数学描述符。在更详细的实施方式中，将至少一些所述描述符分组成具有相似描述符的组包括使用统计分析来建立所述组。在更详细的实施方式中，从所述组提取的描述符包含所述大规模定制的骨外科植入物的形状的设计参数。在另一个更详细的实施方式中，所述描述符包含数学描述符，并且对所述组进行参数化以从所述组提取描述符包括将所述数学描述符转变成表面描述符。在另一个更详细的实施方式中，用于大规模定制的骨外科植入物的电子设计文件包括所述大规模定制的骨外科植入物的虚拟三维模型。在又一个更详细的实施方式中，对所述组进行参数化以从所述组提取描述符包括生成所述大规模定制的骨外科植入物的虚拟三维模型。

11、在所述第三方面的又一个更详细的实施方式中，所述方法还包括横跨骨骼统计图集群体提取三维松质骨特点，并为所述骨骼统计图集群体内的每块骨骼生成并入有该骨骼独有的提取到的松质骨特点的三维骨骼模型。在另一个更详细的实施方式中，所述方法还包括对所述骨骼统计图集群体内的每块骨骼进行孔隙度评估，以确定松质骨尺寸和孔眼尺寸。在另一个详细实施方式中，所述方法还包括进行压力测试过程，所述压力测试过程将松质骨尺寸数据、孔眼尺寸数据和表面描述符参数合并，以为所述大规模定制的骨外科植入物生成电子设计文件。在又一个详细实施方式中，所述电子设计文件包括计算机辅助设计文件、计算机数控文件和快速制造指令文件中的至少一者。在更详细的实施方式中，所述方法还包括使用提取到的参数中的至少一者为大规模定制的植入物放置引导器生成电子设计文件。在更详细的实施方式中，所述方法还包括使用所述大规模定制的植入物放置引导器的电子设计文件制造所述大规模定制的植入物放置引导器。在另一个更详细的实施方式中，所述骨骼统计图集群体是种族特异性的。在另一个更详细的实施方式中，所述骨骼统计图集群体是性别特异性的。在又一个更详细的实施方式中，所述骨骼统计图集群体至少包含股骨段。在另一个更详细的实施方式中，所述骨骼统计图集群体至少包含盆骨段。

12、本发明的第四方面提供了一种构建大规模定制的创伤防护板的方法，所述方法包括：(a)针对虚拟三维骨骼模型模板为大规模定制的创伤防护板建立虚拟边界；(b)选择所述虚拟边界内部对应于所述虚拟三维骨骼模型模板上的表面位置的多个表面点；(c)将所述多个表面点在含有多个虚拟三维骨骼模型的统计图集中推送；(d)使用被推送到所述多个虚拟三维骨骼模型的每一个上的所述多个表面点来构建与该特定骨骼模型配合的虚拟三维接骨板(bone plate)；(e)提取代表生成的每个虚拟三维接骨板的多个曲率；(f)对提取到的多个曲率进行统计分析以便为所述大规模定制的创伤防护板推导形状参数；以及(g)使用所述形状参数为所述大规模定制的创伤防护板生成电子设计文件。

13、本发明的第五方面提供了一种构建患者特异性切割引导器用于为骨外科植入物准备骨骼的方法，所述方法包括：(a)处理患者特异性骨骼轮廓以确定待安装到所述患者骨骼的骨外科植入物的尺寸和所述植入物在安装时相对于所述患者骨骼的位置；(b)使用所述骨外科植入物的尺寸和所述植入物在安装到所述患者骨骼时的位置来设计患者特异性切割引导器；以及(c)制造患者特异性的切割引导器，其包括作为所述切割引导器被设计将要安装到的所述患者骨骼的形状的负形的形状。