用於整形外科手術計劃的特徵驅動的基於規則的構架的製作方法

2023-06-08 20:02:06

用於整形外科手術計劃的特徵驅動的基於規則的構架的製作方法
【專利摘要】在工作流構架工作中，整形術中外科手術計劃的設計過程(24)和/或個性化切割導向和/或種植體的設計(40)是自動化的。通過操作序列來對抽象的規則編腳本(26)以改變(36)骨表面或模型從而適配種植體。利用針對特定患者的骨信息，適當的種植體和切割系列利用規則而被確定(34)。相應的切割導向可以適配(42)針對特定患者的骨信息。骨替換種植體的外科手術計劃(24)是自動執行的。
【專利說明】用於整形外科手術計劃的特徵驅動的基於規則的構架
[0001]相關申請
[0002]本專利文件按照35U.S.C.§ 119(e)要求2012年5月3日提交的美國臨時專利申請序列號N0.61/642，065的權益，其通過引用結合在本申請中。

【技術領域】
[0003]本公開內容一般地涉及整形外科手術領域，更具體地，涉及自動計劃輔助。

【背景技術】
[0004]在整形外科手術期間，外科醫生修剪骨的病理部分並且用種植體替代病理部分。兩個主要因素影響骨外科手術的最終結果一外科醫生準確移除病理的骨段同時保持健康的骨完好無損的能力以及外科醫生用最優匹配種植體替代病理的骨段的能力。為了以最小的切口進行外科手術，在患者特定的切割導向的幫助下對骨進行修剪。導向包括用於準確地執行參考切割的一個或更多個槽溝和一些界標。在外科手術計劃階段，設計個性化切割導向，並且由外科醫生和設計者創建如下外科手術計劃:其利用參考切割及任何其他切割來限定外科手術種植體的最優放置。然後，計劃引導外科醫生在執行對骨的初始切割後放置種植體。
[0005]由有經驗的設計者在計劃階段執行對患者特定的切割導向的設計以及對外科手術計劃的構建。為此，設計者遵循在預先核准的工作指令中限定的一組操作。在多數情況下，由監管機構預先核准外科手術計劃程序，並且設計者必須嚴格遵循經核准的程序中指定的規則。為此，切割導向的設計者依靠交互式、手動的、3D建模軟體來創建切割導向。然而，該手動設計過程導致了設計時間增加、缺乏可重複性、一致性降低並且潛在地導致無意地偏尚預先核准的程序。


【發明內容】

[0006]作為介紹，下面描述的優選實施方式包括用於整形外科手術計劃的方法、系統、指令及計算機可讀介質。整形外科手術計劃的設計過程和/或對個性化切割導向的設計在工作流程構架中是自動的。通過使適合種植體的骨表面或模型改變的操作序列來撰寫抽象規貝IJ的腳本。利用特定患者的骨信息，適當的種植體和系列切割是利用規則來被確定的。相應的切割導向可以適配特定患者的骨信息。骨替換種植的外科手術計劃是自動執行的。
[0007]在第一方面，提供了用於整形外科手術計劃的方法。提供對表面的整形外科手術的規則的知識庫。獲得表示骨、種植體或切割導向的表面。處理器選擇知識庫中的第一規貝U，識別針對第一規則的至少一個解剖學特徵，檢測表面的至少一個解剖學特徵，根據第一規則和至少一個解剖學特徵來限定對表面的改變，根據改變來改變表面，從而產生第一被改變表面，以及參考第一被改變表面輸出指示種植體的參考計劃。處理器還根據第一被改變表面而生成切割導向模型。切割導向模型指示相對於第一被改變表面的骨上的切割位置。
[0008]在第二方面，非暫態計算機可讀存儲介質存儲有表示能夠由編程處理器執行的用於整形外科手術計劃的指令的數據。該存儲介質包括用於如下操作的指令:通過表示基於解剖學特徵對幾何形狀進行改變的工作指令來進行排序、響應於排序而生成針對患者的整形外科手術計劃、相對於患者的骨而對種植體放置進行建模、以及設計針對患者的骨的切割導向。
[0009]在第三方面，非暫態計算機可讀存儲介質存儲有表示能夠由編程處理器執行的用於整形外科手術計劃的指令的數據。該存儲介質包括用於如下操作的指令:自動創建用於植入患者的骨中的特定於患者的改變的外科手術計劃，以及自動設計針對改變的切割導向，其中該切割導向對患者是特定的。
[0010]在下述權利要求中限定了本發明，並且該章節不應當被認為是對那些權利要求的限制。本發明的其他方面和優點在下面結合優選實施方式討論並且隨後可以單獨地或組合地被要求保護。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]部件和附圖不一定按比例繪製，而是強調被設置用於說明本發明的原理。而且，在附圖中，貫穿不同的視圖，相似的附圖標記表示相應的部分。
[0012]圖1是用於自動化整形外科手術計劃的系統的簡化框圖；
[0013]圖2示出了根據實施方式的自動化整形外科手術計劃的概要；
[0014]圖3是用於自動化整形外科手術計劃的方法的一個實施方式的流程圖；
[0015]圖4是用於生成整形外科手術計劃的方法的實施方式的流程圖；以及
[0016]圖5示出了參照股骨的示例性外科手術計劃。

【具體實施方式】
[0017]特徵驅動的基於規則的構架使整形外科手術計劃自動化。2D建模構架自動創建切割導向和外科手術計劃。患者骨幾何形狀和相對於骨所限定的一組解剖學特徵與過程特定的工作指令相結合。工作指令表示用於特定外科手術的處理。用專業知識將工作指令抽象成取決於知識庫中的機器可解釋的規則的特徵。然後，由形狀建模器應用一組解剖學特徵來確定有形種植體放置和切割導向設計操作。順次進行這些操作以執行種植體計劃。通過腳本語言事先限定整個外科手術計劃工作流，從而經由可編寫腳本的規則來產生靈活的定製化自動操作，提供了用不同的整形外科手術實現的多用途。可以減少或消除單調乏味的手動幹預，同時提供準確度和可再現性。遵循預先核准的、監管的工作流會是更可行的。
[0018]整形外科手術計劃包括對個性化切割導向的自動設計和特定於患者的外科手術計劃。對來自實際工作指令手冊的抽象規則進行編碼。系統利用這些規則來自動檢測關於特定患者的骨的模型的特徵和界標。所檢測的特徵和界標與抽象的規則相結合以限定有形種植體放置操作、虛擬骨切割平面、外科手術計劃及針對給定患者個性化定製的一個或多個切割導向。外科手術計劃示出了如何進行切割以及如何使用針對患者的切割導向和種植體。
[0019]特徵驅動個性化是自動的、可重複的且與該工作流程自動化是一致的。外科醫生、設計者、製造商或其他計劃者可以受益於自動計劃，這是因為減少的計劃時間和/或更可靠的導向設計。患者可以受益於更準確的切割和種植體放置。種植體的製造商可以受益於更準確地確定要使用的適當的種植體。切割導向的製造商可以受益於更準確且特定的設計。為任何一個或更多個用戶提供自動設計方案，以提供設計的可重複性和一致性以及減少時間。用於使工作指令數位化的平臺使用戶能夠以工作指令的機器可解釋腳本的形式實現整個外科手術計劃和切割導向設計過程。
[0020]圖1示出了用於自動化整形外科手術計劃的示例性系統或平臺。如所示的系統表示計算機、膝上型電腦、平板電腦、工作站、伺服器或其他處理設備。外科醫生、製造商、設計者或其他用戶針對自動化計劃和/或切割導向設計而作業系統。在替選實施方式中，系統是實現其中客戶請求計劃或設計的客戶端-伺服器布置的網絡的一部分，並且一個或多個伺服器提供自動化計劃或設計功能。
[0021]系統包括處理器12，存儲器14及顯示器16。另外，可以設置不同的部件或者更少的部件。例如，設置用戶輸入、網絡接口和/或多個處理器。
[0022]顯示器16是CRT、IXD、平板、等離子體、投影儀、印表機及其組合或者任何其他的當前已知的或隨後開發的顯示器。顯示器16利用圖形處理單元或其他硬體或軟體來生成以Cartesian(笛卡爾)或其他協作格式的黑色和白色或彩色像素，用於呈現圖形用戶接口、外科手術計劃、種植體模型、種植體圖像、切割導向模型、切割導向圖像、骨圖像或其組合。在替選或附加的實施方式中，將計劃和/或模型輸出至存儲器14，不同的存儲器，或者通過網絡而傳送。
[0023]存儲器14存儲數據，如知識庫、規則、腳本、模型參數、其他模型信息、特徵檢測器、醫學圖像數據(例如，分段的骨信息)、骨模型、種植體模型、切割導向模型、計算機輔助設計(CAD)工具或用於整形外科手術計劃和切割導向設計的其他信息。可以存儲其他數據。
[0024]替選地或另外，存儲器14是非暫態計算機可讀存儲介質，其存儲表示能夠由編程處理器執行的、用於自動化整形外科手術計劃的指令的數據。用於實現此處所討論的過程、方法和/或技術的指令被設置在計算機可讀存儲介質或存儲器上，例如緩存、緩衝器、RAM、可移除介質、硬驅或其他計算機可讀存儲介質。計算機可讀存儲介質包括各種類型的易失性存儲介質和非易失性存儲介質。響應於一組或更多組存儲在計算機可讀存儲介質中或上的指令來執行此處所描述的或圖中所顯示的功能、動作或任務。功能、動作或任務與特定類型的指令組、存儲介質、處理器或處理策略無關，並且可以由軟體、硬體、集成電路、固件、微型編碼等以單獨工作或組合工作的方式來執行。同樣，處理策略可以包括多處理、多任務、並行處理等。
[0025]在一個實施方式中，指令被存儲在用於由本地系統或遠程系統讀取的可移除介質設備上。在其他實施方式中，指令被存儲在通過計算機網絡或在電話線路上傳送的遠程位置。在又另一些實施方式中，指令被存儲在給定的計算機、CPU、GPU或系統內。
[0026]處理器12是通用處理器，專用集成電路、數位訊號處理器、現場可編程門陣列、多處理器、模擬電路、數字電路、網絡伺服器、圖形處理單元及其組合或者其他當前已知的或隨後開發的、用於執行自動化工作流的設備。用戶可以輸入激活命令，選擇患者，選擇患者骨數據，選擇外科手術程序或以否則發起工作流，但是處理器12在沒有進一步用戶輸入的情況下通過規則進行排序並且生成外科手術計劃和/或切割導向設計。在替選實施方式中，用戶可以在工作流期間在不同的點確認和/或改變工作流的操作。
[0027]處理器12使用抽象的工作指令和專業知識用於自動化工作流。工作指令和知識作為特徵相關的機器可解釋規則而被存儲在知識庫中。一旦設計規則已經被實現並且被饋送到系統中，處理器12就順次地執行針對給定外科手術的規則並且利用在解剖學上感知的CAD工具來自動確定設計和/或計劃操作。
[0028]通過內置特徵檢測而納入解剖學感知。處理器12實現具有一組解剖學特徵的形狀建模器，以確定有形種植體放置和切割導向設計操作。給定以幾何數據的形式的新患者的解剖結構(即特定於患者的骨形狀)，處理器12處理腳本。腳本利用解剖學特徵來唯一地確定如何執行計劃和切割導向設計。給定骨幾何形狀的代表性特徵被檢測並且被利用以限定對種植體和/或切割的選擇及放置的各種測量。
[0029]處理器12可以針對骨段或關節的最佳對準而自動查找在骨上的最佳適配和最優放置的種植體的最優尺寸。通過經由規則順次地處理，執行種植體計劃。通過藉助腳本語言限定整個外科手術計劃工作流，可以限制或避免單調乏味的手動幹預。工作流提供對種植體和/或切割導向的設計。除了對這些工具進行建模，處理器12還提供外科手術計劃，其用作關於如何實際上執行外科手術的對外科醫生的導向。規則可以以相關的方式提供關於相鄰骨的計劃。可以添加多個種植體，所以規則處理彼此相鄰的多個骨。
[0030]圖2示出了由處理器12實現的工作流和相應的處理引擎。工作流包括知識庫50和形狀建模器51。知識庫50包括工作指令52、規則54及腳本56。形狀建模器51包括腳本解釋器58、成形引擎60、CAD工具62及特徵檢測器64。另外，可以設置不同的部件或者更少的部件。
[0031]知識庫50代表關於外科手術程序的信息。工作指令52可以被認為是知識庫的一部分或者可以是包括在知識庫數據中作為規則54的概念信息。類似地，規則54可以不包括在知識庫中，而是在創建由形狀建模器51使用的腳本56中使用。
[0032]成形引擎60可以包括腳本解釋器58，而不是與其分離。可以使用僅一個、兩個或更多個不同的特徵檢測器64。特徵檢測器64是檢測應用軟體或者是指設置在一個或更多個分離的系統中的應用，例如圖片存檔及通信系統(PACS)或醫學成像系統。類似地，可以納入任何數量的CAD工具62。CAD工具62包括CAD應用或是設置在分離的系統中的CAD應用參考。
[0033]手動地，對切割導向和外科手術計劃的設計是限定在過程工作指令中的步進方式的過程。在圖2的方法中，通過對構架建模而使過程自動化。描述性工作指令被轉換成機器可解釋的、可編寫腳本的規則。規則被限定在知識庫50中指定的腳本56中。工作流系統利用腳本56和/或規則54而被預加載以實現工作流。一旦由監管機構核准，對腳本的實現/設計就被脫機完成並且被固定。在外科手術計劃期間對於患者而言，腳本56通過腳本解釋器58饋送到系統中，腳本解釋器58又被嵌入形狀建模器51中或將信息饋送至形狀建模器51。
[0034]形狀建模器51利用按照腳本56的指示而被自動調用的CAD工具62來設計表面或形狀。表面成形引擎60與腳本解釋器58進行交互從而為成形引擎60順次地饋送來自數位化工作流的規則。每個規則r被轉換成由特徵限定的操作T/(r)。特徵檢測器64被調用以確定相對於骨的定位，從而利用與外科手術工作指令52對應的CAD工具62來實現用於改變骨、種植體和/或切割導向的操作。通過腳本解釋器58來確保對腳本56的順次執行，腳本解釋器58解析規則54並且保持數位化工作流中的當前規則的狀態。
[0035]工作流用於任何整形外科手術。外科手術可以是用於移除骨而沒有種植體。例如，工作流提供計劃和切割導向設計，而沒有種植體。外科手術可以是用於計劃而沒有切割導向設計。外科手術可以是用於設計種植體而沒有切割導向或沒有骨移除。工作流可以用於選擇要使用的種植體的類型(例如式樣)和/或尺寸。外科手術可以包括對僅一個骨的改變或者對相連的或相鄰的骨的改變。連接用於指示互操作性或者是共用關節的一部分。
[0036]可以涉及任何骨。為了進行說明，針對全膝替代種植體和相應的外科手術來說明構架。工作流可以通過使知識庫和特徵檢測器適應外科手術或骨而被用於其他外科手術或者用於其他骨。
[0037]在全膝替代外科手術期間，外科醫生利用切割(例如三個不同的平面切割A、B及C)來修剪骨。接著，外科醫生利用正確類型和尺寸的種植體來替代骨的被移除部分。通常，同時插入脛骨種植體和股骨種植體二者。參考切割的準確度對於患者的康復是重要的，這是因為切割確定了骨的對準以及骨壁上的壓力。例如，如果切割A太深，則腿可能變得太短。如果定向偏離，則股骨種植體不可以與脛骨種植體完全對準。類似地，切割B和C的不正確定位和對準可能移除額外的骨材料並且可能導致壓力的量增大，從而增大骨折的風險。為此，定製化切割導向被設計和製造。外科醫生使用患者個性化切割導向來輔助準確地放置參考切割。切割導向指示要執行的一個、兩個或更多個切割的切割位置。例如，切割導向指示切割A的位置，其中切割B和C被由此限定從而不會由切割導向分離地引導。切割導向可以替選地包括指示切割B和C相對於切割A的位置的邊緣、槽或印刷。
[0038]切割的數量取決於種植體和骨的構造。種植體的定向和位置主要由患者的解剖結構確定。對此，解剖學特徵起著重要作用。對患者的骨的這種特徵的準確檢測規定了正確的種植體選擇及放置。根據種植體、骨及外科手術過程，可以考慮關注的各種解剖學特徵。在膝種植體的背景下，所使用的一些解剖學特徵是股骨的軸和股骨的最末梢點。在患者骨上自動檢測這些特徵。工作流構架為外科醫生自動生成外科手術計劃，其中關於解剖學特徵的相對測量被提供以確保準確的切割以及種植體放置。對特徵的選擇是應用特定的且由相應的工作指令52確定。工作流構架與對基礎特徵檢測算法的選擇無關。可以使用用於檢測的任何算法。
[0039]圖3示出了用於自動化整形外科手術計劃的方法。利用圖1中的系統、處理器、月艮務器、計算機、圖2中的工作流系統和/或不同的系統來實現該方法。通常，處理器接收包括如下輸入:外科手術的類型、外科手術的知識庫、任何特徵檢測器、任何CAD工具及患者的骨的表示。處理器執行該方法以輸出外科手術計劃、種植體設計和/或切割導向設計。
[0040]另外，可以提供比圖3中所示的不同的或更少的動作。例如，提供了用於訪問其他類型的數據的動作、用於傳送輸出的動作和/或用於存儲模型或計劃的動作。
[0041]按所示出的順序或不同的順序執行動作。例如，按任何順序或同時地執行動作20和動作22中的提供規則和患者特定的骨信息。動作26至38表示用於實現動作24的示例動作，因此動作26至38中的任一個的執行都可以被認為是執行動作24的一部分。可替選地，一旦最後的動作(例如38)被執行，就可以認為動作24已經被執行。動作42表示用於實現動作40的示例動作，因此動作42的執行可以是動作40的執行。
[0042]圖4示出了用於自動整形外科手術計劃的方法的另一實施方式。圖4的方法對應於形狀建模器51的實現。圖4的動作由與實施圖3中的動作的相同或不同的系統來實施。相同的系統可以實施給定的應用中圖3和圖4中的全部或一些動作的組合，以生成外科手術計劃、種植體模型和/或切割導向模型。可替選地，圖3和圖4表示可替選的示例性實施方式。
[0043]針對關節替代種植體的整形外科手術計劃包括確定種植體的最優尺寸、種植體的位置、移除病理骨區域的參考切割和/或對用於執行對骨的最初的一個、多個或所有改變的切割導向的定製。在自動創建切割導向和外科手術計劃的3D建模構架中實現計劃。在所提議的構架中，人類可讀取工作指令被轉換成機器可解釋的規則。規則通過腳本語言被指定並且基於相對於特定於患者的骨的或在骨表面上的檢測到的特徵。該方法的靈活性在於規則的多樣化，這使得能夠處理數字製造和計劃中的各種配置。
[0044]在圖3的動作20中，提供了用於骨整形外科手術的規則的知識庫。知識庫是數據。數據包括表示規則的規則或腳本。關於要做的切割的專業知識、相對於骨特徵的切割位置、切割的順序、種植體的尺寸、種植體相對於其他骨的放置和/或用於計劃的其他考慮，都包含在知識庫中。
[0045]規則是以支持幾何基元的腳本語言所表達的、與上下文無關的語法。可以提供其他實現，例如使用特定於外科手術的腳本或依賴於上下文。
[0046]知識庫的作用是通過從工作指令中導出的規則R的集合來數字地表示工作流。規則是應用特定的並且解決表面分類的實現。規則描述如何執行各個步驟以及利用哪些特徵來執行每個步驟。步驟又指示了針對患者骨的一個或更多個表面修改，例如沿切割A切割的步驟，沿切割B切割的另一步驟，以及沿切割C切割的步驟。
[0047]規則指示了調整或定位操作Τ/(Γ)和用於執行操作的特徵F。例如，對於切割骨表面而言，知識庫指定了限定針對寬範圍的表面在何處一致地執行切割的規則r。遵循規則計算切割平面以及切割的類型。雖然表面可以呈現多變性，但是它們的分類隸屬關係確保特徵F的一些規範集合是可識別的並且足以限定這樣的平面。患者骨模型中所檢測的特徵的存在驅動構架。知識庫以腳本語言實現規則，以使得能夠完成各種種植體和導向類型及目標形狀的靈活性。
[0048]規則知識庫可以包括與不止一個骨相關聯的規則腳本。例如，兩個種植體相對於脛骨和股骨對準以及兩個種植體彼此對準。骨的相互定向還可以指示種植體的相對位置。種植體的相對位置指示要發生的骨成形，例如一個或更多個切割的位置。規則包含種植體和/或骨之間的關係，例如通過檢測多個骨上的特徵以確定其中一個骨上的切割定位。可替選地，一個、更多個或所有規則僅基於一個骨而用於一個骨。
[0049]在圖3的動作22和圖4的動作70中，獲得了患者特定的骨信息。用戶通過選擇患者的數據集、一個圖像或多個圖像來輸入骨信息。信息可以通過接收傳輸、從存儲器上載或者掃描患者而獲得。
[0050]骨信息是表示患者體積的數據集。例如，計算機斷層掃描(CT)或磁共振(MR)數據集表示包括關節的體積。可以使用來自其他成像模式的數據。數據集內的數據表示骨的表面以及其他結構。可替選地，獲得了骨段信息。在沒有表示其他結構的數據的情況下，表示骨和/或骨表面的定位被分段並且分段信息被接收。用於一個或更多個其他結構的數據可以包括有骨段信息。可以使用任何分段。
[0051]骨信息表示有機形狀。不同的患者具有不同尺寸、形狀、密度或其他骨特徵。所獲得的骨信息指示特定患者的這些特徵中的一個或更多個。
[0052]在動作24中，根據規則知識庫和骨信息來自動創建外科手術計劃。外科手術計劃指示由外科醫生執行的一個或更多個步驟以用於植入患者的骨中。外科手術計劃可以包括要執行的指令或動作(例如，在定位X處切割)、一個或更多個圖像(例如，示出在何處進行切割或定位及最終結果)、種植體的一個或更多個特徵(例如，尺寸、類型和/或形狀)和/或外科醫生的其他信息。例如，外科手術計劃示出了其上具有線條的患者骨的一個或更多個視圖或者指示切割定位、方向及相應特徵的圖表(參見圖5)。
[0053]圖3示出了創建如包括動作26至38的外科手術計劃。在輸出計劃的上下文中提供了動作。圖4示出了創建如動作72至88的外科手術計劃。在輸出表示計劃的圖像和/或在實施計劃之後的骨的圖像的上下文中提供了動作。可以使用附加的、不同的或更少的動作。在一個實施方式中，簡化的外科手術計劃工作流包括檢測解剖學特徵，確定種植體的大概尺寸，種植體的最優放置及尺寸調整，關於各個特徵為外科醫生創建指示種植體的尺寸、類型及放置的參考計劃，以及包括外科手術計劃中的參考切割。在更複雜的工作流中，還可以設計個性化種植體。
[0054]可以通過一次通過動作來創建外科手術計劃。圖3和圖4 二者示出了重複通過知識庫中的規則集合進行排序。重複一直進行直到執行了腳本中的規則為止。工作指令按操作順序包含於規則中及相應的腳本中。外科手術計劃和切割導向設計的工作流包括在設計者的工作指令手冊中指定的步驟序列。每次通過包括選擇下一規則、識別相應的特徵、限定改變以及改變骨表示。每次通過實現序列中的下一規則的一個或多個操作。序列的規則表示不同的或者改變骨幾何形狀的順序。一個或更多個規則可以可替選地或另外地表示不同於骨幾何形狀改變的其他動作。重複該過程直到腳本解釋器耗盡所有適用的規則為止，並且按照骨的設計形狀或所需形狀和/或所需骨形狀的切割導向來輸出當前表面。
[0055]以工作流排序而使用知識庫中的規則及相應的腳本的收集是模塊化的。針對不同的整形外科手術可以使用相同的結構和方法。知識庫中設置的規則可以改變，但是工作流和自動化處理是相同的或類似的。該模塊化方法的優勢在於工作流建模器和形狀引擎是自動化的並且不專用於特定應用。通過修改可編寫腳本的規則及相關聯的特徵集合，可以改變應用。
[0056]腳本允許對方法的配置。由腳本解釋器實現排序。腳本解釋器或控制應用解釋知識庫的工作指令的腳本。為了自動實現工作流，腳本解釋器按照由知識庫指示的順序來解釋規則。
[0057]排序自動進行。一旦被激活，在沒有用戶輸入或交互的情況下創建外科手術計劃。在其他實施方式中，用戶被提示確認一個或更多個或全部操作。例如，為用戶呈現規則實現的所提議的結果。然後，用戶確認適當的操作和/或做出改變。
[0058]在圖4的動作72中，確定當前表面。如果序列處於第一次通過中，則當前表面是來自動作70的輸入表面。對於後續通過，當前表面是具有所包含的一個或更多個改變的輸入表面。給定的規則可以限定對表面的改變，因此在該改變之後的當前表面包括改變。
[0059]在圖4的動作76和圖3的動作26中，選擇規則。規則從知識庫80中選擇。藉由通過規則進行排序，不同的規則被選擇作為序列的一部分。在動作78中，腳本解釋器按照知識庫中所限定的順序訪問腳本。例如，按從第一規則到最後一個規則的順序提供或尋址規則。一個或更多個規則可以被多次包括在序列中。由於在計劃的創建中實現對規則的改變或其他操作，因此腳本解釋器被請求或自動選擇下一規則。
[0060]為了利用腳本解釋器實現規則，設計了具有與上下文無關的語法的腳本語言。例如，使用Bison和Flex工具。除了幾何基元(例如點、平面及矩陣(例如，三維地限定定位或定向))之外，語言還支持標準數據類型，這允許操縱表面網孔。腳本語言可以包括控制結構，例如IT-THEN-ELSE和FOR和WHILE迴路。可以使用任何編程結構。專門的功能可以包括至CAD工具應用編程接口(API)、特徵檢測API功能及原始表面操縱器的接口。定製化語言可以允許對腳本的簡單處理並且容易與CAD應用集成在一起，同時保持CAD應用的靈活性。在其他實施方式中，使用標準或通用程式語言。
[0061]在動作28和動作82中，識別一個或更多個解剖學特徵。規則可以基於一個或更多個解剖學特徵，因此規則指示了特徵。腳本解釋器識別要使用的特徵用於實現規則。特徵被用於限定表面修改或位置操作。在一個示例中，規則限定切割A為距具有法線η的股骨頭部距離X處的骨上的切割。切割的數量取決於種植體的構造。其定向和定位主要由患者解剖來確定。對此，利用解剖學特徵來確定每個表面修改或定位操作。為此，由規則識別各種解剖學特徵。
[0062]可編寫腳本的規則可以與一個或更多個特徵相關。通常，不同的配置或類型的種植體採不同的用特徵組合。種植體可以不同地就坐，因此需要對骨進行不同的改變。給定的改變可以參照與其他改變相同或不同的骨的特徵集。通過腳本中的IF-THEN-ELSE陳述來選擇特徵的組合。例如，如自描述性的，規則包括CutFemurBoneAtPlane (在平面處切割股骨)、Partit1nFemurCartiIage (劃分股骨軟骨)及CutTibiaAtPlane (在平面處切割胚骨)。規則參考切割和/或劃分的定位。在示例中，根據兩個特徵確定股骨切割平面Α。種植體抵靠在該平面上，並且參考該平面限定其他切割平面。在本示例中，平面被置於距股骨的最末梢點距離X處。最末梢點是骨表面的特徵。平面法線與股骨的解剖軸線對齊。解剖軸線是骨表面的特徵。腳本可以被表示為:
[0063]Il檢測解剖軸
[0064]anatomicalaxis (解剖軸)=DetectFemurAnatomicalAxis (檢測股骨解剖軸)
[0065]//檢測最末梢點
[0066]mostDistalPoint (最末梢點)=DetectFemurMostDistalPoint (檢測股骨最末梢點)
[0067]Il向較高方向移動末梢點
[0068]shiftedMostDistalPoint (偏移的最末梢點)=mostDistalPoint (最末梢點)-x*anatomicalAxisDirect1n (解剖軸方向)
[0069]//限定切割平面
[0070]cuttingPlane (切割平面)=Plane (平面)(shiftedMostDistalPoint (偏移的最末梢點)，anatomicalAxisDirect1n (解剖軸方向))
[0071]可以使用其他腳本。腳本指示要執行的操作、用於操作的特徵及用於操作的參數(例如，距離、角度……)。可以指示附加的、不同的或更少的信息。
[0072]在圖3的動作30和圖4的動作84中，調用一個或更多個特徵檢測器。特徵檢測器被調用以檢測特徵。特徵檢測器是分離的應用或被包括作為工作流的一部分。例如，特徵檢測器由同一處理器實現但是是分離的可執行文件。腳本解釋器調用特徵檢測器以使得檢測規則中所限定的特徵。特徵檢測器本身在腳本解釋器內或不在腳本解釋器內。
[0073]可以使用任何特徵檢測器。特徵檢測器定位骨表面上的特徵或相對於骨的特徵。由特徵檢測器使用輸入骨表面或當前骨表面。可以可替選地或附加地使用其他信息，例如表示患者的其他數據。利用過濾、圖像處理、機器學習分類器或其他檢測，數據被處理以定位患者的骨的一個或更多個特徵。
[0074]在動作32和動作86中，調用的特徵檢測器檢測一個或更多個解剖特徵。調用的特徵檢測器被激活並運行。所檢測的特徵在骨表面上，但是可以在骨內或者與骨間隔開。表示特徵的任何一個或多個參數被輸出以用於工作流中。例如，點、線、表面、平面、體積或其組合被輸出。定位是相對於骨表面的，或者是輸入骨表面或者是當前骨表面。
[0075]在動作34中，確定與特徵相關聯的改變。使用特徵以唯一確定實際表面修改操作。利用所檢測的特徵並且基於由規則限定的操作來確定要執行的改變。特徵指示了病理骨的移除或改變的定位。在以給定的骨表面初始化時，表面成形引擎從腳本解釋器詢問規貝U，並且執行指示相對於所檢測的特徵的改變的指令。在運行中(on the fly)檢測特徵，並且在運行期間確定表面修改操作。移除骨的切割位置被定位和/或相對於切割位置要被移除的骨的部分被指示。可以按照改變來確定鑽孔的位置及深度或其他信息。
[0076]改變是用於在設計期間通過外科手術或切割導向或種植體對骨做出平滑、挖空、整平、鑽孔、切割、移除、修剪或其他更改。改變可以是添加，例如添加固定裝置、膠粘物層或其他物質。在局部挖空或平滑的示例中，知識庫通知表面成形引擎關於操作(即挖空或平滑)、挖空或平滑參數及針對關注的相應區域或改變定位的標識符(例如特徵)。基於該標識符，確定要挖空或平滑的區域。基於其他參數，確定挖空或平滑的程度。
[0077]在動作36中，基於改變來改變表面。被改變的表面是骨表面的表示。表面成形引擎改變由數據表示的虛擬表面。模擬對骨和/或附加物的移除。
[0078]在動作88中，選擇一個或更多個CAD工具用於執行改變。可以使用任何CAD工具，例如標準或慣用設計的CAD工具。在一個實施方式中，對於切割平面調用限定平面的CAD工具。然後利用刪除CAD工具來移除要被移除的部分，從而導致網孔沿著平面移動或改變。腳本指示CAD工具基於改變和定位信息來使用並且限定CAD工具的操作。
[0079]在動作87中，使用被調用的CAD工具來改變表面。限定表面的網孔和/或矩陣被更改以視為改變。例如，CAD切割工具基於由腳本限定的參數和所檢測的特徵來移除骨的病理部分。例如，由CAD工具實現的腳本可以是CutSurface (切割表面)(cuttingPlane (切割平面)ShiftedMostDistalPoint (偏移的最末梢點))。改變的結果是動作72中提供的當前表面以用於序列的下一次迭代。
[0080]在動作90和動作38中，生成了患者的一個或更多個骨的整形外科手術計劃。在通過規則進行排序之後，確定一系列改變。根據排序的結果生成計劃。
[0081]在一個實施方式中，從排序中產生的表面被輸出作為計劃。計劃指示相對於患者的一個或多個骨的期望的結果。來自任一視圖(例如用戶選擇的視圖)的三維透視圖被輸出作為計劃。可以可替選地或附加地輸出多個平面視圖，例如來自三個正交軸中的每一個的視圖。
[0082]在另一個實施方式中，具有指示切割定位或改變的定位及類型的圖表的起始骨表面被輸出作為計劃。計劃指示相對於起始的一個或多個骨的期望的改變。圖5示出了股骨的示例性外科手術計劃。在多平面重建的頂圖像中，參考平面A被限定在另一視圖上，並且在中間視圖上示出了基於平面A的平面B和平面C。參考平面A的法線被限定為通過將解剖軸線Va繞中間側軸旋轉角度α而生成的矢量。該平面被定位在距骨上的最末梢點Pd距離hA處。平面B通過將平面A沿著前後軸線旋轉角度β而被限定，並且被定位在距最前端點Pa距離hB處。平面C被定位在距B距離hC處，並且然後旋轉成與平面A成角度Y。可以包含更多輸出平面。
[0083]除了示出計劃的開始點和/或結束點之外，還可以示出各種階段或步驟。例如，示出了程序中的不同點處的骨。表示操作序列的圖像序列被輸出作為計劃。
[0084]在又一個實施方式中，輸出了相對於特定患者的特定骨的改變和參數的文本摘要。指示了動作列表。
[0085]可以使用文本和圖像的組合。例如，示出了改變的序列及相應的在圖像前和/或後。圖像是特定患者的骨表面的圖像。
[0086]計劃可以包括或不包括種植體信息。例如，一個或更多個圖像指示種植體相對於切割之後的表面的位置。對相對於改變的骨的種植體放置進行建模。以根據計劃剩餘部分所改變的患者的骨的種植體及種植體放置的表示，在植入種植體的最後動作中輔助外科醫生。圖像輔助外科醫生對種植體相對於所改變表面的放置。
[0087]如果種植體影響多個骨，則種植體放置可以相對於不同的骨被建模。例如，部分地基於相鄰骨上的種植體或特徵的定向、形狀和/或定位，規則指示種植體相對於一個骨的位置。計劃可以包括示出了一個或多個種植體相對於不止一個骨的定位的圖像。
[0088]可以確定並輸出其他種植體信息。例如，一個或更多個規則可以包括確定要使用的種植體的尺寸和/或類型以及種植體放置的操作。一旦檢測到特徵，該特徵就被採用以確定種植體的最優尺寸、類型及位置。
[0089]在圖3中的動作40中，自動設計切割導向。對於實現外科手術計劃，外科醫生可以由切割導向輔助。切割導向引導切割的定位或其他改變。切割導向上的槽、洞、表面、標記或其他結構指引改變工具(例如鋸或鑽)和/或指引外科醫生在何處做出改變。
[0090]可以由切割導向引導一個或更多個改變。少於全部改變或全部改變被引導。例如，股骨的切割導向包括用於引導沿著平面A對骨進行切割的槽，而不是其他平面。
[0091]切割導向特定於患者。由於對特徵的定位對於每個患者都是不同的，因此對改變的定位也對於每個患者而不同。常備的或常用的切割導向可以不考慮這些差異。相反，切割導向特定於患者而被建模。針對特定骨表面而對尺寸、形狀、配置和/或導向定位進行建模。例如，使切割導向中的接觸面或接觸點符合患者的骨，以適當地定位切割平面。
[0092]對切割導向的設計是基於規則的。腳本包括用於對切割導向進行建模的規則。來自處理切割導向設計規則的輸出不被包括在外科手術計劃中，而是指示在外科手術期間切割導向的放置及使用。可替選地，計劃包括附加的切割導向設計信息。
[0093]在動作42中，對切割導向的尺寸、形狀和導向定位進行建模。切割導向的抽象模板被改變成外科手術和/或給定患者的骨表面。切割導向被個性化成患者的骨的起始表面，以提供用於植入的骨的期望的最終表面。切割導向適配於骨的表面，以使得在針對骨的期望改變的導向上指示切割或其他改變位置。
[0094]在一個實施方式中，切割導向設計工作流包括使用用於放置切割導向的外科手術計劃信息。例如，一個約束是平面A相對於切割導向對齊。切割導向模板參數針對患者而被調整，例如基於骨表面特徵確定手指長度和深度。可以使用任何參數，例如表面形狀、表面接觸點、長度、寬度和/或角度。在使切割導向模型符合骨表面之後，移除表示骨表面的數據。結果是特定於給定患者的所設計的切割導向。一旦檢測到特徵，該特徵就被採用以基於模板和/或規則來設計具有某些約束的個性化切割導向。
[0095]切割導向模型被輸出給製造商。製造商創建用於患者外科手術的個性化切割導向。模型指示在個性化中所使用的切割導向類型和可變參數的一個或更多個值。模型可以通過類型或通過參數的值來指示對不同患者通用的切割導向的方面。模板、相對於骨表面的放置及尺寸值是設計的約束。
[0096]在外科手術中要改變兩個骨的情況下，分離的切割導向被設計並且被用於不同的骨。對切割導向的設計和/或對一個骨的改變可以相對於其他骨或與其他骨無關。類似地，切割導向彼此依賴或彼此無關。在可替選的實施方式中，一個切割導向指示對不止一個骨的改變。例如，切割導向要被安裝至兩個骨或者要抵著兩個骨放置，以引導對兩個骨的改變。
[0097]另外或課替選地，種植體可以被建模並且被個性化。代替通過標準或可用的類型和尺寸來使用種植體，可以利用規則和骨表面對種植體的尺寸和/或形狀進行建模。例如，基於兩個骨的軸線的相對角來設置種植體的基底相對於與另一個種植體交互的表面(例如球)的角。可以使用考慮針對每個患者而變化的其他個性化。種植體模型被輸出用於製造個性化骨種植體。
[0098]雖然已經參考各種實施方式描述了本發明，但應當理解的是，能夠在不偏離本發明的範圍的情況下做出許多改變和修改。因此，前述詳細描述被認為是說明性的而非限制的，並且應當理解的是，本發明的精神和範圍是由包括所有等價物的下述權利要求來限定的。
【權利要求】
1.一種用於整形外科手術計劃的方法，所述方法包括: 提供(20)用於對骨的整形外科手術的規則的知識庫； 獲得(22)表示所述骨、種植體或切割導向的表面； 由處理器選擇(26)所述知識庫中的第一規則； 由所述處理器識別(28)針對所述第一規則的至少一個解剖學特徵； 由所述處理器檢測(32)所述表面的所述至少一個解剖學特徵； 由所述處理器根據所述第一規則和所述至少一個解剖學特徵來限定(34)對所述表面的改變； 由所述處理器根據所述改變來改變(36)所述表面，從而產生第一被改變表面； 由所述處理器參考所述第一被改變表面而輸出(38)指示種植體的參考計劃；以及由所述處理器根據所述第一被改變表面而生成(40)切割導向模型，所述切割導向模型指示用以提供所述第一改變表面的改變。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，提供(20)所述規則的所述知識庫包括提供(20)所述規則作為以支持幾何基元的腳本語言的、與上下文無關的語法，其中，識別(28)、檢測(32)及限定(34)是由腳本解釋器執行的，並且其中，改變(36)是由表面成形引擎執行的。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，提供(20)所述規則的所述知識庫包括對用於針對所述種植體準備所述骨和另一個骨的規則編寫腳本。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，獲得(22)包括接收分段的醫療數據。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，選擇(26)所述第一規則包括通過所述規則進行排序，其中，所述規則中的每個規則與形成針對所述種植體的所述骨的動作相關聯，所述第一規則是所述規則中的最後一個。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，識別(28)包括在所述第一規則中指示用於相對於所述骨定位所述改變的所述解剖學特徵，其中，檢測(32)包括利用特徵檢測器進行檢測(32)，並且其中，限定(34)所述改變包括基於所述至少一個解剖學特徵來定位切割位置並且指示相對於所述切割位置被移除的所述骨的一部分。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，改變(36)包括實現計算機輔助設計工具。
8.根據權利要求1所述的方法，其中，改變(36)包括模擬對所述骨的一部分的移除。
9.根據權利要求1所述的方法，其中，輸出(38)包括輸出(38)具有種植體尺寸、種植體類型及種植體放置的所述參考計劃。
10.根據權利要求1所述的方法，其中，生成(40)所述切割導向模型包括使所述切割導向模型適配於所述表面，相對於所適配的切割導向模型來定位所述切割位置，以及指示針對所述切割位置的所述切割導向模型上的導向。
11.根據權利要求1所述的方法，還包括針對在所述第一規則之前的第二規則執行選擇(26)、識別(28)、檢測(32)、限定(34)及改變(36)，所述表面通過針對所述第二規則的所述執行而被限定。
12.—種非暫態計算機可讀存儲介質，其中存儲有表示能夠由編程處理器執行的、用於整形外科手術計劃的指令的數據，所述存儲介質包括用於執行以下操作的指令: 通過表示基於解剖學特徵對幾何形狀進行改變的工作指令進行排序(36)； 響應於所述排序而生成(24)針對患者的整形外科手術計劃； 相對於所述患者的所述骨對種植體放置進行建模(34);以及 設計(40)針對所述患者的所述骨的切割導向。
13.根據權利要求12所述的非暫態計算機可讀存儲介質，其中，排序(36)包括解釋用於知識庫的所述工作指令的腳本。
14.根據權利要求12所述的非暫態計算機可讀存儲介質，其中，生成(24)包括指示針對種植體放置、種植體尺寸及種植體類型的所述骨的改變序列。
15.根據權利要求12所述的非暫態計算機可讀存儲介質，其中，建模(34)包括輸出(38)所述種植體放置的表示，其中根據所述整形外科手術計劃而改變所述患者的所述骨。
16.根據權利要求12所述的非暫態計算機可讀存儲介質，其中，設計(40)包括確定特定於所述患者的所述骨的所述切割導向的尺寸、形狀、位置及導向定位。
17.根據權利要求12所述的非暫態計算機可讀存儲介質，其中，生成(24)包括生成針對所述患者的所述骨及附加骨的所述外科手術計劃，其中，建模(34)包括相對於所述骨及所述附加骨對所述種植體放置進行建模，以及其中，設計(40)所述切割導向包括設計針對所述骨的所述切割導向以及針對所述附加骨的附加切割導向。
18.一種非暫態計算機可讀存儲介質，其中存儲有表示能夠由編程處理器執行的、用於整形外科手術計劃的指令的數據，所述存儲介質包括下述執行以下操作的指令: 自動創建(24)用於植入患者的骨中的、特定於所述患者的改變的外科手術計劃；以及 自動設計(40)針對所述改變的切割導向，其中所述切割導向特定於所述患者。
19.根據權利要求18所述的非暫態計算機可讀存儲介質，其中，創建(24)包括通過知識庫中的一組規則、利用腳本解釋器進行排序(78)，調用針對所述規則的特徵檢測器，以及基於所述規則並且利用由所述特徵檢測器檢測到的特徵來確定所述改變。
20.根據權利要求18所述的非暫態計算機可讀存儲介質，其中，設計(40)包括對所述切割導向的尺寸、形狀及導向定位進行建模。
【文檔編號】A61B19/00GK104271067SQ201380022856
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月29日 優先權日:2012年5月3日
【發明者】方彤, 薩賈德·海珊·巴洛克, 蘇拉傑·拉維·穆蘇瓦蒂, 熊光磊, 勞倫斯·斯皮維, 詹姆斯·B·湯姆普森 申請人:西門子產品生命周期管理軟體公司