用於確定半月板的大小和形狀以及設計治療的方法

2023-05-07 08:12:16

專利名稱：用於確定半月板的大小和形狀以及設計治療的方法
技術領域：
本發明涉及確定半月板的大小和形狀以用於設計治療各種關節疾病的療法的方法。這種方法接著用於設計用於關節的植入物或關節修復系統。
背景技術：
存在各種類型的軟骨，例如透明軟骨和纖維軟骨。在(例如)關節的骨骼的關節表面有透明軟骨，且其負責提供可移動關節的平滑運動特徵。關節軟骨穩定的附著到基礎骨骼上且在人體關節中的測得通常具有小於5mm的厚度，並且取決於關節和特定而言在關節內的位置而具有相當大的變化。另外，關節軟骨是非神經的、非血管的且非淋巴的。
成人軟骨具有有限的修復能力；因而，由疾病造成的軟骨損壞，例如風溼性關節炎和/或骨關節炎或外傷可導致嚴重的身體畸形和虛弱。另外，當人體關節軟骨老化時，其可拉伸特性發生改變。因而，成人軟骨的抗張硬度和強度因老化過程而隨時間顯著減少。
舉例而言，人在30歲前，膝關節軟骨的表面區的抗張強度是增加的，而隨後，隨著年齡變大而顯著減少，在關節表面可檢測到出現II型膠原質檢測損壞。隨著年齡的增長，深區軟骨的抗張強度也表現出逐漸的減少，儘管膠原質含量沒有出現減少。這些觀察表明了隨著人變衰老在軟骨的機械組織上且由此在結構組織上會發生變化，而如果讓這種變化充分發展的話，就會容易使軟骨提前出現外傷損壞。
一旦發生了損壞，可通過多種方法達成關節修復。基質、組織骨架或與細胞(例如，軟骨細胞、原始軟骨細胞、基質細胞、間葉幹細胞等)一起植入的其它載體的使用已被描述成用於軟骨和半月板修復或替換的潛在治療方法。還是參閱Fofonoff的1999年10月14日公開的國際公開案WO 99/51719；Simon等人的2001年12月6日公開的WO01/91672；和Mannsmann的2001年3月15日公開的WO01/17463；2001年9月4日頒給Vibe-Hansen等人的美國專利第6,283,980B1；1998年12月1日頒給Naughton的美國專利第5,842,477號，1998年6月23日頒給Schwartz等人的美國專利第5,769,899號，1986年9月2日頒給Caplan等人的美國專利第4,609,551號，1991年8月29日頒給Vacanti等人的美國專利第5,041,138號，1993年3月30日頒給Caplan等人的美國專利第5,197,985號，1993年7月13日頒給Caplan等人的美國專利第5,226,914號，2001年12月11日頒給Hardwick等人的美國專利第6,328,765號，2001年8月28日頒給Rueger等人的美國專利第6,281,195號和1989年7月11日頒給Grande的美國專利第4,846,835號。然而，使用例如同種異體移植和自體移植系統和組織骨架的生物替換材料的臨床結果具有不確定性，因為大多數這些材料不能實現與將要替換的正常的、無病的人體組織類似或相同的形態布置。另外，這些生物替換材料的機械耐用性也是不確定的。
軟骨的嚴重損壞和缺失通常是通過使用修補材料來治療，例如矽樹脂用於如美容修復、或合適的金屬合金。參閱，例如2002年9月3日頒給Running的美國專利第6,443,991號，2002年5月14日頒給Miehike等人的美國專利第6,387,131B1號；2002年5月7日頒給Schmotzer的美國專利第6,383,228號；2001年2月5日頒給Krakovits等人的美國專利第6,344,059 B1號；2001年3月20日頒給Afriat等人的美國專利第6,203,576號；2000年10月3日頒給Ateshian等人的美國專利第6,126,690號；2000年1月11日頒給Kaufman等人的美國專利第6,013,103號。這些修補裝置的植入通常與缺失基礎組織和骨骼而無法恢復由原始軟骨所允許的全部功能相關聯，使用某些裝置時，與大量的組織和骨骼的缺失相關聯的嚴重的長期併發症可包括感染、骨質溶解和植入物的鬆動。
可了解，關節造形手術是高度擴散性的且需要手術切除進行修復所涉及的一個或一個以上骨骼的整個或大部分關節表面。通常，通過這些程序，髓隙被大面積的擴孔以將修補物的莖幹安裝到骨骼內。擴孔會導致病人骨存量(bone stock)的損失，且繼發的骨質溶解將隨著時間不斷導致修補物的鬆動。另外，植入物和骨骼配接的區域會隨著時間退化，最終需要替換修補物。因為病人的骨存量是有限的，所以對於關節造形手術來說，可能進行的替換手術的數量也是有限的。簡單來說，在15到20年的過程中，或在某些情形下甚至更短的時期，病人會用盡治療的選擇，最終導致痛苦的、功能不全的關節。
2001年3月27日的美國專利第6,206,927號和2003年5月6日頒給Fell等人的美國專利第6,558,421號揭示了一種無需切除骨骼即可手術植入的膝蓋修補物。所描述的這種修補物大體上是橢圓形狀，具有一個或一個以上的直邊。因此，所設計的這些裝置實質上與體內剩餘的軟骨和/或基礎骨骼的實際形狀(輪廓)並不一致。因而，由於病人的周圍軟骨和/或基礎軟骨下骨與修補物在厚度和曲率上的差異，使植入物的整合變得極其困難。
已經描述可不附著到脛骨和股骨(femur)的插入型膝蓋裝置。舉例而言，Platt等人的(1969)「Mould Arthroplasty of the Knee」，Journal of Bone and Joint Surgery 51B(1)76-87中描述了具有並不嚴格附著到脛骨的凸起底面的半關節造形術。
1985年5月5日頒給Wall的美國專利第4,502,161號描述了由例如矽樹脂橡膠或特氟綸(Teflon)的材料與不鏽鋼或尼龍繩加固材料構造的修補半月板。1978年3月25日頒給Goodfellow等人的美國專利第4,085,466號描述了由塑料材料製成的半月板組件。還已經嘗試了使用碳纖維聚氨酯聚(左旋丙交酯)重建半月板損害。Leeslag等人的「Biological and BIOMECHANICAL Performance of BIOMATERIALS」(Christel等人編)Elsevier科學出版社B.V.，Amesterdam.1986.第347-352頁。也可使用生物可再吸收材料和組織骨架來重建半月板損害。
然而，目前可用的裝置並不是總能提供與關節表面形成理想的對準，從而所得的關節和諧性也並不總是理想。較差的對準性和較差的關節和諧性可(例如)導致關節不穩定。在膝關節中，不穩定性通常表現為關節的橫向不穩定性。
因而，仍然需要能再現關節的兩個關節表面(例如股骨髁和脛骨平臺)之間的自然或接近自然的關係的方法。

發明內容
一方面，當實驗體中存在半月板時，本發明包括測量半月板的尺寸和/或形狀參數。這些尺寸和參數包括例如(但不限於)半月板最大前後距離、半月板最大內外距離、半月板附著物的大小和面積、前角最大長度、前角最大和最小高度、骨體最大和最小高度、后角最大和最小高度、半月板最大高度和最小高度、前角最大和最小寬度、骨體最大和最小寬度、后角最大和最小寬度、各位置的半月板半徑和角度。這些測量可接著用於設計治療關節疾病的療法。這些治療可包括(例如)半月板修復系統、軟骨修復系統、關節修復系統和關節造形系統且其可由以下各物組成例如，生物材料、組織骨架、塑料、金屬或金屬合金、或其組合。療法可以是定製的，通常利用這些測量中的至少一個或一個以上的測量。或者，可選擇與這些測量中的一個或一個以上測量緊密匹配的預製「現成的」組件。
另一方面，本發明包括測量對側半月板的尺寸和/或形狀參數。這些尺寸和參數包括例如(但不限於)半月板最大前後距離、半月板最大內外距離、半月板附著物的大小和面積、前角最大長度、骨體最大長度、后角最大長度、前角最大和最小高度、骨體最大和最小高度、后角最大和最小高度、半月板最大高度和最小高度、前角最大和最小寬度、骨體最大和最小寬度、后角最大和最小寬度、各位置的半月板半徑和角度。
在一個實施例中，相對隔室的半月板可用於產生患病側半月板的鏡像。這些測量接著可用於確定半月板的大小和/或形狀以設計用於患病關節的療法。這些療法可包括例如，半月板修復系統、軟骨修復系統、關節修復系統和關節造形系統，且其可由以下各物組成例如，生物材料、組織骨架、塑料、金屬或金屬合金、或其組合。療法可以是定製的，通常是使用這些測量中的至少一個或一個以上的測量。或者，可選擇與這些測量中的一個或一個以上測量匹配或緊密匹配的預製「現成的」組件。
在另一個實施例中，可從來自相鄰關節表面和結構的測量得出半月板被感染部位的3D幾何形狀，以再現患病半月板的形狀和大小。這些測量包括例如(但不限於)脛骨尺寸，例如最大的前後距離、最大的內外距離、從脛骨脊骨到邊緣的最大距離、脛骨脊骨的寬度、脛骨脊骨的高度、脛骨脊骨所佔據的脛骨平臺面積、脛骨平臺的深度、脛骨平臺的2D和3D形狀；股骨髁骨骼尺寸，例如最大的前後距離、最大的上下距離、最大的內外距離、從滑車到內邊緣或外邊緣的最大距離；髁間凹(intercondylar notch)的寬度和深度、沿著股骨髁的選擇區域的曲率、2D和3D形狀。
另一方面，當應用到膝關節時，本發明包括一個或一個以上的以下測量(1)脛骨尺寸，例如最大的前後距離、最大的內外距離、從脛骨脊骨到邊緣的最大距離、脛骨脊骨的寬度、脛骨脊骨的高度、脛骨脊骨所佔據的脛骨平臺面積、脛骨平臺的深度、脛骨平臺的2D和3D形狀；(2)股骨軟骨尺寸，包括厚度和形狀；(3)股骨髁骨骼尺寸，例如最大的前後距離、最大的上下距離、最大的內外距離、從滑車到內邊緣或外邊緣的最大距離；髁間凹的寬度和深度、沿著股骨髁的選擇區域的曲率、2D和3D形狀；和(4)股骨髁測量，包括厚度和形狀。這些測量可接著用於估計半月板的大小和/或形狀用於治療關節疾病。這些治療可包括例如，半月板修復系統、軟骨修復系統、關節修復系統和關節造形系統且其可由以下各物組成例如，生物材料、組織骨架、塑料、金屬或金屬合金、或其組合。療法可以是定製的，通常利用這些測量中的至少一個或一個以上測量。或者，可選擇與這些測量中的一個或一個以上測量緊密匹配的預製「現成的」組件。
在另一方面，半月板測量是從具有正常或接近正常的半月板的參考人群中獲得的。半月板測量可包括例如(但不限於)半月板最大前後距離、半月板最大內外距離、半月板附著物的大小和面積、前角最大長度、骨體最大長度、后角最大長度、前角最大和最小高度、骨體最大和最小高度、后角最大和最小高度、半月板最大高度和最小高度、前角最大和最小寬度、骨體最大和最小寬度、后角最大和最小寬度、各位置的半月板半徑和角度。
還可利用相同的參考人群獲得其它非半月板測量，且可包括一個或一個以上的以下測量(1)脛骨尺寸，例如最大前後距離、最大內外距離、從脛骨脊骨到邊緣的最大距離、脛骨脊骨的寬度、脛骨脊骨的高度、脛骨脊骨所佔據的脛骨平臺面積、脛骨平臺的深度、脛骨平臺的2D和3D形狀；(2)股骨軟骨尺寸，包括厚度和形狀；(3)股骨髁骨骼尺寸，例如最大前後距離、最大上下距離、最大內外距離、從滑車到內邊緣或外邊緣的最大距離、髁間凹的寬度和深度、沿著股骨髁的選擇區域的曲率、2D和3D形狀；和(4)股骨髁測量，包括厚度和形狀。(5)測量膝蓋骨尺寸；(6)測量膝蓋骨軟骨尺寸，包括厚度和形狀；和/或(7)測量例如十字韌帶的韌帶結構的大小、長度或形狀。
參考人群的半月板的大小和/或形狀可接著與一個或一個以上的其它非半月板的測量相關聯。一旦建立關聯，與半月板大小和/或形狀最有關聯的骨骼和/或軟骨和/或韌帶的尺寸可用於預測半月板大小和/或形狀，以設計用於正遭受關節疾病痛苦的病人的療法。來自參考人群的數據通常存儲在資料庫中，該資料庫可定期地或連續地進行更新。利用這些信息，療法可以是裝置，包括(例如)半月板修復系統、軟骨修復系統、關節修復系統和關節造形系統且其可由以下各物組成例如，生物材料、組織骨架、塑料、金屬或金屬合金、或其組合。療法可以是定製的，通常利用這些測量中的至少一個或一個以上的測量。或者，可選擇與這些測量中的一個或一個以上測量緊密匹配的預製「現成的」組件。舉例而言，可利用這些信息來選擇半月板修復系統。或者，這些信息可用於定形插入型關節造形系統。


圖1A說明同心排列的光環的Placido盤的實例。圖1B說明將Placido盤投影到一固定曲率表面上的實例。
圖2顯示了將同心光環(Placido盤)投影到每個股骨髁上所產生的反射，展示了反射環上的表面輪廓的變化效果。
圖3說明不規則曲面的2D色碼構形圖的實例。
圖4說明不規則曲面的3D色碼構形圖的實例。
圖5說明使用雷射掃描儀使MRI表面和數位化表面的表面配準。左邊的圖示顯示配準前的表面，且右邊的圖示顯示配準後的表面。
圖6是股骨遠端的關節軟骨的三維厚度圖的再現。例如可從超聲波、CT或MRI數據生成三維厚度圖。軟骨物質內的黑洞指示整個厚度軟骨缺失區域。
圖7說明來自矢狀掃描(藍色)和冠狀掃描(紅色)的股骨內側髁的軟骨表面。
圖8A說明半月板的軸向圖；圖8B說明半月板的矢狀圖；和圖8C說明半月板的冠狀圖。
圖9A說明脛骨的矢狀圖；和圖9B說明脛骨的冠狀圖。
圖10A說明股骨的矢狀圖；和圖10B說明股骨的冠狀圖。
圖11A-C說明一個組合圖，其顯示從冠狀FSE提取之後的脛骨軟骨表面和上半月板表面，和標度被設為可以承擔在負重狀態下的壓縮的半月板表面。圖11C是從所述信息得出的植入物的橫截面。
圖12說明接近光滑曲面片(棕色)的植入物表面(黃色)的點雲。
圖13A和圖13B是適用於股骨髁上的植入物的視圖，其分別顯示了上表面和下表而視點。
圖14是適用於膝蓋中的一部分脛骨平臺的植入物的視圖。
圖15A-D是適用於髖部的植入物的視圖。
具體實施例方式
下文的描述是使所屬領域的任何技術人員能夠製造並使用本發明。所屬領域的技術人員將不難發現，可對所描述的實施例做出多種修改，且本文所界定的一般原則可應用於其它實施例和應用，而不背離由隨附的權利要求書所界定的本發明的精神和範疇。因此，本發明不欲受限於所示實施例，而將賦予其與本文所揭示的原則和特徵一致的廣泛範疇。在為了達成對所揭示的本發明的完全理解所必需的意義上來說，在本應用中所引用的已經發行的專利、專利申請案、和專利申請案的說明書和附圖都以引用的方式併入本文。
所屬領域的技術人員將了解，除非另外說明，否則本發明的實踐利用了此項技術中的x射線成像和處理、x射線斷層組合(tomosynthesis)、包括A掃描、B掃描和C掃描的超聲波、計算斷層照相術(computed tomography)(CT掃描)、磁共振成像(MRI)、光學相干斷層照相術、單光子發射斷層照相術(SPECT)和正電子放射斷層照相術(PET)等常規方法。在文獻中充分解釋所述技術且不需要在本文中贅述。參閱，例如1989年John WILEY Sons出版社的第二版X-Ray Structure determinationA Practical Guide(Stout和Jensen編)；1999年McGraw-Hill出版社的「Body CTA Practical Approach(Slone編)；1998年Springer-Verlag出版社的X-ray DiagnosisA Physician′s Approach(Lam編)；和1997年牛津大學出版社Understanding the X-Ray ImageUnderstanding theX-Ray Image(Laetitia Brocklebank編)。
本發明通過提供用於確定半月板尺寸和形狀的方法來解決重建兩個關節表面之間的自然或接近自然的關係。半月板尺寸和形狀可用於設計治療關節疾病的療法，包括(例如)半月板修復、半月板再生和關節修復療法。
I.關節的評估本文所描述的方法和組合物可用於治療由軟骨疾病(例如，骨關節炎)、骨骼損壞、軟骨損壞、外傷和/或因過渡使用或老化引起的退化而導致的缺損。本發明允許尤其是保健醫師評估並治療所述缺損。
所屬領域的技術人員將了解，可使用任何適當的技術獲得尺寸、曲率和/或厚度測量結果。例如，可使用如下合適的手段獲得一維、二維、和/或三維測量結果機械構件；雷射裝置；應用於關節表面的硬化並「存儲表面輪廓」的電磁或光學跟蹤系統、模型、材料和/或一種或一種以上此項技術中已知的成像技術。可使用例如探針或其它外科裝置來非侵害地和/或在手術中獲得測量結果。所屬領域技術人員將了解，修復裝置的厚度可根據在關節表面上的任何特定位置的待矯正的軟骨和/或骨骼的損壞的深度而定在任何給定點處變化。
A.成像技術所屬領域的技術人員將了解，適合於測量(例如，軟骨和/或骨骼的)厚度和/或曲率或患病的軟骨區域或軟骨缺失區域的尺寸的成像技術包括使用x射線、磁共振成像(MRI)、計算斷層照相掃描(CT，也稱為計算機化軸向斷層照相或CAT)、光學相干斷層照相、SPECT、PET、超聲波成像技術和光學成像技術。(又參閱，Alexander等人的於2002年3月21日公開的國際專利申請案WO 02/22014；2002年4月16日頒給Tsoref等人的美國專利申請案第6,373,250號；和Vandeberg等人的(2002)Radiology 222430-436)。可使用任何給藥途徑(如靜脈內、關節內等)來使用對比或其它增強藥劑。
在某些實施例中，CT或MRI是用於評估組織、骨骼、軟骨和其中的任何缺損(例如軟骨病變或患病的軟骨區域)以獲得關於軟骨下骨或軟骨退化的信息且提供關於損壞區域的形態學或生物化學或生物機械學信息。特定而言，可使用一種或一種以上的所述方法來檢測諸如裂隙、部分或全部厚度的軟骨缺失等變化和在殘留軟骨內的信號變化。針對基本的NMR原則和技術的討論，請參閱MRI Basic Principles and Applications(第二版)，Mark A.Brown和Richard C.SEMELKA，Wiley-Liss，Inc.(1999)。針對MR1的討論請參閱Alexander等人的WO 02/22014以獲得關於軟骨的信息，包括常規T1和T2-加權自旋迴波成像、梯度回波(GRE)成像、磁轉換對比(MTC)成像、快速自旋迴波(FSE)成像、對比增強成像、快速捕捉弛豫增強(rapid acquisition relaxation enhancement，RARE)成像、穩定態梯度回波捕捉(gradient echo acquisition in steady state，GRASS)、和驅動平衡傅立葉變換(driven equilibrium Fourier transform，DEFT)成像。因此，在優選實施例中，所產生的測量是基於按Alexander等人的WO 02/22014中的描述獲得的關節三維圖像和最終產生3D信息的二維圖像的集合。可獲得單獨的或與關節移動圖案(例如，彎曲延伸、平移和/或旋轉)相結合的二維和三維軟骨圖像或圖象。三維圖像可包括關於兩個或兩個以上的相對關節表面的移動圖案、接觸點、接觸區域、和關節活動期間接觸點或區域的運動。二維和三維圖像可包括關於關節軟骨的生化組合物的信息。另外，可在時間上比較成像技術(例如)以提供關於所需的修復材料的形狀和類型的最新信息。
本文所描述的任何成像裝置也可在手術中使用(又參閱下文)，例如使用手提式超聲波和/或光學探針以在手術中使關節表面成像。
B.手術中測量另一選擇，或在上述的非侵害成像技術之外還可在關節鏡檢查和關節切開術期間在手術中獲得患病的軟骨區域或軟骨缺失區域的尺寸的測量、軟骨厚度和/或軟骨和骨骼的曲率的測量。手術中測量可或者也可不涉及與關節表面的一個或多個區域的實際接觸。
適用於獲得軟骨或骨骼或其它關節結構的手術中測量並生成表面構形圖的裝置包括(但不限於)Placido盤和雷射幹涉儀和/或可變形材料或裝置。(參閱，例如，2002年5月7日頒給Wooh等人的美國專利申請案第6,382,028號、2000年5月2日頒給Levesque等人的第6,057,927號、1996年6月4日頒給Yamane等人的第5,523,843號、1998年12月8日頒給Sarver等人的第5,847,804號和1997年11月4日頒給Fujieda的第5,684,562號。)圖1A為同心排列的光環的Placido盤。Placido盤的同心陣列投影出半徑變化的界限分明的光環，其由經光纖傳送的雷射或白光產生。可將Placido盤連接到內窺鏡裝置(或任何探針，例如手持式探針)的術端，使得將光環投影到軟骨表面上。圖1B為投影到固定曲率的表面上的Placido盤的實例。可使用(例如連接到裝置)一個或多個成像相機以捕捉所述環的反射。數學分析用於確定表面曲率。然後，例如可在一監視器上將曲率顯象為軟骨表面的色碼構形圖。另外，構形圖的數學模型可用於確定理想的構形，以替代所分析的區域中的任何軟骨缺損。
圖2顯示將同心光環(Placido光碟)投影到每個股骨髁上所產生的反射，展示反射環上的表面輪廓的變化效果。
類似地，也可將雷射幹涉儀連接到內窺鏡裝置的末端。另外，可將小的感測器連接到該裝置上，以使用相移幹涉儀確定軟骨表面或骨骼曲率，產生軟骨表面的幹涉圖案分析相位(波前)視圖。然後，可在一監視器上將曲率顯象為軟骨表面的色碼構形圖。另外，構形圖的數學模型可用於確定理想的構形，以替代所分析的區域中任何軟骨或骨骼缺損。然後，可在監視器上顯象此計算過的理想的(多個)表面，且所述表面可用於選擇替代軟骨的(多個)曲率。
所屬領域的技術人員將不難發現，在不脫離本發明的範疇的情況下可使用其它用於光學測量軟骨表面曲率的技術。舉例而言，可產生諸如圖3和圖4中所示的2維或3維圖。
機械裝置(例如，探針)也可用於手術中測量，例如可變形材料如凝膠體、鑄模、任何硬化材料(例如直到加熱、冷卻或進行其它處理時才不可變形的材料)。參閱Dickson等人的2002年5月2日公開的WO 02/34310。例如，可變形凝膠體可應用於股骨髁。指向髁的凝膠體側可產生髁的表面輪廓的負面印跡。然後，該負面印跡可用於確定缺損的尺寸、缺損的深度和缺損中或缺損附近的關節表面的曲率。這個信息可用於選擇一療法，例如，關節表面修復系統。在另一個實例中，可向關節表面(例如股骨髁或脛骨平臺)施塗硬化材料。所述硬化材料可留在關節表面上直到發生硬化。該硬化材料然後可從關節表面移除。指向關節表面的硬化材料側可產生關節表面的負面印跡。然後，該負面印跡可用於確定缺損的大小、缺損的深度和缺損中或缺損周圍的關節表面的曲率。然後，這個信息可用於選擇一療法，例如，關節表面修復系統。在某些實施中，硬化系統可保持在合適的位置且形成實際的關節表面修復系統。
在某些實施例中，可變形材料包括複數個個別可移動的機械元件。當壓在相關的表面上時，可在相反的方向中推動每個元件且其推動(變形)的程度可對應於所述的相關表面的曲率。該裝置可包括一制動機構，以可將所述元件保持在與軟骨和/或骨骼的表面一致的位置。然後，可從病人身上移走該裝置，並進行曲率分析。或者，每個個別的可移動元件可包括指示其在一給定點處的變形量和/或變形度的標記。相機可用於在手術中使裝置成像且可以保存所述影像並分析所述影像的曲率信息。適當的標誌包括(但不限於)實際的線性測量(米制或經驗式(empirical))、對應於不同量的變形的不同色彩和/或同一色彩的不同暗度和色調。也可使用電子構件來測量可移動元件的位移。
其它用於在手術中測量軟骨和軟骨下骨的裝置包括(例如)超聲波探針。超聲波探針(優選是手持式的)可應用於軟骨且可測量出軟骨和/或軟骨下骨的曲率。另外，可評估軟骨缺損的尺寸並可確定關節軟骨的厚度。可在A模式、B模式或C模式中獲得此類超聲波測量。如果獲得A模式的測量，那麼操作員通常可以以若干不同的探針方向(例如，內外和前後)重複測量，以得出尺寸、曲率和厚度的三維評估。
所屬領域的技術人員將不難發現，使用光學、雷射幹涉儀、機械和超聲波探針可使不同的探針方案成為可能。探針優選是手持式的。在某些實施例中，探針或探針的至少一部分(通常是與組織相接觸的部分)是無菌的。使用無菌蓋(sterile cover)可實現無菌性，例如類似於1999年2月25日公開的Lang的WO 99/08598A1中所揭示的。
使用影像測試和/或手術中測量而進行的關於關節軟骨或軟骨下骨曲率的分析可用於確定患病的軟骨區域或軟骨缺失區域的尺寸。例如，曲率在軟骨缺失的區域中可突然發生改變。曲率的這種突然或意外改變可用於檢測患病軟骨或軟骨缺損的邊界。
II.關節軟骨、骨骼和半月板的分割己基於活線(live wire)算法實施了半自動分割方法，其提供高度的屈曲度，且因此具有顯著改良關節炎軟骨的分割的潛力。利用一非線性擴散過濾器選擇性地對圖像進行預處理。活線算法對圖像中的兩個像素之間的每個定向邊緣(邊界元素-bel)分配一列特徵。使用每一特徵的個別成本函數，將特徵值轉換成成本值。通過預定的加權方案將每一特徵的成本加起來，為每個bel b產生一在0與1之間的單個關節成本值，bel b表示b為軟骨邊界的一部分的可能性。為了確定軟骨對象的輪廓，操作員選擇一起始像素P。接著，系統使用動態編程方案計算從每個圖像像素到P的最少成本bel路徑。當操作員選擇另一像素時，系統實時顯示從當前滑鼠位置到P的計算路徑。操作員可將此當前路徑冷凍為軟骨輪廓的部分。這樣，操作員必須集合若干塊中的每一片的所要輪廓(「筆劃(stroke)」)。
此分割技術所使用的bel b的特徵在於b左右的灰度值和b上的灰度級梯度量值。
所屬領域技術人員將了解，所述的分割過程的全部或一部分可按需要自動化。所屬領域技術人員將了解，可使用其它分割技術，包括(但不限於)閥值處理、灰度級梯度技術、蛇形(snakes)、基於模型的分割、分水嶺、群集(clustering)、統計分割、過濾，包括線性分散過濾。
III.軟骨表面分割的確認為了驗證關節軟骨表面分割技術的精確性，可將從MRI掃描提取出的軟骨表面與由(例如)在樣本解剖之後使用雷射掃描儀所獲得的關節表面數據分割得出的結果進行比較。可使用最近點迭代方法來配準由MRI和雷射掃描獲得的兩個表面，且MRI表面上的每一點到所配準的雷射掃描表面的距離可用於確定MRI分割結果的精確性。圖5顯示配準前和配準後的MRI和數位化表面。表1中展示兩類樣本的距離測量。
表1在分割的MRI與雷射數位化表面之間的距離計算(單位為mm)

在此實例中，數據說明分割的MRI表面和雷射掃描表面之間的平均誤差在MRI掃描的解析度的範圍內。因此，所述分割方法產生了在給定MRI掃描參數內的精確性。
IV.軟骨厚度分布的計算和顯象計算軟骨厚度的適當方法是基於3D歐幾裡得距離轉換(EDT)。Saito和Toriwaki的算法可用於實現非常快的計算(在SGI O2上256×256×60的數據集合的處理時間小於10秒)的數據處理。該算法通過將計算分解成一系列3次一維變換來起作用且利用了實際距離的平方。此過程通過避免確定平方根而加速了分析。初始化時，對內部軟骨表面(ICS)上的三維像素(voxel)給定0值，而將所有其它三維像素(包括外部軟骨表面(OCS)上的三維像素)設置為1。
首先，對於二進位輸入圖像F＝{fijk}(1≤i≤L，1≤j≤M，1≤k≤N)，使用方程式1(α、β和γ表示三維像素的維度)得到新的圖像G＝{gijk}。
gijk=minx{((i-x))2;fxjk=0;1xL}]]>[方程式1]因此，為每個點分配一個到i方向的相同行中最近特徵點的距離的平方值。其次，使用方程式2將G轉換成H＝{hijk}。
hijk=miny{giyk+((j-y))2;1yM}]]>[方程式2]算法搜索在j方向中的每一列。根據畢達哥拉斯(Pythagorean)定理，相同欄中點(i，j，k)與點(i，y，k)之間的距離的平方(β(j-y))2與(i，y，k)與特定特徵點giyk之間的距離的平方和等於點(i，j，k)與所述特徵點之間的距離的平方。該等總和的最小值為(i，j，k)與二維i-j平面中的最近特徵點之間的距離的平方。
通過方程式3增加第三維，其為針對k方向上的如方程式2所述的相同的變換。
sijk=minz{hijz+((k-z))2;1zN}]]>[方程式3]完成EDT之後，OCS上的一給定點(a，b，c)的軟骨的厚度等於Sabc的平方根。此產生一個垂直於ICS而確定的真實的三維距離值。將沿骨骼軟骨邊界定位的每個像素的x、y、和z位置配準到3D圖上，且將厚度值轉換成顏色值。以此方式，骨骼軟骨界面處的每一像素的解剖位置可同時與給定位置的軟骨厚度一起顯示(圖6)。
所屬領域的技術人員將了解，可在不背離本發明的範疇的情況下，應用其它用於計算軟骨厚度的技術，例如使用拉普拉斯(LaPlace)方程式。
V.軟骨曲率分布的計算和顯象分析關節軟骨表面的另一相關參數為曲率。以類似於厚度圖的方式，可由從MRI提取的軟骨表面數據得出一組曲率圖。
基於子取樣方案將局部的雙三次曲面片擬合到軟骨表面，在所述方案中，每個其它表面點是用於產生5×5點元素的網格。因此，在執行擬合之前減少數據的密度，以便擬合表面光滑並減少計算複雜性。
在計算了局部雙三次曲面擬合之後，從曲面擬合數據隱含地估算單位法向量{n}。然後由下式給出對應的曲率和其方向k1＝arccos(n0·ni)/dsi＝dθ/ds1其中，n0為估算曲率的點(u，v)處的單位法向量，且ni(i＝1，...，24)為5×5的局部曲面片中的周圍點中的每個點處的單位法向量。圖6展示最大主要曲率圖(值和方向)的實例，使用雙三次曲面片擬合方法估算所述曲率。所屬領域的技術人員將了解，可應用諸如n-度多項式表面內插或近似、參數表面內插或近似和用於測量曲率或3D形狀的不同的離散曲率估計方法等其它技術。
VI.多個平面的圖像數據的融合近來，已開發了能夠獲得各向同性的或近各向同性的三維圖像數據的技術。然而，以比平面內解析度大3倍或更多的切片厚度仍可獲得大多數MRI掃描。此導致對3D圖像分析和顯象的限制。三維對象結構不能在所有的三維中以相同的精確性描述。部分體積效應阻礙了在z維中進行比x-y平面內更大程度的解釋和測量。
為了解決與非各向同性圖像解析度相關聯的問題，在第一平面中取一或一個以上的第一掃描S1。每一第一掃描彼此平行。其後，以定向於第一掃描S1的成像平面取一個或一個以上的第二掃描S2，以使該等平面相交。例如，掃描S1可位於第一平面中，而掃描S2位於一正交於第一平面的平面中。除了正交掃描之外或取代正交掃描，也可在其它平面或方向中獲得額外的掃描(例如，S3、S4、…Sn)。S2和任何其它掃描可具有與S1相同的平面內解析度。任何或所有掃描也可包含足夠數量的切片，以覆蓋S1的整個視野。在此情形下，可產生兩種具有來自相同的3D空間或重疊的3D空間的信息的數據量。
可由所述兩個掃描合併數據，以獨立地提取每一個掃描中相關的對象。此外，後繼的分析可在一個坐標系統中組合所述兩種分割的數據集合，如圖6中所展示。此項技術有助於畫出對象邊界的輪廓，所述對象定向於平行於S1的成像平面，但是因此將正交於S2的成像平面。
為了定量測量(例如確定軟骨體積)，最好是直接將S1和S2組合到第三數據量中。此第三數據量一般為各向同性或近各向同性的，其解析度對應於S1和S2的平面內解析度，因此減少了切片之間的部分體積效應(圖7)。可首先將S1和S2配準到相同的坐標系統中。如果在相同的一段時間獲得兩種掃描圖片(而在兩次掃描之間不移動病人)，那麼圖像標頭信息用於獲得轉換矩陣。否則，應用共同的基於信息的嚴格配準。將第三數據量的每個三維像素V的灰度值計算如下(1)確定V在3D空間中的位置；(2)確定在此位置處S1和S2中的灰度值；(3)將所述兩個灰度值內插到單個灰度值G中；和(4)將G分配到V。
作為對兩個或兩個以上的成像平面的融合的替代方法，可獲得具有各向同性或近各向同性的解析度的數據。舉例而言，此可能使用螺旋CT捕捉技術或新穎的MRI脈衝序列，例如3D捕捉技術。所述3D捕捉技術包括3D驅動平衡轉換(DEFT)、3D快速自旋迴波(FSE)、3D SSFP(穩定態自由旋進)、3D梯度回波(GRE)、3D擾相梯度回波(SPGR)、和3D彈性平衡MR(flexible equilibrium MR，FEMR)技術。可使用脂肪飽和或使用水選擇激發來獲得圖像。儘管在1.0×1.0×1.0和甚至更大的選擇環境下可產生滿足要求的結構，但是一般需要0.5×0.5×0.5mm或更小的各向同性解析度。在近各向同性解析度的情況下，一個和一個以上的平面中的三維像素的維度的變化通常不超過50％。
VII.半月板尺寸的體內測量通過測量病人的半月板形狀和尺寸和通過估計關節軟骨的3D幾何結構可確定個人化的內插關節造形術系統的尺寸和形狀。然而，許多骨關節炎病人磨破了半月板，通常僅有少量的或沒有半月板剩餘。在這些病人中，可通過獲得周圍關節表面和結構的測量結果來確定個人化的內插關節造形術系統的形狀。
例如，在膝中，可對患病的膝的MR圖像中的股骨和脛骨骨骼進行一些測量。為了進行最佳的擬合，植入物的上表面的形狀應類似於相應半月板的上表面的形狀。骨骼的測量可幫助確定預測半月板尺寸有多好。
圖8A為半月板100的軸向圖。半月板具有最大前面後部距離1，和最大的內側外側距離2。在膝中，半月板補償前角和後部，其每個具有最大的長度3、5和寬度9、11。骨體本身具有最大的長度4和寬度10，其為病人解剖部位的函數。圖8B為圖8A中的半月板的矢狀圖。半月板100具有最大的高度6、8，其與前角和后角的最大高度相關聯。圖8C為半月板100的冠狀圖。從所述冠狀圖可明顯地看到骨體具有最大的和最小的高度。
現轉向圖9A，其展示脛骨110的矢狀圖。脛骨具有最大的前面後部距離12。圖9B為圖9A中所展示的脛骨110的冠狀圖。從矢狀圖可明顯地看到脛骨具有最大的內側-外側距離13、從脛骨脊骨到邊緣的最大距離14、和寬度15。
脛骨與股骨120匹配，其展示於圖10A中的矢狀圖。股骨具有最大的前面後部距離16和最大的上下距離17。從圖10B中所展示的冠狀圖可明顯地看到最大的中側外側距離18、從滑車到邊緣的距離19、和髁間凹的寬度20。
可為各種測量獲得皮爾遜(Pearson)相關係數γ來評估一個變量由另一變量表達得如何好。適當的測量包括(例如)以下的測量■內側(外側)半月板的前部後部(AP)長度與股骨內側(外側)髁的AP長度；■內側(外側)半月板的前部後部(AP)長度與內側(外側)脛骨平臺的AP長度；■內側(外側)半月板的內側-外側(ML)寬度與股骨內側(側面)髁的ML寬度；■內側(外側)半月板的內側-外側(ML)寬度與內側(外側)脛骨平臺的ML寬度；■內側(外側)半月板的最高點的y坐標與內側(外側)脛骨中心的最高點的y坐標；■內側(外側)半月板的內側(外側)邊緣的x坐標與股骨內側(外側)髁的內側(外側)邊緣的x坐標；和■內側(外側)半月板的內側(外側)邊緣的x坐標與內側(外側)脛骨平臺的內側(外側)邊緣的x坐標。
在表2中總結所得的測量的實例。
表2半月板尺寸與股骨和脛骨骨骼尺寸之間的相關性



皮爾遜係數確定所測量的兩種尺寸之間的關係。相關性越高，兩個測量結果之間的關係越好。從表2中的數據可明顯看出，在膝中，可通過測量相應的股骨髁的長度可很好地預測內側和外側半月板的AP長度。內側脛骨平臺的長度也可用於內側半月板。股骨內側髁的ML寬度為內側半月板的寬度的很好的預測值。內側和外側脛骨中心的高度與相應的半月板的高度很好地相關。由於外側半月板的最外側點具有高可變性，外側半月板的ML寬度與股骨外側髁和脛骨中心的寬度之間的相關性較低。與外側半月板的最遠點相反的是，主邊緣與脛骨和股骨的邊緣很好地相關。對於內側半月板也如此。因此，可確定內側和外側半月板的外部邊緣。
所述結果展示可通過測量MR圖像中的骨骼標誌可以可靠地預測半月板尺寸。如果皮爾遜係數高(例如，接近1)，則所述兩個測量結果實際上可交換地用於表示所要的測量結果。如果皮爾遜係數低(例如，0.34)，則可將相關因數應用於測量結果。然後，經校正的測量結果可等於或接近對應的測量結果。在某些情況下，可能校正因數的使用是不可行或者不需要的。在此情況下，在不背離本發明的範疇的情況下，可將其它諸如邏輯回歸和多元分析等方法作為替代方法。
所屬領域的技術人員將了解，儘管此數據已經相對於膝中的半月板和與其相關的膝解剖的測量結果進行陳述，類似的結果也可發生在骨體內的其它關節中。此外，預期可創建一個測量庫(例如)，以產生一個或一個以上的用於特定關節的相關因數。例如，可使用從不同實驗體身上獲得的複數個測量結果來產生一單個相關因數。
或者，可基於(例如)所評估的關節、病人的體型、重量、體重指數(body mass index)、年齡、性別、種族背景等產生複數個相關因數。在此情況下，可評估尋求治療的病人。可對例如股骨內側髁進行測量。然後，可將病人的股骨內側髁的相關因數與基於樣本的計算得出的相關因數相比較，其中樣本病人具有相同的或在預定的因數範圍內，包括(例如)尺寸、種類、年齡和性別。
VIII.表面數位化可使用Titanium FaroAm坐標測量機器(CMM)(FARO Technologies Inc.，LakeMary，FL)獲得來自用於產生一般半月板模型的屍體樣品的半月板的數位化的表面數據。
IX.用於在解剖上矯正內插關節造形術系統的3D設計技術每一植入物的設計工作流程可由一個或一個以上的以下步驟的組合組成a.融合關節的矢狀和冠狀3D SPGR或2D或3D FSE數據或其它序列；b.分割關節軟骨表面的點數據；c.融合關節的矢狀和冠狀2D或3D FSE或2D SE數據或其它序列；d.分割半月板上表面的點數據；e.組合軟骨表面數據和半月板表面數據以用作植入物表面的模型；f.以範圍為0.2到0.99的因數壓縮半月板表面；g.將植入物上表面和下表面的點雲數據轉換成參數表面數據；和h.切割參數表面數據集合以確定植入物的精確的形狀。
然而，許多病人具有嚴重的骨關節炎，半月板在很大程度上被耗盡了，且因此不可直接用作可得出植入物上表面的模板。在該等情況下，剩餘關節骨骼的尺寸可用於調整一般半月板模型的尺寸，然後其可用作植入物的模板。
X.從軟骨和健康的半月板表面導出植入物表面可基於在半月板不覆蓋的區域中的半月板上表面和關節軟骨表面模製植入物的上表面。因此，在逐片分割來自SE或FSE或其它MRI圖像的半月板上表面和來自3D DPGR或FSE或其它MRI圖像的脛骨軟骨表面之後，將組合兩種數據集合(圖11A-C)。為了確定假體的合成的表面，定位兩個表面之間的交叉。在兩個表面在特殊分層中不交叉的情況中，將計算穿過半月板表面與筋骨表面的中心端的切線之間的交叉(圖11A)。為了解決在負載情況下的彈性半月板的自然壓縮，可將其高度調整到(例如)原始高度的60％(圖11B)。為此目的，將半月板表面上每一點連接到軟骨表面上的最近點。經調整的半月板表面的新點選擇在離脛骨軟骨表面的距離的60％處。
所屬領域的技術人員將了解，可在不背離本發明的範疇的情況下使用各種其它調整比例。適當的調整比例隨病人的生理學和所要的矯正度而不同，且包括(例如)範圍為0.2到1.5的比例。相對於自然半月板的植入物高度調整的數量將隨製造植入物的材料而不同。例如，如果是由具有高度彈性的材料製造的植入物，則可需要使用大於1的調整。如果材料具有低度彈性，則調整適合接近50％。適當的調整也將取決於製造所述植入物所針對的關節。因此。例如，針對膝製造的使用具有低度彈性的材料的植入物可具有50-70％的調整，而為針對肩製造的也使用具有低度彈性的材料的植入物可具有60-80％的所要的調整。所屬領域的技術人員將了解，植入物的矯正因數隨目標關節和製造植入物的材料的特性而變化。
調整比例也可隨關節內的位置而不同，其具有對於任何給定設計而言可能的複數個比例。例如，在膝關節中，可在前面使用接近0.8的調整比例，而在後部使用接近0.5的調整比例。另外，可選擇更多的調整比例，使得調整比例取決於預期的關節生物力學(例如，前面的)而逐漸改變。也可由於病人的特殊參數來對調整比例做改變，所述參數諸如年齡、性別、重量、種族、和活動水平。可選擇調整比例以達到最佳生物機械或功能結果。試管內屍體測試，約束測試、接觸表面測試、疲勞測試和機器人專家測試可(例如)用於為植入物確定最佳調整比例。
最後，為了確定植入物上表面的形狀，可將壓縮的半月板表面與未經半月板覆蓋的脛骨軟骨表面的部分組合。可由整個軟骨表面(圖11C)或軟骨下骨表面得出植入物的(例如)下表面的形狀。(例如)如果存在嚴重的關節骨質象牙化並大多數軟骨已經缺失，那麼可使用後者。
XI.在損壞半月板的情況導出植入物上表面病人具有損壞的或退化的半月板或先前已進行了半月板切除術時，半月板表面不可用作上述的植入物表面的模板。在這些情況下，一般半月板模型(generic meniscal model)可用於設計所要的植入物表面。
舉例而言，可由使用上述的Titanium FaroAm從屍體股骨樣品中收集的數據產生一般半月板模型。或者，可使用雷射掃描裝置或光學裝置。在這種情況下，可(例如)由十個冷凍的屍體脛骨樣品數位化半月板表面數據。然後，可使用(例如)仿射曲面定位方案來針對尺寸差異匹配所獲得的所有的表面數據集合。然後，可將定位之後的經匹配的編碼點合併到一單個點雲中。可使用最小平方優化通過點雲來擬合一般半月板表面Sg，得出十個樣品的「平均」表面。
通常，健康的半月板的尺寸與骨骼標誌的尺寸很好地相關。因此，MRI中的骨骼標誌的測量可用於重建健康的半月板的尺寸(見，例如上表2)。將由股骨髁的長度計算前部後部長度L。為了確定內側-外側半月板寬度W，我們可為內側半月板使用脛骨的中間邊緣的位置且為外側半月板使用側面脛骨邊緣。可從脛骨中心的最高點導出高度H。
一旦已確定了值L、W、和H，就可相應地使Sg變形。可使用方程式4將Sg中的坐標為(x，y，z)每一點P轉換成新的點P』P=(x,yz)=(LLgx,WWgy,HHgz)]]>[方程式4]，其中，Lg、Wg、和Hg為Sg的個別維度。經轉換的點P』可形成將用作用於設計如先前章節中所描述的植入物上表面的模板的半月板表面S。
XII.植入物設計的最終步驟如以上所描述的由MR圖像導出的第一和第二植入物表面由點雲組成。會將點雲轉換成然後可在(例如)CAD系統中操作的數據格式。表面建模程序Rhinoceros中的曲面片函數可用於使光滑的曲面片接近於點雲數據(圖12)。然後，可以IGES格式輸出此表面以由CAD軟體讀取。在不背離本發明的範疇的情況下可使用其它軟體程序。例如，Pro/Engineer、Solid Edge、Alibre和IronCAD也為適當的程序。
使用CAD軟體SolidWorks，可將上表面和下表面組合成一個設計模型。可將外部的半月板邊緣用作一邊緣來縮略兩個表面(圖11)。
由此信息可考慮所述尺寸設計關節植入物。圖13A和B為適合於在股骨髁上使用的關節植入物的圖。從下表面和上表面觀察點展示所述圖。可調整植入物的表面、邊緣和高度以說明所取得的測量結果來達到最適合病人的植入物。圖14為適合於放置於膝關節中並放置於脛骨平臺的一部分上的植入物的圖。圖15A-D為適合於髖的植入物的圖。也可設計所述植入物使得可調整植入物的表面、邊緣和高度以說明所取的測量以及病人的的特殊標準為適當的或需要。
XIII.用於導出植入物的3D形狀的3D成像和3D量尺寸技術的精確性為了確定從一般模型計算的預測的半月板表面與半月板的實際形狀有多不同，可檢查健康的自願者。可獲得也具有靜脈內或關節內的對比增強的適當的螺旋CT或MRI圖像，然後可使用活線分割或其它適當的機構從所述螺旋CT或MRI圖像中提取內側和外側半月板。此外，可如以上所描述擬合內側和外側半月板的一般模型。對於每一實驗體而言，可從MRI分割的內側和外側半月板可與擬合的模型相比較如下1.為分割的數據集合中的每一點P＝(x，y，z)從擬合模型中選擇最近點P1＝(x1，y1，z1)和兩個最近點P2＝(x2，y2，z2)和P3＝(x3，y3，z3)，其中z1≥z，z2，z3≤z。
2.將點P正交地投影到由P1、P2和P3界定的平面上。經投影的點P』由下式給出P=P-P-P1,n(n,n)]]>其中，n為平面的法線且(·，·)表示點積。
3.按下式計算點P到平面的距離d1i.d1＝‖P′-P‖。
4.重複步驟1-3，其中P1＝(x1，y1，z1)、P2＝(x2，y2，z2)和P3＝(x3，y3，z3)，使z1≤z，z2，z3≥z，得出d2。
5.為P計算平均距離d(P)＝(d1+d2)/2。
6.在分割的數據集合中的所有點上計算總的距離測量D 總的距離測量D取決於坐標系統中的分割的MRI數據和擬合的模型的相對位置。通過調整剛性骨體轉換T可優化此相對位置來最小化D，其基於最近點迭代算法使用D(T)作為成本函數在迭代定位程序中定位模型。
一般地，如果平均距離D/n低於1.5mm，那麼預期這個擬合方法的精確性足夠了，其中n為分割數據中的點的數量。
雖然已提供了本發明的實施例的前述描述用於說明和描述的目的，但並非詳盡的且不欲將本發明限制於所揭示的精確形式。對於所屬領域的技術人員而言，許多修改和變化都是顯而易見的。選擇並描述所述實施例以最好地解釋本發明的原則和其實際應用，由此使所屬領域的其它技術人員能夠理解本發明和多種實施例並進行適合於預期的特殊使用的多種修改。本發明的範疇將由隨附的權利要求書和其均等物來界定。
權利要求
1.一種治療關節中的缺損的方法，其包括獲得一關節的圖像；和生成厚度圖和曲率圖中的至少一個。
2.根據權利要求1所述的方法，其還包括以下一個或一個以上步驟使用一非線性擴散濾波器預先處理所獲得的圖像；向位於至少兩個像素邊界之間的每個定向邊緣分配一列特徵；將所述特徵轉換成成本價值；和計算一單個成本價值。
3.根據權利要求2所述的方法，其還包括以下步驟確定一成本價值成為軟骨邊界的一部分的可能性。
4.根據權利要求1和3所述的方法，其還包括以下步驟通過選擇至少一第一像素和一第二像素確定一軟骨對象的輪廓。
5.根據權利要求4所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是自動選擇的。
6.根據權利要求4所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是由操作員選擇的。
7.根據權利要求1所述的方法，其還包括計算軟骨厚度的步驟。
8.根據權利要求7所述的方法，其中使用3D歐幾裡德轉換(Euclidean Transform)執行所述計算軟骨厚度的步驟。
9.根據權利要求7所述的方法，其中通過將所述計算分解成一系列三次一維轉換來執行所述計算軟骨厚度的步驟。
10.根據權利要求9所述的方法，其中還對所述一維轉換求平方以獲得一組距離。
11.根據權利要求8所述的方法，其中根據Sabc的平方根計算外軟骨表面上的某點的軟骨厚度。
12.根據權利要求1所述的方法，其中從所述生成的厚度圖設計一植入物。
13.根據權利要求1所述的方法，其中所述缺損是軟骨疾病、骨骼損壞、外傷和退化中的至少一個原因而導致的結果。
14.根據權利要求9、11和12所述的方法，其中所述厚度是一測量厚度且用於設計一植入物以用於治療所述關節中的所述缺損。
15.根據權利要求14所述的方法，其中根據所選擇用來製造所述植入物的材料的質量在至少一部分所述植入物上調節所述測量厚度。
16.根據權利要求15所述的方法，其中在至少一部分所述植入物上以所述測量厚度的0.2到1.5的係數將所述測量厚度調節成一最終植入物厚度。。
17.一種適用於治療關節中的缺損的植入物，其中所述植入物通過以下步驟來設計獲得一關節的圖像；和生成厚度圖和曲率圖中的至少一個。
18.根據權利要求17所述的方法，其還包括一個或一個以上以下步驟使用一非線性擴散濾波器處理所獲得的圖像；向位於至少兩個像素邊界之間的每個定向邊緣分配一列特徵；將所述特徵轉換成成本價值；和計算一單個成本價值。
19.根據權利要求18所述的方法，其還包括以下步驟確定成本價值成為一部分軟骨邊界的可能性。
20.根據權利要求17和18所述的方法，其還包括以下步驟通過選擇至少一第一像素和一第二像素確定一軟骨對象的輪廓。
21.根據權利要求20所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是自動選擇的。
22.根據權利要求20所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是由操作員選擇的。
23.根據權利要求17所述的方法，其還包括計算軟骨厚度的步驟。
24.根據權利要求23所述的方法，其中使用3D歐幾裡德轉換執行所述計算軟骨厚度的步驟。
25.根據權利要求23所述的方法，其中通過將所述計算分解成一系列三個一維轉換而執行所述計算軟骨厚度的步驟。
26.根據權利要求25所述的方法，其中還對所述一維轉換求平方以獲得一組距離。
27.根據權利要求24所述的方法，其中根據Sabc的平方根計算外軟骨表面上的某點的軟骨厚度。
28.根據權利要求17所述的方法，其中所述缺損是軟骨疾病、骨骼損壞、外傷和退化中的至少一個原因而導致的結果。
29.根據權利要求25、27和28所述的方法，其中所述厚度是一測量厚度且用於設計一植入物以用於治療所述關節中的所述缺損。
30.根據權利要求29所述的方法，其中根據所選擇用來製造所述植入物的材料的質量在至少一部分所述植入物上調節所述測量厚度。
31.根據權利要求29所述的方法，其中在至少一部分所述植入物上以所述測量厚度的0.2到1.5的係數將所述測量厚度調節成一最終植入物厚度。
32.一種治療關節中的缺損的方法，其包括獲得一關節的圖像；使用一非線性擴散濾波器處理所獲得的圖像；和生成一軟骨曲線。
33.根據權利要求32所述的方法，其還包括以下步驟使局部的雙三次曲面片符合所述軟骨曲線。
34.根據權利要求32所述的方法，其中所述雙三次曲面片是自動選擇的。
35.根據權利要求32所述的方法，其中所述雙三次曲面片是由操作員選擇的。
36.根據權利要求32所述的方法，其還包括計算軟骨厚度的步驟。
37.根據權利要求36所述的方法，其中使用3D歐幾裡德轉換執行所述計算軟骨厚度的步驟。
38.根據權利要求36所述的方法，其中通過將所述計算分解成一系列三個一維轉換而執行所述計算軟骨厚度的步驟。
39.根據權利要求38所述的方法，其中還對所述一維轉換求平方以獲得一組距離。
40.根據權利要求37所述的方法，其中根據Sabc的平方根計算外軟骨表面上的某點的軟骨厚度。
41.根據權利要求32所述的方法，其中還從所述軟骨曲線設計一植入物。
42.根據權利要求38、40和41所述的方法，其中所述厚度是一測量厚度且用於設計一植入物以用於治療所述關節中的所述缺損。
43.根據權利要求42所述的方法，其中根據所選擇用來製造所述植入物的材料的質量在至少一部分所述植入物上調節所述測量厚度。
44.根據權利要求42所述的方法，其中在至少一部分所述植入物上以所述測量厚度的0.2到1.5的係數將所述測量厚度調節成一最終植入物厚度。
45.一種用於糾正關節中的缺損的植入物，其中根據所述關節內的至少一個軟骨和骨骼標誌的測量通過估計半月板尺寸來確定所述植入物的大小。
46.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節是膝關節。
47.根據權利要求46所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組內側半月板的長度；股骨內側髁的長度；外側半月板的長度；股骨外側髁的長度；內側脛骨平臺的長度；外側脛骨平臺的長度；內側半月板的寬度；股骨內側髁的寬度；外側半月板的寬度；股骨外側髁的寬度；內側脛骨平臺的寬度；外側脛骨平臺的寬度；內側半月板的最高點；內側脛骨脊骨的最高點；外側半月板的最高點；外側脛骨脊骨的最高點；股骨髁的最高點；和股骨外側髁的最高點、軟骨厚度和軟骨曲率和3D軟骨形狀。
48.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節是一踝關節。
49.根據權利要求48所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組距骨的直徑、距骨的長度、距骨的寬度、距骨的曲率、距骨的軟骨厚度、距骨的軟骨下骨厚度、跟骨的直徑、跟骨的長度、跟骨的寬度、跟骨的曲率、跟骨的軟骨厚度、跟骨的軟骨下骨厚度。
50.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節是一髖關節。
51.根據權利要求50所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組髖臼的內外直徑(mediolateral diameter)；髖臼的前後直徑；髖臼的上下直徑；髖臼前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的曲率；髖臼前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的關節軟骨的厚度；髖臼前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的軟骨下骨的厚度；股骨頭的內外直徑；股骨頭的前後直徑；股骨頭的上下直徑；股骨頭前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的曲率；股骨頭前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的關節軟骨的厚度；股骨頭前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的軟骨下骨的厚度。
52.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節是一肩關節。
53.根據權利要求52所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組關節窩的內外直徑、關節窩的前後直徑、關節窩的上下直徑、關節窩前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的曲率、關節窩前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的關節軟骨的厚度、關節窩前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的軟骨下骨的厚度、肱骨頭的內外直徑、肱骨頭的前後直徑、肱骨頭的上下直徑、肱骨頭前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的曲率、肱骨頭前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的關節軟骨的厚度、肱骨頭前部的、後部的、上部的、下部的、內側的或外側的軟骨下骨的厚度。
54.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節是一肘關節。
55.根據權利要求54所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組肱骨遠端的直徑、肱骨遠端的深度、肱骨遠端的寬度、肱骨遠端的曲率、肱骨遠端的軟骨厚度、肱骨遠端的軟骨下骨厚度、橈骨的直徑、橈骨的深度、橈骨的寬度、橈骨的曲率、橈骨的軟骨厚度、橈骨的軟骨下骨厚度、尺骨的直徑、尺骨的深度、尺骨的寬度、尺骨的曲率、尺骨的軟骨厚度、尺骨的軟骨下骨厚度。
56.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節是一腕關節。
57.根據權利要求56所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組橈骨的直徑、橈骨的深度、橈骨的寬度、橈骨的曲率、橈骨的軟骨厚度、橈骨的軟骨下骨厚度、尺骨的直徑、尺骨的深度、尺骨的寬度、尺骨的曲率、尺骨的軟骨厚度、尺骨的軟骨下骨厚度、近排腕骨的直徑、近排腕骨的深度、近排腕骨的寬度、近排腕骨的曲率、近排腕骨的軟骨厚度、近排腕骨的軟骨下骨厚度、舟骨或月骨的直徑、舟骨或月骨的深度、舟骨或月骨的寬度、舟骨或月骨的曲率、舟骨或月骨的軟骨厚度、舟骨或月骨的軟骨下骨厚度、三角纖維軟骨的直徑、三角纖維軟骨的深度、三角纖維軟骨的寬度、三角纖維軟骨的曲率、三角纖維軟骨的厚度。
58.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節是一指關節。
59.根據權利要求59所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組指骨或掌骨的深度、指骨或掌骨的寬度、指骨或掌骨的直徑、指骨或掌骨的曲率、指骨或掌骨的軟骨厚度、指骨或掌骨的軟骨下骨厚度。
60.根據權利要求45所述的植入物，其中所述關節在所述脊骨中。
61.根據權利要求60所述的植入物，其中所述測量是選自由以下測量組成的組前後椎骨尺寸、內外椎骨尺寸、椎體前部的、中間的或後部的高度、莖的直徑、莖的寬度、莖的長度、小關節的直徑或半徑、小關節的體積、小關節的3D形狀、小關節的曲率、後部元件的尺寸、脊椎管的尺寸、椎體的3D形狀。
62.一種用於治療關節的植入物，其中根據所述關節內的軟骨和骨骼標誌的測量通過估計關節尺寸來確定所述植入物的大小。
63.一種用於設計關節的解剖學上糾正插入型關節造形系統的技術，其包括以下步驟獲得關節的軟骨或骨骼表面的數據；獲得一個或一個以上半月板表面的數據；結合軟骨或肱骨表面數據和半月板表面數據。
64.根據權利要求63所述的方法，其中現有骨骼關節的數據是用於調節半月板模型的大小。
65.一種治療關節中的缺損的方法，其包括獲得一關節的圖像；和測量曲率和厚度中的至少一個。
66.根據權利要求65所述的方法，其還包括一個或一個以上的以下步驟使用一非線性擴散濾波器預先處理所獲得的圖像；對位於至少兩個像素邊界之間的每個定向邊緣分配一列特徵；將所述特徵轉換成成本價值；和計算一單個成本價值。
67.根據權利要求66所述的方法，其還包括以下步驟確定成本價值成為一部分軟骨邊界的可能性。
68.根據權利要求65和67所述的方法，其還包括以下步驟通過選擇至少一第一像素和一第二像素確定一軟骨對象的輪廓。
69.根據權利要求68所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是自動選擇的。
70.根據權利要求68所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是由操作員選擇的。
71.根據權利要求65所述的方法，其中還包括通過計算軟骨厚度執行測量厚度的步驟。
72.根據權利要求71所述的方法，其中使用3D歐幾裡德轉換執行所述計算軟骨厚度的步驟。
73.根據權利要求71所述的方法，其中通過將所述計算分解成一系列三個一維轉換而執行所述計算軟骨厚度的步驟。
74.根據權利要求73所述的方法，其中還對所述一維轉換求平方以獲得一組距離。
75.根據權利要求72所述的方法，其中根據Sabc的平方根計算外軟骨表面上的某點的軟骨厚度。
76.根據權利要求65所述的方法，其中還從曲率和厚度中的至少一個的測量來設計植入物。
77.根據權利要求65所述的方法，其中所述缺損是軟骨疾病、骨骼損壞、外傷和退化中的至少一個原因而導致的結果。
78.根據權利要求73、75和76所述的方法，其中所述厚度是一測量厚度且用於設計植入物以用於治療所述關節中的所述缺損。
79.根據權利要求78所述的方法，其中根據所選擇用來製造所述植入物的材料的質量在至少一部分所述植入物上調節所述測量厚度。
80.根據權利要求79所述的方法，其中在至少一部分所述植入物上以所述測量厚度的0.2到1.5的係數將所述測量厚度調節成一最終植入物厚度。
81.一種適用於治療關節中的缺損的植入物，其中所述植入物通過以下步驟來設計獲得一關節的圖像；和測量曲率和厚度中的至少一個。
82.根據權利要求81所述的方法，其還包括一個或一個以上的以下步驟使用一非線性擴散濾波器處理所獲得的圖像；對位於至少兩個像素邊界之間的每個定向邊緣分配一列特徵；將所述特徵轉換成成本價值；和計算一單個成本價值。
83.根據權利要求82所述的方法，其還包括以下步驟確定成本價值成為一部分軟骨邊界的可能性。
84.根據權利要求81和82所述的方法，其還包括以下步驟通過選擇至少一第一像素和一第二像素來確定一軟骨對象的輪廓。
85.根據權利要求84所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是自動選擇的。
86.根據權利要求84所述的方法，其中所述第一像素和所述第二像素是由操作員選擇的。
87.根據權利要求81所述的方法，其還包括計算軟骨厚度的步驟。
88.根據權利要求87所述的方法，其中使用3D歐幾裡德轉換執行所述計算軟骨厚度的步驟。
89.根據權利要求87所述的方法，其中通過將所述計算分解成一系列三個一維轉換而執行所述計算軟骨厚度的步驟。
90.根據權利要求89所述的方法，其中還對所述一維轉換求平方以獲得一組距離。
91.根據權利要求88所述的方法，其中根據Sabc的平方根計算外軟骨表面上的某點的軟骨厚度。
92.根據權利要求81所述的方法，其中所述缺損是軟骨疾病、骨骼損壞、外傷和退化中的至少一個原因而導致的結果。
93.根據權利要求89、91和92所述的方法，其中所述厚度是一測量厚度且用於設計一植入物以用於治療所述關節中的所述缺損。
94.根據權利要求93所述的方法，其中根據所選擇用來製造所述植入物的材料的質量在至少一部分所述植入物上調節所述測量厚度。
95.根據權利要求93所述的方法，其中在至少一部分所述植入物上以所述測量厚度的0.2到1.5的係數將所述測量厚度調節成一最終植入物厚度。
96.一種用於矯正關節缺損的植入物，其中所述植入物大小是通過根據厚度和曲度中的至少一個的測量結果估計半月板尺寸而判定的。
97.一種用於矯正關節缺損的植入物，其中所述植入物大小是根據厚度圖和曲度圖中的至少一個的測量結果估計半月板尺寸而判定的。
全文摘要
本發明涉及用於判定在設計治療多種關節疾病的療法中使用的半月板尺寸和形狀的方法。本發明使用經處理以供分析的關節圖像。分析可包括(例如)產生厚度圖、軟骨曲度、或點雲。此信息用於判定軟骨缺損或損傷程度並設計適當的療法，包括(例如)植入物。對所設計的療法進行調整以解決所使用的材料。
文檔編號A61F2/42GK1780594SQ200380102795
公開日2006年5月31日 申請日期2003年11月7日 優先權日2002年11月7日
發明者康斯坦廷諾斯·陶加拉克斯, 丹尼爾·斯泰尼斯, 巴哈斯卡·勞·維沙, 菲利普·蘭, 巴裡·J·林德 申請人:康復米斯公司