用于一组骨关节的生物力学模拟方法技术

用于生物力学模拟患者的一组骨关节特别是脊柱的方法，包括以下步骤：　　　　－在参照位置中记录由各个关节所连接的多个硬体至少部分表示的三维数字模型；　　　　－利用在所述参照位置中患者特定的数据（例如患者的ｘ光片），将所述模型的几何结构（每个所述硬体在空间上的相对位置）个体化；　　　　－根据对患者所观察到的特征，通过详细说明连接所述硬体的每个关节的相互作用参数（动度或硬度特征）来将所述数字模型个体化；　　　　其特征在于：　　　　详细说明所述相互作用参数（动度或硬度特征）的步骤包括：　　　　－获得至少部分硬体在空间中的位置，以及进行内插来确定其它硬体的计算位置，以构建包含每个硬体的相对位置的数字表；　　　　－将至少一个确定的约束应用于患者，然后获得关于患者的形成的总体平衡位置（不同于参照位置）的信息；　　　　－为每对硬体确定估计相互作用参数（动度或硬度特征）的分析函数，以便再现测定的相对位置（应用于患者的所述约束和在患者上所观察到的几何修正的函数，以及从这些约束所生成的相对位置）。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及生物医学模拟软件领域。本专利技术特别适用于一种用于患者的一组骨关节的生物力学模拟方法，特别用于脊柱关节的生物力学模拟方法。本方法用于计算、评估和显示对关节进行外科手术的结果。系统已经被发展用于脊柱手术以及特别用于脊柱稳定技术。一般而言，系统给外科医师提供了关于患者脊柱在模拟之前和之后的平衡状态以及力的分布的信息。根据美国专利US 5 995 738，现有技术已经描述了一种用于促进在关节内植入人工部件的装置和方法。该专利技术描述了用于确定至少一个人工部件在关节内的植入位置并有利于其植入的装置和方法。该专利技术包括生成患者关节的模型以及待植入部件的模型。生成的模型用于依据部件的位置来模拟患者关节运动。因此，这个现有技术的文件公开了了一种分析关节及植入物运动的物理的而不是虚拟的模拟方式。美国专利申请US 6 205 411公开了一种计算机辅助的外科手术计划器(planner)和一种术中导向系统。该专利技术涉及一种被设计为有利于在关节内植入人工部件的装置。该装置包括几何预测器和生物力学的术前运动模拟器，换句话而言，在进行手术之前，在植入物和关节上进行一系列模拟。美国专利US 5 625 577提出了一种利用动力学的计算机运动分析方法。该专利技术描述了一种分析并显示人类运动的方法。患者人体被分割为多个被关节所彼此连接的节段。一旦以这种方式将人体模型化，就可以模拟并分析患者的运动。专利申请PCT WO 99/06960也提出了一种系统和方法，用于定义并使用计划用于计算机直观显示(animation)中的关节系统。事实上，对于关节系统，定义了至少一个指，令例如形状命令或分辨面命令，并且该命令被用作为一种用于反向动力学的系统直观显示的直观显示马达所经受的应力。每个命令包括至少两个键，每个键包括一对效应器感受上的矢量和相关约束。对于形状命令键，相关约束包括一列优选的身体肢体的定位。对于分辨面命令键，相关约束包括优选的分辨面的定位。不论指定的目的如何，用所设计的合适权重内插入所选定的命令键，以得到被直观显示马达所使用的应力。在专利申请PCT WO 99/60939中，现有技术也描述了一种交互的计算机辅助的手术系统，以帮助外科医师将植入物定位于股骨或将螺丝钉定位于椎骨突上。这些系统提供了导航帮助。但是，这种辅助主要是根据辅助物的定位、标记和导向。这个外科导航技术的应用是相当广泛的，但是它并不能满足外科医师所提出的所有问题。这些系统的应用提供了一种定义椎骨突的螺丝钉的最佳路径的方法，但不能给出任何关于是否该螺丝钉被放置于正确椎骨上的信息。在科学出版“Morphometric evaluations of personalised 3Dreconstructions and geometric models of the human spine”，Aubin C-E等，Medical and biological engineering and computing，Peter PerenigrusLtd.Stevenage，GB-01/11/1997中评价了几个几重构方法。在该科学出版的结论中，作者陈述了其中一种所评价的方法为最佳方法。Aubin博士的研究证实来自一些x光片的脊柱的几何学重构提供了一种用于研究及评价脊柱功能障碍和用于利用有限元法将其模型化的相关的及可重复的方法。该出版没有涉及任何的体内力学的个体化方面(灵活性和人体测量学)，也没有涉及手术方案的模拟，也没有涉及利用生物力学方法将其最优化的方法。最后，在该专利技术中既没有提及也没有建议与该专利技术中所用方法相关的一些技术(几何学个体化、灵活性和体内人体测量学、数字化分析、平衡标准、内在和外在数据之间的校正方法、力的计算)。最后，现有技术知道一种半自动生成网孔(Mesh)的方法，如在科学文章“A MRI based semi-automatic modelling system forcomputational biomechanics simulation”Hayasaka等-Medical imagingand augmented reality，2001，International workshop on 10-12 June 2001-10/06/2001中所描述的那样。在该文件中所描述的方法适用于心血管系统，即适用于软组织，但不适用于类似本专利技术的骨关节。从起源于数据库和MRI图像的模型开始，算法生成了特定的模型，以根据有限元法纪研究(预测组织的力学强度)。作者也提出了为生成有用的网孔而仍待解决的困难。目前仍处于基础研究阶段的软组织的力学模拟正面临着体外及更多的是体内将它们进行力学性描述的困难。这个研究没有涉及一组骨关节的模拟。它所申请的是一种半自动生成网孔的方法。在这两个科学文章中所解决的问题与本专利技术的问题不同。具体地，它们甚至没有提及通过详细说明作为在患者中所观察到的特征的函数的所述硬体所连接的每个关节的相互作用参数(动度或硬度特征)将数字化模型个体化的步骤。该步骤在本专利技术中是基本步骤。本专利技术通过模拟局部或整体校正脊柱的曲度或放置椎骨植入物的手术，通过从x光图像、一系列在患者体内测定的特征以及植入物数据库为起点，克服了以往技术的缺点。本专利技术也模拟外科手术后即刻的脊柱状态。显而易见的是，本专利技术不仅适用于脊柱。它也适用于其他骨关节例如膝关节。本专利技术由计算机辅助手术系统构成，它们使得外科医师在手术前就能模拟他正考虑在患者上进行的校正手术的效果。因为该系统容许外科医师模拟一些手术方案，所以它能提供给他一种帮助他选择能提供稳定性和动度之间的最佳折衷的手术方案的工具。为了实现这一点，本专利技术最常用的可行部分涉及一种用于生物力学模拟患者的一组骨关节以及特别是脊柱的方法，包括以下步骤在参照位置中记录由关节连接的硬体所至少部分表示的三维数字模型；利用在所述参照位置上特定于患者的数据(例如患者的x光片)，将所述模型的几何结构(每个所述硬体在空间中的相对位置)个体化；根据对患者所观察到的特征，通过详细说明连接所述硬体的每个关节的相互作用参数(动度或硬度特征)将所述的数字化模型个体化；其特征在于详细说明所述相互作用参数(动度或硬度特征)的步骤包括-得到至少部分硬体在空间中的位置，以及进行内插来确定其它硬体的计算位置，以构建包含每个硬体的相对位置的数字表；-将至少一个确定的约束应用于患者，并且获取关于患者的所形成的大体平衡位置(不同于参照位置)的信息；-为每对硬体确定估计相互作用参数(动度或硬度特征)的分析函数，以便再现测定的相对位置(应用于患者的所述约束和在患者上所观察到的几何修正的函数，以及从这些约束所生成的相对位置)。优选地，利用硬体的几何位置参数和利用连接硬体的关节的硬度参数定义数字模型。有利地，表示约束结果的步骤包括重新计算(在平衡位置)个体化模型，所述个体化模型从一组包括应用于至少两个硬体上的至少一个静态约束的约束(例如植入假体或植入物)中生成，以及利用与对应于行为规则(behavioural law)的动度或硬度不同的动度或硬度来设置相对位置。根据一个变异，记录一组标准关节的数字模型的步骤包括定义硬体和关节的变化；以及对于每对硬体，定义一组描述动度或整体硬度的数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于生物力学模拟患者的一组骨关节特别是脊柱的方法，包括以下步骤-在参照位置中记录由各个关节所连接的多个硬体至少部分表示的三维数字模型；-利用在所述参照位置中患者特定的数据(例如患者的x光片)，将所述模型的几何结构(每个所述硬体在空间上的相对位置)个体化；-根据对患者所观察到的特征，通过详细说明连接所述硬体的每个关节的相互作用参数(动度或硬度特征)来将所述数字模型个体化；其特征在于详细说明所述相互作用参数(动度或硬度特征)的步骤包括-获得至少部分硬体在空间中的位置，以及进行内插来确定其它硬体的计算位置，以构建包含每个硬体的相对位置的数字表；-将至少一个确定的约束应用于患者，然后获得关于患者的形成的总体平衡位置(不同于参照位置)的信息；-为每对硬体确定估计相互作用参数(动度或硬度特征)的分析函数，以便再现测定的相对位置(应用于患者的所述约束和在患者上所观察到的几何修正的函数，以及从这些约束所生成的相对位置)。2.根据权利要求1的用于生物力学模拟一组骨关节的方法，其特征在于利用硬体的几何位置参数和利用连接硬体的关节的硬度参数来定义数字模型。3.根据权利要求1或2的用于生物力学模拟一组骨关节的方法，其特征在于表示约束结果的步骤包括重新计算个体化模型(在平衡位置)，所述个体化模型从一组包括应用于至少两个硬体上的至少一个静态约束的约束(例如植入假体或植入物)中生成；以及利用与对应于行为规则的动度或硬度不同的动度或硬度来设置相对位置。4.根据权利要求1或2的用于生物力学模拟一组骨关节的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：福阿德·埃尔巴鲁迪，
申请(专利权)人：AXS英格尼尔里公司，
类型：发明
国别省市：