用于一組骨關節的生物力學模擬方法

專利名稱：用于一組骨關節的生物力學模擬方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學模擬軟件領域。
本發明特別適用于一種用于患者的一組骨關節的生物力學模擬方法，特別用于脊柱關節的生物力學模擬方法。本方法用于計算、評估和顯示對關節進行外科手術的結果。系統已經被發展用于脊柱手術以及特別用于脊柱穩定技術。一般而言，系統給外科醫師提供了關于患者脊柱在模擬之前和之后的平衡狀態以及力的分布的信息。
根據美國專利US 5 995 738，現有技術已經描述了一種用于促進在關節內植入人工部件的裝置和方法。該發明描述了用于確定至少一個人工部件在關節內的植入位置并有利于其植入的裝置和方法。該發明包括生成患者關節的模型以及待植入部件的模型。生成的模型用于依據部件的位置來模擬患者關節運動。因此，這個現有技術的文件公開了了一種分析關節及植入物運動的物理的而不是虛擬的模擬方式。
美國專利申請US 6 205 411公開了一種計算機輔助的外科手術計劃器(planner)和一種術中導向系統。該發明涉及一種被設計為有利于在關節內植入人工部件的裝置。該裝置包括幾何預測器和生物力學的術前運動模擬器，換句話而言，在進行手術之前，在植入物和關節上進行一系列模擬。
美國專利US 5 625 577提出了一種利用動力學的計算機運動分析方法。該發明描述了一種分析并顯示人類運動的方法。患者人體被分割為多個被關節所彼此連接的節段。一旦以這種方式將人體模型化，就可以模擬并分析患者的運動。
專利申請PCT WO 99/06960也提出了一種系統和方法，用于定義并使用計劃用于計算機直觀顯示(animation)中的關節系統。事實上，對于關節系統，定義了至少一個指，令例如形狀命令或分辨面命令，并且該命令被用作為一種用于反向動力學的系統直觀顯示的直觀顯示馬達所經受的應力。每個命令包括至少兩個鍵，每個鍵包括一對效應器感受上的矢量和相關約束。對于形狀命令鍵，相關約束包括一列優選的身體肢體的定位。對于分辨面命令鍵，相關約束包括優選的分辨面的定位。不論指定的目的如何，用所設計的合適權重內插入所選定的命令鍵，以得到被直觀顯示馬達所使用的應力。
在專利申請PCT WO 99/60939中，現有技術也描述了一種交互的計算機輔助的手術系統，以幫助外科醫師將植入物定位于股骨或將螺絲釘定位于椎骨突上。這些系統提供了導航幫助。但是，這種輔助主要是根據輔助物的定位、標記和導向。這個外科導航技術的應用是相當廣泛的，但是它并不能滿足外科醫師所提出的所有問題。這些系統的應用提供了一種定義椎骨突的螺絲釘的最佳路徑的方法，但不能給出任何關于是否該螺絲釘被放置于正確椎骨上的信息。
在科學出版“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中評價了幾個幾重構方法。在該科學出版的結論中，作者陳述了其中一種所評價的方法為最佳方法。Aubin博士的研究證實來自一些x光片的脊柱的幾何學重構提供了一種用于研究及評價脊柱功能障礙和用于利用有限元法將其模型化的相關的及可重復的方法。該出版沒有涉及任何的體內力學的個體化方面(靈活性和人體測量學)，也沒有涉及手術方案的模擬，也沒有涉及利用生物力學方法將其最優化的方法。最后，在該發明中既沒有提及也沒有建議與該發明中所用方法相關的一些技術(幾何學個體化、靈活性和體內人體測量學、數字化分析、平衡標準、內在和外在數據之間的校正方法、力的計算)。
最后，現有技術知道一種半自動生成網孔(Mesh)的方法，如在科學文章“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中所描述的那樣。在該文件中所描述的方法適用于心血管系統，即適用于軟組織，但不適用于類似本發明的骨關節。從起源于數據庫和MRI圖像的模型開始，算法生成了特定的模型，以根據有限元法紀研究(預測組織的力學強度)。作者也提出了為生成有用的網孔而仍待解決的困難。目前仍處于基礎研究階段的軟組織的力學模擬正面臨著體外及更多的是體內將它們進行力學性描述的困難。這個研究沒有涉及一組骨關節的模擬。它所申請的是一種半自動生成網孔的方法。
在這兩個科學文章中所解決的問題與本發明的問題不同。具體地，它們甚至沒有提及通過詳細說明作為在患者中所觀察到的特征的函數的所述硬體所連接的每個關節的相互作用參數(動度或硬度特征)將數字化模型個體化的步驟。該步驟在本發明中是基本步驟。
本發明通過模擬局部或整體校正脊柱的曲度或放置椎骨植入物的手術，通過從x光圖像、一系列在患者體內測定的特征以及植入物數據庫為起點，克服了以往技術的缺點。本發明也模擬外科手術后即刻的脊柱狀態。
顯而易見的是，本發明不僅適用于脊柱。它也適用于其他骨關節例如膝關節。
本發明由計算機輔助手術系統構成，它們使得外科醫師在手術前就能模擬他正考慮在患者上進行的校正手術的效果。因為該系統容許外科醫師模擬一些手術方案，所以它能提供給他一種幫助他選擇能提供穩定性和動度之間的最佳折衷的手術方案的工具。
為了實現這一點，本發明最常用的可行部分涉及一種用于生物力學模擬患者的一組骨關節以及特別是脊柱的方法，包括以下步驟在參照位置中記錄由關節連接的硬體所至少部分表示的三維數字模型；利用在所述參照位置上特定于患者的數據(例如患者的x光片)，將所述模型的幾何結構(每個所述硬體在空間中的相對位置)個體化；根據對患者所觀察到的特征，通過詳細說明連接所述硬體的每個關節的相互作用參數(動度或硬度特征)將所述的數字化模型個體化；其特征在于詳細說明所述相互作用參數(動度或硬度特征)的步驟包括-得到至少部分硬體在空間中的位置，以及進行內插來確定其它硬體的計算位置，以構建包含每個硬體的相對位置的數字表；-將至少一個確定的約束應用于患者，并且獲取關于患者的所形成的大體平衡位置(不同于參照位置)的信息；-為每對硬體確定估計相互作用參數(動度或硬度特征)的分析函數，以便再現測定的相對位置(應用于患者的所述約束和在患者上所觀察到的幾何修正的函數，以及從這些約束所生成的相對位置)。
優選地，利用硬體的幾何位置參數和利用連接硬體的關節的硬度參數定義數字模型。
有利地，表示約束結果的步驟包括重新計算(在平衡位置)個體化模型，所述個體化模型從一組包括應用于至少兩個硬體上的至少一個靜態約束的約束(例如植入假體或植入物)中生成，以及利用與對應于行為規則(behavioural law)的動度或硬度不同的動度或硬度來設置相對位置。
根據一個變異，記錄一組標準關節的數字模型的步驟包括定義硬體和關節的變化；以及對于每對硬體，定義一組描述動度或整體硬度的數字參數，所述動度或整體硬度產生于對兩個硬體之間的相互作用參數(硬度)有影響的所有插入部件(例如椎間盤)和連接部件(例如韌帶)的作用。
根據一個特定的實施例，個體化步驟包括獲得給定患者的一組關節的至少一個圖像；通過識別在所述圖像中可見的關節的位置，從所述圖像提取出構建真實模型所必需的信息；以及根據所述真實模型修正標準模型。
有利地，記錄數字模型的步驟包括定義數字數據的標準組，包括對于以硬體形式表示的每個關節的以下內容-對應于“標準”患者的該組關節在“參照”位置的幾何的第一幾何參照位置描述符，其中對于每個硬體，相對于鄰近體確定所述描述符；-與每個鄰近體相互作用的第二力學描述符，其中當至少一個外在約束被應用于該組關節時，所述力學描述符表示所述行為規則；個體化步驟包括利用個體化的數據修正所述標準組的數據。
根據一個特定的實施例，該方法還包括一個校正步驟，包括對應地形成x光片圖像數據和外部獲取數據，該步驟被分成兩個子步驟-相對于3D曲線，校正x光片重構，所述3D曲線來源于同一位置的外部獲取數據；-確定與椎骨相關聯的3D曲線上的若干點的分布以及它們的相關切線，其中所述若干點定位于斯托克斯坐標系。
在閱讀完下面所給定的純舉例目的的參照于附圖的本發明的實施例的描述后，將更好地理解本發明

圖1顯示了模型的力學個體化的結構圖；圖2表示本發明的一個實施例的模擬器的總的結構圖；圖3表示本發明的一個實施例的模型的結構；圖4顯示了校正方法的使用；
圖5顯示了椎間角的定義；圖6顯示了在額面內的椎間角之間的關系的實例(橫坐標為°，縱坐標為°)；圖7顯示了旋轉中心的計算；圖8表示脊柱側彎患者中的旋轉中心的計算的實例；圖9顯示了環的內插；以及圖10顯示了在軀干上的質量分布模型。
本發明不同于已知的在術中輔助外科醫師的手術導航產品。具體地，本發明包括將預行手術的個體的脊柱模型化，模擬植入物或假體的放置以及計算出一旦植入物或假體已經被置入位置后個體的平衡位置。
因為用軟件進行數據處理，所以發明也涉及用于實現功能結構的軟件結構。軟件結構包括一些數據庫服務器一個用戶數據庫、一個椎骨數據庫、一個患者數據庫和一個植入物數據庫。不同的用戶可以查詢和更新這些數據庫中所含的數據以構建出患者脊柱的3D模型，然后模擬出置入植入物的后果。
本發明的系統是手術治療患者脊柱形態的病變的生物力學和運動學結果的模擬器。圖2顯示了模擬器的總體結構。
必須要使得外科醫師能最佳化并改進他的治療計劃。這個模擬器可以提供給他更好的關于不同組織在脊柱中的幾何學及力學特性的知識。因此他能夠測試他的不同的手術方法使得校正最佳化。
必需要滿足健康的需要，因為目標是追求舒適、安全、質量和可靠性。醫學治療的簡單化將造成更好的術后生活方式以及更少和更短的住院日。
最后，在教育領域對于教導未來的外科醫師也可能是有幫助的。
模擬器是一種分析手術可行性的輔助工具。它可以用于模擬術前平衡、肌肉和韌帶硬度的作用所產生的相應的節段間力，以得到關于這種平衡的術后改變以及這些作為外科醫師在術中所引入的曲度的函數的力的想法。外科醫師應當輸入操作區域所需的變形形狀。用所謂的“整體(globe)”途徑可以完成這一點。
兩個x光片對于生成模擬是必需的。加入到系統中的圖像可以是-將傳統x光片數字化(掃描)后所產生的文件；-用另一個x光設備(數字x光機)所輸出的文件。
可以人工地(用戶將圖像文件提供給系統)或自動地(用x光設備直接儲存圖像或通過內部/因特網恢復圖像)進行系統輸入。
兩種類型的數字化可以是-人工數字化一個必需人工地在這些圖像中分辨出特定點；-半自動數字化。
數字化所檢測出的特定點將被用于計算出椎骨的3D坐標(幾何學數據)。
從數字化圖像輸出的幾何學數據將被用于構建患者的脊柱的三維模型。對系統中的被預先定義的標準3D模型的改編以及患者的幾何學特征生成了這個模型。
用戶必須能顯示脊柱在額面、矢狀面和頂軸面上的3D模型，他也必須能將它們與用于構建的x光片進行比較。
患者的力學特征(來自采集(臨床檢查)的結果)被用于將模型個體化。利用濃縮了患者的個人的力學數據的脊柱的標準幾何學模型進行該操作。
從患者的x光片(在第一次模擬前)或用模擬后所生成的模型計算出患者脊柱的生物力學特征(脊柱側凸角、軸向旋轉等)。在x光片上可以預先計算出一些參數(骶骨傾斜度、沖角、矢狀支承點、脊柱曲度)。
在模擬期間，用戶必須能選擇出他將實施取代的脊柱段。在模擬平衡期間，用戶能輸入他將用于模擬給定段的一些臨床參數的值。用戶必須能觀察脊柱的動度和硬度，以及將分級標準化。從一些目的(硬度、直徑等)中可以選擇出用于變形脊柱段的棒的類型。
在用戶已經操作該模型之后，軟件必須認證所進行的操作是有效的，并通知用戶任何的不一致性(不可能獲取的數值)。
模擬器必須能顯示模型的新曲度以及患者的平衡的新位置(身材)。將該曲度與初始曲度(3D模型或x光片)進行比較必須是可能的。
將椎間力的相對改變定量化并用圖形顯示。
用戶必須要能比較模擬之前和之后的脊柱的硬度。
在操作后作用于棒上的力必須能指示棒是否將變形。
用戶必須能生成含有關于模擬以及保持系統更新的信息的用戶文件夾(一些模擬被保存于相同的文件夾中)。因此，系統必須能收集或輸入外在數據系統中的關于患者的信息(年齡、體重、身高等)，假定只要它們存在。
用戶的權利和檔案資料將區別每個用戶所能獲取的功能。用戶將能進入不同的圖形界面，依賴于他們的權利和檔案資料。也可以給每個用戶設定優先系統(菜單的位置、歡迎頁面等)，以及可行的機制將被用于監測患者的文件夾中的變更。
用戶可以訪問輸入數據，即在任何時候都可以顯示、取代或變更用于構建模型的圖像、數字化點或用于半自動處理圖像所實施的操作、置入模型中的植入物和患者的力學特征，并作為他的權利的一個功能。
模擬是表示著在患者上所實施的全部操作(模擬參數)。用戶必須能刪除一個以往操作(改變x光片、重新輸入用于數字化的點、計算新的臨床參數、或變更在模擬期間所進行的操作)。
圖1顯示了對模型的力學個體化的結構圖。
對模型的力學個體化是根據三種數據類型-具有皮膚標記的患者的x光片；-在不同的特征性姿勢上所采集到的脊柱的整體曲度；-人體測量的數據。
根據力學法則進行處理，以及這些數據能讓我們得到-患者的幾何；-臨床參數；-個體化的力學模型；患者x光片的數字化將使得我們能獲取每個椎骨的六個點的精確度。通過外插法能獲取每個椎骨的十二個點的精確度。
下一步是獲取在不同的特征性姿勢下的脊柱的整體曲度。
通過在臨床檢查期間對所研究的患者進行一系列測定可以完成這一步，在此期間，評價背側脊柱的輪廓。骨盆和肩部的位置對于定義脊柱末端的定位是必需的。
患者必須將肢體放置在骨盆處以限制肢體對他的一般平衡能力的影響，用一種裝置采集可辨別的皮膚標記相對于脊柱側凸的椎骨的空間位置，參照于已知的坐標系。
在近可能與用于建立靜息站立的患者的有刻度的x光片的條件下，對靜息的患者進行采集。這個采集可以被用于確定從脊柱輪廓開始的椎骨中心的線。這是有可能的，因為通過鉛球，有刻度的x光片可以給出所有這些點的坐標。因此，作為給定位置、站立靜息位的皮膚標記的一個功能，可以確定出椎骨的位置。下一步是結合患者運動期間的椎骨的交互運動的影響，確定出皮膚標記和椎骨位置之間的校正變形。
利用人體測量的數據確定出段塊和塊的中心，然后確定出每個椎骨的塊的力距和中心。
可將肌肉活動與段間活動分離。
在文獻中所得到的數據被用于定量地評價模型的所容許的行為法則的形狀。
行為法則必須滿足以下的要求-絕大多數法則必須有奇數(odd)行為；-必須滿足漸近行為；-要考慮到偶聯現象；-計算相關性和簡單性。
考慮到所研究病變的獨特性，必須重新計算每個椎骨和每個患者的行為法則。
根據發明的一個變形，生成對應于外在采集的x光片。所產生的對應物涉及兩個步驟-就來自相同位置的外部采集數據的3D曲線對x光片重建的校正；-確定出點在與定位于Stokes坐標系的椎骨相關的3D曲線上的分布，以及它們的相關切線。
在x光片和外在數據采集期間，也記錄了三個空間坐標系(兩個直線邊緣的末端以及放置于脊柱底部的鉛球(低點))。
這三個點可被用于校正在相同的被稱為x光片系統的坐標系中的兩個記錄，在x光片重建坐標系及在外在采集數據坐標系中都已知這些點的相對位置。
這三個點足以確定出一個常見的坐標系，其中所有的數據都是已知的，并且因此它能定義出兩個記錄之間的轉化矩陣。
考慮到可能的采集誤差包括記錄期間的腕部意外旋轉和可變的皮膚糙度，也進行三種其他的校正1)比較了x光片和外在采集的直線邊緣的低點和放置于皮膚的低點之間的距離。兩個記錄之間的差異定量了仿樣在皮膚上所形成的通路，因此結合操作者在患者皮膚上所施加的壓力，重新調整采集。
2)通過調整外在采集長度終止該調整，以保證四個采集都從相同的點開始。
3)根據操作者的定位，在采集期間經常觀察到采集向左或向右的偏倚。通過將采集限制低到在2中所定義的共存點之間的連接處的低點以及x光片上所定義的低點校正采集來校正這種偏移。
當已經進行這三個校正后，用戶可以得到在包括校正誤差后所得到的新的數值的某一可信度。
椎骨在3D曲線上的分布。
第二步從x光片之間的校正開始，以及包括將椎骨放置于仿樣上。認為椎骨和仿樣之間的相應點是stokes坐標系(XY面)和仿樣之間的交叉點。
對于位于脊柱底部的椎骨，脊柱和背部表面之間的長距離、椎骨的高傾斜度都造成椎骨在3D曲線上的非連續定位。反向操作被應用于記錄的這一部分，放置等距離點，然后定義它們在相應的椎骨的stokes坐標系上的位置。
在所分析點上的3D曲線的切線也被記錄，使得之后可以復原模型。
用這個方法，在外在采集記錄中也能定義骶骨的位置以及骨盆與垂直線的角，稱之為骶骨角。
甚至如果這些解剖部分不是x光片所形成的重建體的一部分，它們也可用于定義脊柱的平衡。
然后假定椎骨在所有外在采集中的分布在所有的采集中仍是相同的，這樣椎骨可以被放置到所的有它們的位置中的位置中。
有一些關于數據分析的重要評論要分別進行額面和矢狀面的研究。首先選擇以解偶聯的方式研究脊柱。這是患者被要求進行的運動是用于分析額面的側拐、以及用于分析矢狀面的屈曲/外展的原因。
圖5顯示了對椎間角的計算。
目的是發現椎間角之間的關系。已經加入一種分析模型以實現這一點，當隨著脊柱從下到上，將椎間角描述為一個“下面的”角的函數。
椎間角之間關系的示例曲線(第一個圖在左上方顯示了θ(θT，T1)(T1，T2)，然后慣例的閱讀方向為遵循脊柱方向圖6顯示了在額面上椎間角之間的關系的實例(橫坐標為°，縱坐標為°)。
這些散點圖的結論對于所有患者都是一樣的。預計分布是線性的。因此根據這些觀察建立了模型定義了在每個椎間水平的點上的回歸方程。給每個方程增加了限定，其中首先將一個椎骨的的動度性能與下一椎骨進行比較。然后假定最大的側拐和屈曲/外展運動定義了這些限定。
通過分析大量的健康患者可以驗證這個方法。所采用的模型顯示非常適用于大多數患者及椎間水平校正系數通常大于0.8。但是，這仍有對于模型是不正確的水平。這個現象對應于患者的阻斷或幾乎被阻斷的水平。因此認為構建線性回歸是正確的，以及如此限定將給模型提供足夠的約束。
這個模型能定義T1/T2到L5/S1的椎間盤的行為法則。
從在額面(彎曲)和矢狀面(屈曲/外展)上所記錄的不同位置開始，計算出一個椎骨相對于另一個椎骨的旋轉的中心。將對應于每個位置的上一椎骨的點放置于下一個椎骨的stokes坐標系中。然后，這些點形成被認為是環形的通路，對此用最小二乘法計算出旋轉的中心。
在圖7中顯示了這一點。
這個方法可被用于鑒別滿足在患者中所得到的試驗數據的旋轉的顯著的及個體化的中心。
圖8顯示了一個計算脊柱側彎患者的旋轉中心的實例。
可以看到用這個利用外在采集的方法可以發現腰椎前凸。這個方法要求至少三次分開的采集。
在x光片的球面坐標系中計算出這些旋轉的中心。計算每個椎骨的兩個不同的空間旋轉的中心，一個是對于矢狀面運動，以及一個是對于額面運動。然后在更下面的椎骨的stokes坐標系中表示這些中心，使得可以在解算器中將其復原。
下面的章節顯示了示例的算法。
-獲取運動學模型來自x光片的幾何學模型不同椎間角之間的線性關系不同椎間角的最大幅度旋轉的額面和矢狀面中心在椎骨的stokes坐標系中的定位。
-變量初始化椎間角L5/S1-計算幾何學模型上的初始椎間角。
只要舒適的標準沒有被最佳化循環通過計算步驟增加變量角(通過缺省0.001)。
如果變量椎間角超過它的限定，那么角等于限定值以及變量為下一個角。
對于所有的下一個角循環按函數角i+1增加椎間角i。
如果椎間角i超過它的限定，那么角等于限定值。
結束循環用新的椎間角復原模型。
應用股骨頭軸的力學標準復原模型。
在模型變形后，重新計算幾何學模型上的椎間角。
計算舒適度標準。
如果舒適度水平被減低，在其他方向上增加該模型。
如果已經進行了通路的兩個方向，降低舒適度標準所要求的水平。
一直到這個時候，在運動學上模擬脊柱。結果是脊柱的幾何學表示患者的平衡。在這個時候，知道應用于脊柱上的力的分布并構建完整的力學模型是有趣的。以往技術描述了一種利用人體測量模型計算力的方法。這個方法的原理是將軀干分割成附著于脊柱的四個很好定義的部分的四個切片，并計算它們的重量和重力中心。通過尺寸度量平均人群的一般式樣得到每個切片周圍的輪廓，以匹配于所測定的患者的尺度。
本發明的模型中所用的方法是非常不同的。用輪廓的記錄記錄了五個環。然后將這些環分成為60個點。隨后利用校正將這些環定位于脊柱。通過在制作與環相關的椎骨的皮膚上的點完成這個定位，并用校正曲線將其記錄，這個位置符合對應于背部中心的環上的點。然后內插入其他的環以得到定義17個切片的18個環，這些環垂直同心于相應的椎骨的椎體的中心。
圖9顯示了環的內插入。
因此通過將每個切片分割成基本的棱形計算出所定義的每個切片的體積和重力中心。
用每個切片的體積和重力中心生成下面的模型-僅被脊柱所耐受的體和臂的重量-每個切片被分成兩個部分，稱為臟器部分和實體部分例如肋骨、肌肉、皮膚等。
-切片的實例部分完全為脊柱-臟器部分流體靜力學地活動-臟器不產生任何運動
-僅僅脊柱的正常部件將承受臟器所傳送的力-與脊柱相切的部件被傳送到下面的下一個切面圖10顯示了塊在軀干中的分布模型。
然后僅根據所輸入的幾何學得到每個椎體上的力的矢量。
同時，用有限量的數據定義每個切片的臟器/硬體分布。下面將定義這種分布。
程序的結構依據于對應于每個獨立的計算步驟的模塊結構，因此可以變更程序但不改變它的操作。在下面顯示了計算模塊。它們被分類為4種模塊-采集模塊-運動學模型的定義模塊-平衡解算器模塊-用于計算所操作的脊柱上的力的模塊。
作為舉例說明，以上描述了本發明。顯而易見的，本領域普通技術人員能進行對本發明的各種變更，只要它不超出專利的范圍。
權利要求
1.用于生物力學模擬患者的一組骨關節特別是脊柱的方法，包括以下步驟-在參照位置中記錄由各個關節所連接的多個硬體至少部分表示的三維數字模型；-利用在所述參照位置中患者特定的數據(例如患者的x光片)，將所述模型的幾何結構(每個所述硬體在空間上的相對位置)個體化；-根據對患者所觀察到的特征，通過詳細說明連接所述硬體的每個關節的相互作用參數(動度或硬度特征)來將所述數字模型個體化；其特征在于詳細說明所述相互作用參數(動度或硬度特征)的步驟包括-獲得至少部分硬體在空間中的位置，以及進行內插來確定其它硬體的計算位置，以構建包含每個硬體的相對位置的數字表；-將至少一個確定的約束應用于患者，然后獲得關于患者的形成的總體平衡位置(不同于參照位置)的信息；-為每對硬體確定估計相互作用參數(動度或硬度特征)的分析函數，以便再現測定的相對位置(應用于患者的所述約束和在患者上所觀察到的幾何修正的函數，以及從這些約束所生成的相對位置)。
2.根據權利要求1的用于生物力學模擬一組骨關節的方法，其特征在于利用硬體的幾何位置參數和利用連接硬體的關節的硬度參數來定義數字模型。
3.根據權利要求1或2的用于生物力學模擬一組骨關節的方法，其特征在于表示約束結果的步驟包括重新計算個體化模型(在平衡位置)，所述個體化模型從一組包括應用于至少兩個硬體上的至少一個靜態約束的約束(例如植入假體或植入物)中生成；以及利用與對應于行為規則的動度或硬度不同的動度或硬度來設置相對位置。
4.根據權利要求1或2的用于生物力學模擬一組骨關節的方法，其特征在于記錄標準關節組的數字模型的步驟包括定義硬體和關節的變化；以及對于每對硬體，定義一組描述動度或整體硬度的數字參數，其中所述動度或整體硬度產生于對兩個硬體之間的相互作用參數(硬度)有影響的所有插入部件(例如椎間盤)和連接部件(例如韌帶)的作用。
5.根據上述權利要求任意一個的用于生物力學模擬一組骨關節的方法，其特征在于個體化步驟包括獲得給定患者的一組關節的至少一個圖像；通過識別在所述所述圖像中可見的關節的位置，從所述圖像提取出構建真實模型所必需的信息；以及根據所述真實模型修正標準模型。
6.根據上述權利要求任意一個的用于生物力學模擬一組骨關節的方法，其特征在于記錄數字模型的步驟包括定義數字數據的標準組，對于以硬體形式表示的每個關節，所述數字數據的標準組包括以下內容-對應于“標準”患者的該組關節在“參照”位置中的幾何結構的第一幾何參照位置描述符，其中對于每個硬體，相對于鄰近體來確定所述描述符；-與每個鄰近體相互作用的第二力學描述符，其中當至少一個外在約束被應用于該組關節時，所述力學描述符表示所述行為規則；個體化步驟包括利用個體化的數據修正所述數據的標準組。
7.根據上述權利要求任意一個的用于生物力學模擬一組骨關節的方法，其特征在于該方法還包括一個校正步驟，包括對應地形成x光片圖像數據和外部獲取數據，該步驟被分成兩個子步驟-相對于3D曲線，校正x光片重構，所述3D曲線來源于同一位置的外部獲取數據；-確定與椎骨相關聯的3D曲線上的若干點的分布以及它們的相關切線，其中所述若干點定位于斯托克斯坐標系。
全文摘要
本發明涉及用于生物力學模擬患者的一組骨關節以及特別是脊柱的方法，該創造性的方法包括在參照位置中記錄由關節所連接的硬體所至少部分表示的三維數字模型；利用特定于患者在所述參照位置中的數據，將模型的幾何結構個體化；根據檢測的客戶特性，通過詳細說明連接所述硬體的每個關節的相互作用參數(動度或硬度特征)來將所述數字化模型個體化。所述方法的特征在于詳細說明相互作用參數包括獲得至少部分硬體在空間中的位置，以及進行內插來確定其它硬體的計算位置，以構建包含每個硬體的相對位置的數字表；對患者執行至少一個定義的約束，并且收集關于患者的總體平衡位置(不同于參照位置)的信息；以及為每對硬體確定估計相互作用參數的分析函數，由此再現測定的相對位置。
文檔編號G06F19/00GK1757035SQ200380110073
公開日2006年4月5日 申請日期2003年12月30日 優先權日2002年12月30日
發明者福阿德·埃爾-巴魯迪 申請人:Axs英格尼爾里公司