DE10225854A1 - Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Prothesen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Prothesen. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen, das, ausgehend von medizinischen Bilddaten, eine schnelle, genauer und automatische Formgestaltung für Prothesen ermöglicht, wird dadurch gelöst, dass spezifische medizinische Bilddaten von Patienten in ein 3-D-Ausgangsmodell umgewandelt werden und über einen Zwischenschritt ein passendes Prothesenmodell erzeugt wird, anhand dessen durch CNC-gestützte Fertigung eine Prothese hergestellt wird, wobei bei dem Zwischenschritt die Teilschritte a) bis d) wie folgt durchlaufen werden: DOLLAR A a) Auf dem Ausgangsmodell und einem ersten 3-D-Vergleichsmodell wird beliebig je ein Bezugspunkt in örtlich gleichartig gelegenen Regionen beider Modelle festgelegt, DOLLAR A b) die Distanz zwischen den beiden Bezugspunkten und die Richtungsorientierung beider Bezugspunkte wird zueinander bestimmt, DOLLAR A c) anhand der ermittelten Verschiebung dieser beiden Bezugspunkte zueinander wird die Verschiebung der Datenpunkte des 3-D-Ausgangsmodells auf das erste 3-D-Vergleichsmodell übertragen, DOLLAR A d) die Verfahrensteilschritte a) bis c) werden zur Erzeugung von n 3-D-Vergleichsmodellen n-fach wiederholt, wobei die so erzeugten n 3-D-Vergleichsmodelle zur Erzeugung des Prothesenmodells verwendet werden, indem ein differenzierter Abgleich der n 3-D-Vergleichsmodelle zueinander ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen sowie nach diesem Verfahren hergestellte Prothesen.

In der Humanmedizin besteht oft die Aufgabe, durch Unfall oder Krankheit beschädigte oder verlorengegangene Körperteile, Gewebe bzw. andere funktionelle Strukturen, wie bspw. Knochen, zu ersetzen.

Hierbei ist es notwendig, die Teile, welche die ursprünglichen Strukturen ersetzen, unter verschieden Kriterien zu gestalten.

Wesentliche Gesichtspunkte stellen dabei die Wiederherstellung bzw. die Aufrechterhaltung der ursprünglichen Funktionalität sowie häufig auch die kosmetische Rehabilitation dar.

In den genannten Fällen besteht die Aufgabe, eine möglichst exakte Formgestaltung der Prothese durchzuführen. Dieser Schritt sollte sich unter objektiven Gesichtspunkten möglichst automatisch, mit einem vertretbaren Aufwand, wenigen Arbeitsschritten und unter Einbeziehung der jeweils am einzelnen Patienten vorliegenden anatomischen Verhältnisse gestalten.

Es ist bekannt, dass, ausgehend von medizinischen Daten, wie bspw. CT und MRT, eine speziell für einen Patienten entwickelte Prothese hergestellt werden.

In US 5,741,215 wird ein Verfahren beschrieben, bei welchem auf der Basis von medizinischen Bilddaten eines Patienten über ein stereolithografisches Modell eine entsprechende Prothese oder ein anatomisches Modell erstellt werden kann.

In dieser Schrift wird auch eine Methode erwähnt, bei der im Zuge der Ermittlung der Form der Prothese zur Behebung eines vorhandenen Defektes die dem Defekt gegenüberliegende symmetrische Seite Beachtung findet.

Weiterhin ist bekannt, dass bei der Vorbestimmung der Form solcher Prothesen auch anderweitig ermittelte Vergleichsmodelle benutzt werden können. Dies ist vor allem dann notwendig, wenn aufgrund der Lage des zu schließenden Defektes Symmetrieeigenschaften des menschlichen Köpers nicht genutzt werden können.

In US 5,824,085 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem der Defekt an das einzusetzende Implantat angepasst wird. Dabei wird aus einer Datenbank von Normteilen (Hüftgelenke) ein ungefähr passendes Implantat gewählt und nach dessen Form ein Modell sowie die Lage des passenden Gegenstückes ermittelt und durch einen Roboter angefertigt.

In ähnlicher Art und Weise nutzt das in DE 199 22 279 A1 offenbarte Verfahren eine Datenbank von Vergleichsmodellen, bei dem jeweils das ähnlichste anhand von wenigen typischen anatomischen Punkten mit Hilfe eines Algorithmusses zur Ähnlichteilsuche vorausgewählt wird.

In US 5,798,924 wird ein Verfahren erwähnt, bei welchem, ausgehend von medizinischen und anatomischen Daten, Modelle des Defektgebietes und des gewünschten Ergebnisses gegeneinander angepasst werden. Dies wird verfahrensbedingt erst durch die Approximation beider Modelle zu an Stützstellen orientierten Flächendaten ermöglicht.

Allen vorgenannten Verfahren ist gemein, dass zur Herstellung einer entsprechenden Prothese verschiedene aufwendige Fertigungsschritte notwendig sind (Fig. 1).

Mit steigender Anzahl solcher Schritte steigt der zeitliche sowie gerätetechnische Aufwand bis zur Fertigstellung des einzusetzenden Produktes. Die Anzahl der für die Implantatkonstruktion verwendeten Stützstellen wird dabei z. T. drastisch reduziert, obwohl die Ausgangsdaten erheblich mehr Informationen liefern.

Auch erhöht jeder zusätzlich eingebrachte Schritt in der Verfahrenskette den Gesamtfehler. Schritte, wie bspw. die Erzeugung des 3D-Modells, die interaktive Rekonstruktion der Daten und die Generierung der eigentlichen Implantatdaten erfordern zusätzlich das interaktive Eingreifen des Menschen.

Den Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen anzugeben, das, ausgehend von medizinischen Bilddaten, eine schnelle, genaue und automatische Formgestaltung für Prothesen ermöglicht.

Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch den untergeordneten Anspruch 2 angegeben.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass durch den automatischen Ablauf von einzelnen, im folgenden noch genauer erläuterten, aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten die Interaktion (das Eingreifen des Menschen) bei der Implantatherstellung auf ein Minimum begrenzt wird, die Berücksichtigung aller Informationen der Ausgangsdaten gewährleistet ist und die Erzeugung der virtuellen Form der Prothese in wenigen Stunden durchführt werden kann.

Ausgangspunkt sind dabei, wie bei den bekannten Verfahren, spezifische medizinische Bilddaten des Patienten. Diese sind bspw. Schichtdaten aus der Computertomographie. Diese Daten werden in einem anschliessenden Schritt zu einem dreidimensionalen Volumenmodell des Patienten zusammengefügt, das alle für die Generierung des Prothesenmodells notwendigen Daten enthält. Dazu zählen insbesondere Knochenstruktur sowie die Rekonstruktion des Weichgewebes (z. B. Muskeln, Nerven, Sehnen, Blutgefäße usw.).

An dieser Stelle setzt das erfindungsgemäße Verfahren an, indem auf dem Ausgangsmodell, welches anhand spezifischer medizinischer Bilddaten von Patienten auf bekannte Weise in 3-D ermittelt wird, und einem ersten 3-D-Vergleichsmodell beliebig je ein Bezugspunkt in örtlich gleichartig gelegenen Regionen beider Modelle festgelegt und die Distanz zwischen den beiden Bezugspunkten und die Richtungsorientierung beider Bezugspunkte zueinander bestimmt wird. Anhand der ermittelten Verschiebung dieser beiden Bezugspunkte zueinander wird die Verschiebung der Datenpunkte des 3-D-Ausgangsmodells auf das erste 3- D-Vergleichsmodell übertragen.

Diese Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Erzeugung von n 3-D-Vergleichsmodellen n-fach wiederholt, wobei die so erzeugten n 3-D-Vergleichsmodelle zur Erzeugung des Prothesenmodells verwendet werden, indem ein differenzierter Abgleich der n 3-D-Vergleichsmodelle zueinander zu einem einzigen Modell erfolgt, welches in bekannter Weise zur CNC gestützten Fertigung der Prothese dient.

Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens ist, dass die Verwendung eines vollständigen Volumendatensatzes sicher stellt, dass alle zugänglichen Informationen der Patientendaten zur Prothesenherstellung verwendet werden, da keinerlei Datenreduktion (wie bspw. bei Polygonmodellen oder Flächenmodellen) durchgeführt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ablauf bekannter Verfahren zur Konstruktion von medizinischen Prothesen,

Fig. 2 allgemeiner Verlauf des erfindungsgemässen Verfahrens,

Fig. 3 Verfahrensschritte der Geometrieermittlung,

Fig. 4a Erzeugung eines 3-D-Vergleichsmodelles und

Fig. 4b Erzeugung des Prothesenmodells aus zwei 3-D- Vergleichsmodellen.

Fig. 5a Schädeldefekt: Ausgangsmodell,

Fig. 5b Schädeldefekt: Vergleichsmodell

Fig. 6 Fehlermaß in der Umgebung des Schädeldefektes,

Fig. 7 Prothesenmodell.

Bei dem Verfahren werden spezifische medizinische Bilddaten von Patienten in bekannter Weise in ein 3-D-Ausgangsmodell umgewandelt. Auf diesem umgewandelten 3-D-Ausgangsmodell und einem ersten 3-D- Vergleichsmodell wird je ein Bezugspunkt beliebig in örtlich gleichartig gelegenen Regionen beider Modelle festgelegt.

Danach wird im folgenden Schritt die Distanz zwischen den beiden Bezugspunkten und die Richtungsorientierung beider Bezugspunkte zueinander bestimmt. Dabei sind die Verschiebungsvektoren durch Betrag sowie Richtung gegeben und können durch Ermittlung der spezifischen Volumenschwerpunkte bestimmt werden, wobei immer ein eindeutig zuordenbare Volumenschwerpunkte gefunden werden können.

Anhand der ermittelten Verschiebung dieser beiden Bezugspunkte zueinander wird die Verschiebung der Datenpunkte des 3-D- Ausgangsmodells auf das erste 3-D-Vergleichsmodell übertragen (Fig. 4a).

Diese die Verfahrensteilschritte können zur Erzeugung von n 3-D-Vergleichsmodellen n-fach wiederholt werden, wobei die so erzeugten n 3-D-Vergleichsmodelle, wie in Fig. 4b für n = 2 beispielhaft gezeigt, zur Erzeugung des Prothesenmodells verwendet werden, indem ein differenzierter Abgleich der n 3-D-Vergleichsmodelle zueinander zu einem einzigen Modell erfolgt.

Dieser differenzierte Abgleich wird durch n-maligen Vergleich der n 3-D- Vergleichsmodelle zu dem 3-D-Ausgangsmodell durchgeführt, wobei räumliche Daten ermittelt werden, die in ihrer Gesamtheit der CNC­ gestutzten Fertigung einer Prothese zugeführt werden.

Die Datenermittlung zur Fertigung einer Prothese erfolgt somit in den Schritten:

• - Festlegung spezifischer Punkte im Ausgangs- und Vergleichsmodell (bspw. bei leicht zu identifizierenden Punkten der Modelle, s. g. "Landmarks");
• - Ermittlung der Verschiebung (gekennzeichnet durch Betrag und Richtung) der Punkte im Ausgangs- und Vergleichsmodell;
• - Anwendung der "inversen" Verschiebung auf benachbarte Punkte im Vergleichsmodell und dadurch Berechnung von Punkten für das Vergleichsmodell;
• - Ermittlung der Abweichung zwischen Vergleichsmodell und Ausgangsmodell sowie Bestimmung des Abweichungsfehlers;
• - Vergleich des Abweichungsfehlers mit einem vorgebbaren Wert, Wiederholung aller vorangegangener Schritte, wenn die Fehlerabweichung zu gross ist;
• - Wenn der Fehler minimiert ist, werden die ermittelten Punkte auf alle Punkte des Vergleichsmodells transformiert;
• - Bildung des Prothesenmodell durch Bool'sche Subtraktion von Ausgangsmodell und Vergleichsmodellen.

Die Besonderheit des Verfahrens ist:

• - Je nach Auswahl der Anfangspunkte ergeben sich unterschiedliche "Konturen" bzw. Vergleichsmodelle. Notwendig ist eine automatische Korrektur der Randpunkte und eine Skalierung der gesamten Punktmenge (Fig. 4a);
• - Ermittlung einer endlichen Anzahl n von Vergleichsmodellen (wegen 3D maximale Anzahl = Anzahl der Randpunkte);
• - Bestimmung und Zuordnung "eng" benachbarter Punkte in den Vergleichsmodellen;
• - Berechnung eines Fehlermaßes (Abweichung, Distanzen) zwischen den einzelnen Vergleichsmodellen (bspw. Summe der quadratischen Abweichung);
• - Wichtigstes Kriterium ist "stetiger Übergang" der Verbindung an den Randpunkten Einführung einer Wichtung des Einflusses der Punkte je nach Entfernung vom Rand bei der Ermittlung des Fehlermasses (Randpunkte Wichtung = 1 mit Entfernung vom Rand Wichtung -<0);
• - Vorgabe einer zu erreichenden Minimalabweichung;
• - Ermittlung der Verschiebungen zwischen den n Randpunkten und aus dem Endpunkt des jeweils aus dem "gegenüberliegenden" Randpunkt generierten Vergleichsmodells;
• - Anwendung einer gewichteten Verschiebung auf Punkte des Vergleichsmodells welche mit Entfernung vom Randpunkt abnimmt (in Fig. 4b bis ca. Hälfte der Kurve des Randmodells Wichtung Eins, ab dann Null).

Bezugszeichenliste

1

Ausgangsmodell des Schädel

2

Ausgangsmodell des Knochendefekts

3

Vergleichsmodell des Knochendefekts

4

Prothesenmodell

Claims (2)

1. Verfahren zur schnellen Konstruktion von medizinischen Prothesen, bei dem spezifische medizinische Bilddaten von Patienten in ein 3-D- Ausgangsmodell umgewandelt werden und über einen Zwischenschritt ein passendes Prothesenmodell erzeugt wird, anhand dessen durch CNC gestützten Fertigung eine Prothese hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Zwischenschritt die Teilschritte a) bis d) wie folgt durchlaufen werden:

• a) auf dem Ausgangsmodell und einem ersten 3-D-Vergleichsmodell wird beliebig je ein Bezugspunkt in örtlich gleichartig gelegenen Regionen beider Modelle festgelegt;
• b) die Distanz zwischen den beiden Bezugspunkten und die Richtungsorientierung beider Bezugspunkte wird zueinander bestimmt;
• c) anhand der ermittelten Verschiebung dieser beiden Bezugspunkte zueinander wird die Verschiebung der Datenpunkte des 3-D- Ausgangsmodells auf das erste 3-D-Vergleichsmodell übertragen;
• d) die Verfahrensteilschritte a) bis c) werden zur Erzeugung von n 3-D-Vergleichsmodellen n-fach wiederholt, wobei die so erzeugten n 3-D-Vergleichsmodelle zur Erzeugung des Prothesenmodells verwendet werden, indem ein differenzierter Abgleich der n 3-D- Vergleichsmodelle zueinander zu einem einzigen Modell erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der differenzierte Abgleich durch n-maligen Vergleich der n 3-D- Vergleichsmodelle zu dem 3-D-Ausgangsmodell durchgeführt wird, wobei räumliche Daten ermittelt werden, die in ihrer Gesamtheit der CNC gestützten Fertigung einer Prothese zugeführt werden.