本发明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 5995738，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。该发明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。该发 明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 6205411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。该发明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 5625577提出了一种利用动力学的计算机运动分 析方法。该发明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 3D reconstructions and geometric models of the human spine”，Aubin C-E 等，Medical and biological engineering and computing，Peter Perenigrus Ltd.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，在该发明中既没有提及 也没有建议与该发明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 for computational biomechanics simulation”Hayasaka等-Medical imaging and 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，但不适用于类似本发明的骨关节。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发明的问题不同。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。该步骤在本发明中是基本步骤。

本发明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。本发明也模拟外科手术后即 刻的脊柱状态。
显而易见的是，本发明不仅适用于脊柱。它也适用于其他骨关节 例如膝关节。
本发明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，本发明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 度的数字参数，所述动度或整体硬度产生于对两个硬体之间的相互作 用参数(硬度)有影响的所有插入部件(例如椎间盘)和连接部件(例 如韧带)的作用。
根据一个特定的实施例，个体化步骤包括：获得给定患者的一组 关节的至少一个图像；通过识别在所述图像中可见的关节的位置，从 所述图像提取出构建真实模型所必需的信息；以及根据所述真实模型 修正标准模型。
有利地，记录数字模型的步骤包括定义数字数据的标准组，包括 对于以硬体形式表示的每个关节的以下内容：
-对应于“标准”患者的该组关节在“参照”位置的几何的第一 几何参照位置描述符，其中对于每个硬体，相对于邻近体确定所述描 述符；
-与每个邻近体相互作用的第二力学描述符，其中当至少一个外 在约束被应用于该组关节时，所述力学描述符表示所述行为规则；
个体化步骤包括利用个体化的数据修正所述标准组的数据。
根据一个特定的实施例，该方法还包括一个校正步骤，包括对应 地形成x光片图像数据和外部获取数据，该步骤被分成两个子步骤：
-相对于3D曲线，校正x光片重构，所述3D曲线来源于同一 位置的外部获取数据；
-确定与椎骨相关联的3D曲线上的若干点的分布以及它们的相 关切线，其中所述若干点定位于斯托克斯坐标系。
在阅读完下面所给定的纯举例目的的参照于附图的本发明的实 施例的描述后，将更好地理解本发明：

图1显示了模型的力学个体化的结构图；
图2表示本发明的一个实施例的模拟器的总的结构图；
图3表示本发明的一个实施例的模型的结构；
图4显示了校正方法的使用；
图5显示了椎间角的定义；
图6显示了在额面内的椎间角之间的关系的实例(横坐标为°， 纵坐标为°)；
图7显示了旋转中心的计算；
图8表示脊柱侧弯患者中的旋转中心的计算的实例；
图9显示了环的内插；以及
图10显示了在躯干上的质量分布模型。

本发明不同于已知的在术中辅助外科医师的手术导航产品。具体 地，本发明包括将预行手术的个体的脊柱模型化，模拟植入物或假体 的放置以及计算出一旦植入物或假体已经被置入位置后个体的平衡 位置。
因为用软件进行数据处理，所以发明也涉及用于实现功能结构的 软件结构。软件结构包括一些数据库服务器：一个用户数据库、一个 椎骨数据库、一个患者数据库和一个植入物数据库。不同的用户可以 查询和更新这些数据库中所含的数据以构建出患者脊柱的3D模型， 然后模拟出置入植入物的后果。
本发明的系统是手术治疗患者脊柱形态的病变的生物力学和运 动学结果的模拟器。图2显示了模拟器的总体结构。
必须要使得外科医师能最佳化并改进他的治疗计划。这个模拟器 可以提供给他更好的关于不同组织在脊柱中的几何学及力学特性的 知识。因此他能够测试他的不同的手术方法使得校正最佳化。
必需要满足健康的需要，因为目标是追求舒适、安全、质量和可 靠性。医学治疗的简单化将造成更好的术后生活方式以及更少和更短 的住院日。
最后，在教育领域对于教导未来的外科医师也可能是有帮助的。
模拟器是一种分析手术可行性的辅助工具。它可以用于模拟术前 平衡、肌肉和韧带硬度的作用所产生的相应的节段间力，以得到关于 这种平衡的术后改变以及这些作为外科医师在术中所引入的曲度的 函数的力的想法。外科医师应当输入操作区域所需的变形形状。用所 谓的“整体(globe)”途径可以完成这一点。
两个x光片对于生成模拟是必需的。加入到系统中的图像可以 是：
-将传统x光片数字化(扫描)后所产生的文件；
-用另一个x光设备(数字x光机)所输出的文件。
可以人工地(用户将图像文件提供给系统)或自动地(用x光设 备直接储存图像或通过内部/因特网恢复图像)进行系统输入。
两种类型的数字化可以是：
-人工数字化：一个必需人工地在这些图像中分辨出特定点；
-半自动数字化。
数字化所检测出的特定点将被用于计算出椎骨的3D坐标(几何 学数据)。
从数字化图像输出的几何学数据将被用于构建患者的脊柱的三 维模型。对系统中的被预先定义的标准3D模型的改编以及患者的几 何学特征生成了这个模型。
用户必须能显示脊柱在额面、矢状面和顶轴面上的3D模型，他 也必须能将它们与用于构建的x光片进行比较。
患者的力学特征(来自采集(临床检查)的结果)被用于将模型 个体化。利用浓缩了患者的个人的力学数据的脊柱的标准几何学模型 进行该操作。
从患者的x光片(在第一次模拟前)或用模拟后所生成的模型计 算出患者脊柱的生物力学特征(脊柱侧凸角、轴向旋转等)。在x光 片上可以预先计算出一些参数(骶骨倾斜度、冲角、矢状支承点、脊 柱曲度)。
在模拟期间，用户必须能选择出他将实施取代的脊柱段。在模拟 平衡期间，用户能输入他将用于模拟给定段的一些临床参数的值。用 户必须能观察脊柱的动度和硬度，以及将分级标准化。从一些目的(硬 度、直径等)中可以选择出用于变形脊柱段的棒的类型。
在用户已经操作该模型之后，软件必须认证所进行的操作是有效 的，并通知用户任何的不一致性(不可能获取的数值)。
模拟器必须能显示模型的新曲度以及患者的平衡的新位置(身 材)。将该曲度与初始曲度(3D模型或x光片)进行比较必须是可能 的。
将椎间力的相对改变定量化并用图形显示。
用户必须要能比较模拟之前和之后的脊柱的硬度。
在操作后作用于棒上的力必须能指示棒是否将变形。
用户必须能生成含有关于模拟以及保持系统更新的信息的用户 文件夹(一些模拟被保存于相同的文件夹中)。因此，系统必须能收 集或输入外在数据系统中的关于患者的信息(年龄、体重、身高等)， 假定只要它们存在。
用户的权利和档案资料将区别每个用户所能获取的功能。用户将 能进入不同的图形界面，依赖于他们的权利和档案资料。也可以给每 个用户设定优先系统(菜单的位置、欢迎页面等)，以及可行的机制 将被用于监测患者的文件夹中的变更。
用户可以访问输入数据，即在任何时候都可以显示、取代或变更 用于构建模型的图像、数字化点或用于半自动处理图像所实施的操 作、置入模型中的植入物和患者的力学特征，并作为他的权利的一个 功能。
模拟是表示着在患者上所实施的全部操作(模拟参数)。用户必 须能删除一个以往操作(改变x光片、重新输入用于数字化的点、计 算新的临床参数、或变更在模拟期间所进行的操作)。
图1显示了对模型的力学个体化的结构图。
对模型的力学个体化是根据三种数据类型：
-具有皮肤标记的患者的x光片；
-在不同的特征性姿势上所采集到的脊柱的整体曲度；
-人体测量的数据。
根据力学法则进行处理，以及这些数据能让我们得到：
-患者的几何；
-临床参数；
-个体化的力学模型；
患者x光片的数字化将使得我们能获取每个椎骨的六个点的精 确度。通过外插法能获取每个椎骨的十二个点的精确度。
下一步是获取在不同的特征性姿势下的脊柱的整体曲度。
通过在临床检查期间对所研究的患者进行一系列测定可以完成 这一步，在此期间，评价背侧脊柱的轮廓。骨盆和肩部的位置对于定 义脊柱末端的定位是必需的。
患者必须将肢体放置在骨盆处以限制肢体对他的一般平衡能力 的影响，用一种装置采集可辨别的皮肤标记相对于脊柱侧凸的椎骨的 空间位置，参照于已知的坐标系。
在近可能与用于建立静息站立的患者的有刻度的x光片的条件 下，对静息的患者进行采集。这个采集可以被用于确定从脊柱轮廓开 始的椎骨中心的线。这是有可能的，因为通过铅球，有刻度的x光片 可以给出所有这些点的坐标。因此，作为给定位置、站立静息位的皮 肤标记的一个功能，可以确定出椎骨的位置。下一步是结合患者运动 期间的椎骨的交互运动的影响，确定出皮肤标记和椎骨位置之间的校 正变形。
利用人体测量的数据确定出段块和块的中心，然后确定出每个椎 骨的块的力距和中心。
可将肌肉活动与段间活动分离。
在文献中所得到的数据被用于定量地评价模型的所容许的行为 法则的形状。
行为法则必须满足以下的要求：
-绝大多数法则必须有奇数(odd)行为；
-必须满足渐近行为；
-要考虑到偶联现象；
-计算相关性和简单性。
考虑到所研究病变的独特性，必须重新计算每个椎骨和每个患者 的行为法则。
根据发明的一个变形，生成对应于外在采集的x光片。所产生的 对应物涉及两个步骤：
-就来自相同位置的外部采集数据的3D曲线对x光片重建的校 正；
-确定出点在与定位于Stokes坐标系的椎骨相关的3D曲线上的 分布，以及它们的相关切线。
在x光片和外在数据采集期间，也记录了三个空间坐标系(两个 直线边缘的末端以及放置于脊柱底部的铅球(低点))。
这三个点可被用于校正在相同的被称为x光片系统的坐标系中 的两个记录，在x光片重建坐标系及在外在采集数据坐标系中都已知 这些点的相对位置。
这三个点足以确定出一个常见的坐标系，其中所有的数据都是已 知的，并且因此它能定义出两个记录之间的转化矩阵。
考虑到可能的采集误差包括记录期间的腕部意外旋转和可变的 皮肤糙度，也进行三种其他的校正：
1)比较了x光片和外在采集的直线边缘的低点和放置于皮肤的 低点之间的距离。两个记录之间的差异定量了仿样在皮肤上所形成的 通路，因此结合操作者在患者皮肤上所施加的压力，重新调整采集。
2)通过调整外在采集长度终止该调整，以保证四个采集都从相 同的点开始。
3)根据操作者的定位，在采集期间经常观察到采集向左或向右 的偏倚。通过将采集限制低到在2中所定义的共存点之间的连接处的 低点以及x光片上所定义的低点校正采集来校正这种偏移。
当已经进行这三个校正后，用户可以得到在包括校正误差后所得 到的新的数值的某一可信度。
椎骨在3D曲线上的分布。
第二步从x光片之间的校正开始，以及包括将椎骨放置于仿样 上。认为椎骨和仿样之间的相应点是stokes坐标系(XY面)和仿样 之间的交叉点。
对于位于脊柱底部的椎骨，脊柱和背部表面之间的长距离、椎骨 的高倾斜度都造成椎骨在3D曲线上的非连续定位。反向操作被应用 于记录的这一部分，放置等距离点，然后定义它们在相应的椎骨的 stokes坐标系上的位置。
在所分析点上的3D曲线的切线也被记录，使得之后可以复原模 型。
用这个方法，在外在采集记录中也能定义骶骨的位置以及骨盆与 垂直线的角，称之为骶骨角。
甚至如果这些解剖部分不是x光片所形成的重建体的一部分，它 们也可用于定义脊柱的平衡。
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，这样椎骨可以被放置到所的有它们的位置中的位置中。
有一些关于数据分析的重要评论：
要分别进行额面和矢状面的研究。首先选择以解偶联的方式研究 脊柱。这是患者被要求进行的运动是用于分析额面的侧拐、以及用于 分析矢状面的屈曲/外展的原因。
图5显示了对椎间角的计算。
目的是发现椎间角之间的关系。已经加入一种分析模型以实现这 一点，当随着脊柱从下到上，将椎间角描述为一个“下面的”角的函 数。
椎间角之间关系的示例曲线(第一个图在左上方显示了 θ(θT，T1)(T1，T2)，然后惯例的阅读方向为遵循脊柱方向：图6显示了在额 面上椎间角之间的关系的实例(横坐标为°，纵坐标为°)。
这些散点图的结论对于所有患者都是一样的。预计分布是线性 的。因此根据这些观察建立了模型：
定义了在每个椎间水平的点上的回归方程。给每个方程增加了限 定，其中首先将一个椎骨的的动度性能与下一椎骨进行比较。然后假 定最大的侧拐和屈曲/外展运动定义了这些限定。
通过分析大量的健康患者可以验证这个方法。所采用的模型显示 非常适用于大多数患者及椎间水平：校正系数通常大于0.8。但是， 这仍有对于模型是不正确的水平。这个现象对应于患者的阻断或几乎 被阻断的水平。因此认为构建线性回归是正确的，以及如此限定将给 模型提供足够的约束。
这个模型能定义T1/T2到L5/S1的椎间盘的行为法则。
从在额面(弯曲)和矢状面(屈曲/外展)上所记录的不同位置 开始，计算出一个椎骨相对于另一个椎骨的旋转的中心。将对应于每 个位置的上一椎骨的点放置于下一个椎骨的stokes坐标系中。然后， 这些点形成被认为是环形的通路，对此用最小二乘法计算出旋转的中 心。
在图7中显示了这一点。
这个方法可被用于鉴别满足在患者中所得到的试验数据的旋转 的显著的及个体化的中心。
图8显示了一个计算脊柱侧弯患者的旋转中心的实例。
可以看到用这个利用外在采集的方法可以发现腰椎前凸。这个方 法要求至少三次分开的采集。
在x光片的球面坐标系中计算出这些旋转的中心。计算每个椎骨 的两个不同的空间旋转的中心，一个是对于矢状面运动，以及一个是 对于额面运动。然后在更下面的椎骨的stokes坐标系中表示这些中 心，使得可以在解算器中将其复原。
下面的章节显示了示例的算法。
-获取运动学模型：
来自x光片的几何学模型
不同椎间角之间的线性关系
不同椎间角的最大幅度
旋转的额面和矢状面中心在椎骨的stokes坐标系中的定位。
-变量初始化：椎间角L5/S1
-计算几何学模型上的初始椎间角。
只要舒适的标准没有被最佳化：
循环
通过计算步骤增加变量角(通过缺省0.001)。
如果变量椎间角超过它的限定，那么角等于限定值以及变量为下 一个角。
对于所有的下一个角
循环
按函数角i+1增加椎间角i。
如果椎间角i超过它的限定，那么角等于限定值。
结束循环
用新的椎间角复原模型。
应用股骨头轴的力学标准复原模型。
在模型变形后，重新计算几何学模型上的椎间角。
计算舒适度标准。
如果舒适度水平被减低，在其他方向上增加该模型。
如果已经进行了通路的两个方向，降低舒适度标准所要求的水 平。
一直到这个时候，在运动学上模拟脊柱。结果是脊柱的几何学表 示患者的平衡。在这个时候，知道应用于脊柱上的力的分布并构建完 整的力学模型是有趣的。以往技术描述了一种利用人体测量模型计算 力的方法。这个方法的原理是将躯干分割成附着于脊柱的四个很好定 义的部分的四个切片，并计算它们的重量和重力中心。通过尺寸度量 平均人群的一般式样得到每个切片周围的轮廓，以匹配于所测定的患 者的尺度。
本发明的模型中所用的方法是非常不同的。用轮廓的记录记录了 五个环。然后将这些环分成为60个点。随后利用校正将这些环定位 于脊柱。通过在制作与环相关的椎骨的皮肤上的点完成这个定位，并 用校正曲线将其记录，这个位置符合对应于背部中心的环上的点。然 后内插入其他的环以得到定义17个切片的18个环，这些环垂直同心 于相应的椎骨的椎体的中心。
图9显示了环的内插入。
因此通过将每个切片分割成基本的棱形计算出所定义的每个切 片的体积和重力中心。
用每个切片的体积和重力中心生成下面的模型：
-仅被脊柱所耐受的体和臂的重量
-每个切片被分成两个部分，称为脏器部分和实体部分例如肋 骨、肌肉、皮肤等。
-切片的实例部分完全为脊柱
-脏器部分流体静力学地活动
-脏器不产生任何运动
-仅仅脊柱的正常部件将承受脏器所传送的力
-与脊柱相切的部件被传送到下面的下一个切面
图10显示了块在躯干中的分布模型。
然后仅根据所输入的几何学得到每个椎体上的力的矢量。
同时，用有限量的数据定义每个切片的脏器/硬体分布。下面将 定义这种分布。
程序的结构依据于对应于每个独立的计算步骤的模块结构，因此 可以变更程序但不改变它的操作。在下面显示了计算模块。它们被分 类为4种模块：
-采集模块
-运动学模型的定义模块
-平衡解算器模块
-用于计算所操作的脊柱上的力的模块。
作为举例说明，以上描述了本发明。显而易见的，本领域普通技 术人员能进行对本发明的各种变更，只要它不超出专利的范围。