用于制造个人化纤维软骨植入物的系统和方法技术方案

披露了用于制造软组织植入物(100，400)的系统(500，1000)和方法(1700)。这些方法总体上涉及：接收表示目标植入物的植入物数据；确定用于形成该软组织植入物的计划编织路径；并且将该计划编织路径传送到输出装置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于制造个人化纤维软骨植入物的系统和方法相关申请的交叉引用本专利申请要求2015年12月3日提交的美国临时申请序列号62/262,544的权益，该临时专利申请通过引用并入本文。
本专利技术涉及用于制造纤维软骨的系统和方法，并且具体地，涉及用于使植入物的结构个人化并形成该植入物的系统和方法。
技术介绍
由于工作场所事故和与体育有关的活动，半月板损伤在普通人群中是常见的，发生率为每100,000个个体约60至70例不等。执行了约150万个膝关节镜规程，其中超过50％涉及半月板手术。对于广泛的半月板损失，很少有替代性治疗选项。一种替代性治疗选项是半月板同种异体移植。虽然这种规程已经证明有希望获得短期结果，但由于不良组织重塑，长期结果是不一致的。另外，由于短缺可用半月板同种异体移植物，难以从组织库中获得与受损半月板的大小相匹配的同种异体移植物。正确确定半月板同种异体移植物的尺寸对于负载转移和恢复来说非常重要；过小的半月板可能增加移植物上的环向应力，并且过大的半月板可能增加关节软骨上的力并且可能过度填塞膝关节。另一种替代性治疗是使用生物相容的可再吸收支架来替换受损半月板组织。在这种情况下，已经设计出以下装置：具有纤维增强的半月板支架的临床上有用的半月板替换装置，该半月板支架具有可以承受周向拉伸负载的错综复杂的内部形状。该支架的强度是由于将重量分布在整个结构上的许多交叉纤维增强物造成的。这种人造承重组织在治疗半月板损伤方面具有巨大的潜力。然而，仍然存在与这种治疗相关联的两个主要技术挑战：设计个人化纤维增强的支架以及制造具有一致质量的个人化支架。例如，支架可以被制造成用于满足患者在他/她的专业上的需要，诸如对于运动员来说承受高冲击能量所需的那些。当前的制造过程是劳动力密集的并且需要按不同的图案手动编织连续纤维。这种手动过程仅允许制造出有限类型的半月板大小和编织图案，并且因此不能够使匹配原生半月板的几何结构的人造半月板个人化。此外，这种制造过程局限于实验室过程。支架的质量难以控制并且容易受到人为误差的影响。半月板支架质量在很大程度上取决于处理样品的操作员的专业技能。生产和制造纤维增强的半月板支架可能由于使得过程不可再现的操作员之间的操作变异性和操作员的操作间变异性而产生不一致的结果。明确需要开发一种解决上述两个技术挑战的方法。
技术实现思路
本披露涉及用于制造软组织(例如，纤维软骨组织)植入物的系统和方法。这些方法包括：由处理器接收指定至少一个软组织尺寸(例如，诸如从前到后(Anterior-to-Posterior)(“AP”)间室(compartment)长度和/或诸如从内到外(Medial-to-Lateral)(“ML”)间室宽度)的第一数据和加权因子W；由该处理器使用该第一数据来产生限定目标软组织植入物的第二数据，该目标软组织植入物包括被设计成用于替换受试者中的生物软组织的支架以及被设计成用于向该支架提供结构支撑的增强基体；由该处理器将该第一数据变换成多维空间中的多个节点位置坐标，这些节点位置坐标指定有待用于后续编织或印刷操作以便制造该软组织植入物的基础表面的节点配置；由该处理器使用该多个节点位置来确定用于形成交织纤维结构的计划编织或印刷路径，该交织纤维结构具有基于该目标软组织植入物的形状的形状；并且将限定该计划编织或印刷路径的信息从该处理器传送到外部输出装置用于促进执行这些后续编织或印刷操作，从而导致制造出该软组织植入物。在一些情景中，该外部输出装置是根据该计划编织路径形成交织纤维结构的织机。可替代地或另外地，该外部输出装置是显示器或印刷机。在那些情景或其他情景中，这些方法还涉及基于软组织尺寸或子组织尺寸(即，实际前部宽度、实际后部宽度和实际主体宽度)来优化该加权因子W。该加权因子W使用均方根误差算法来优化，以便识别使前部区域、后部区域和主体区域中的期望植入物宽度与实际植入物宽度之间的误差最小化的值。均方根误差算法的实例由以下数学方程限定其中RMS误差表示均方根误差，ANTdes表示期望前部宽度，ANTact表示实际前部宽度，BODdes表示期望主体宽度，BODact表示实际主体宽度，POSdes表示期望后部宽度，并且POSact表示实际后部宽度。在那些情景或又其他情景中，该处理器：使用该计划编织路径来模拟这些后续编织操作以便产生模拟的关节连接表面；将该模拟的关节连接表面叠加到有待被该软组织植入物替换的软组织的图像中；并且基于对所述叠加的结果的分析来调整该计划编织路径。附图说明将参考以下附图来描述本解决方案，其中在所有附图中，相似的数字代表相似的项目。图1和图2是具有第一示例性增强基体的示例性植入物的顶视图。图3是具有第二示例性增强基体的示例性植入物的顶视图。图4A是包括环形支架和增强基体的植入物的顶视图。图4B和图4C是图4A所示的植入物在缠绕纤维时的经过时间透视图。图5是系统的示意图。图6A和图6B(统称为“图6”)对应地是针对左膝关节半月板植入物和右膝关节半月板植入物形成的示例性增强基体的透视图。图7是示出叠加在半月板之上的模拟计划编织路径的透视图。图8A和图8B(统称为“图8”)示出用于制造示例性半月板增强基体的基板图案。图9(a)至图9(g)(统称为“图9”)示出在制造增强基体过程中的增强纤维的组织。图10是示例性计算装置的图解。图11(a)至图11(b)(统称为“图11”)提供对理解如何制造植入物有用的图解。图12提供示例性椭圆(使用尸体半月板的从前到后尺寸和从内到外尺寸形成)的图解，该示例性椭圆准确地重现了外半月板边缘和半月板根部布局(前部在左侧，后部在右侧)。图13提供对理解加权因子W＝0.25如何可以近似尸体内侧半月板的给定图像有用的图解。图14是示出如何使用0.228的加权因子来制造患者特定的半月板的图解。图15是对理解给定情景中的最佳节点-图案组合有用的图。图16提供对理解如何根据本解决方案制造供体特定的植入物有用的图像。图17是根据本解决方案的用于制造软组织植入物的示例性方法的流程图。具体实施方式在附图中，相似的数字始终指示相似的元件。在本文中使用的某些术语仅是为了方便并且不应当被视为对本专利技术的一种限制。以下描述本专利技术的优选实施例。然而，基于本披露应当理解的是，本专利技术不受本文中描述的优选实施例的限制。本文将相对于制造膝关节半月板植入物来描述制造个人化植入物的系统和方法。尽管关于制造膝关节半月板植入物描述了本植入物，但是本披露的传授内容也可以应用于制造用于替换在性质和功能上与半月板类似的其他组织(诸如椎间盘、颞下颌盘、腕关节半月板等)的植入物。这些组织与膝关节半月板的类似之处在于：它们由纤维软骨构成，并且起到负载传递物和分布物的作用以防止对关节有害的高应力软骨与软骨接触或骨与骨接触。还将理解的是，本传授内容可以应用于制造用于人类和动物两种患者的植入物。将参考图1至图4C描述示例性植入物。参考图1，示出了植入物100，其包括支架102以及嵌入支架102中或联接到其上的增强基体120。支架102总体上包含为了医疗目的和/或替换部分或全部生物组织而已经被工程设计成用于引起期望的细胞相互作用来促进形成新功能组织的材料。增强基体120是总体上被配置成用于加强和/或支撑支架的工程设计结构。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造软组织植入物的方法，该方法包括：由处理器接收至少指定软组织尺寸和加权因子W的第一数据；由该处理器使用该第一数据来产生限定目标软组织植入物的第二数据，该目标软组织植入物包括被设计成用于替换受试者中的生物软组织的支架以及被设计成用于向该支架提供结构支撑的增强基体；由该处理器将该第一数据变换成多维空间中的多个节点位置坐标，这些节点位置坐标指定有待用于后续编织操作以便制造该软组织植入物的基础表面的节点配置；由该处理器使用该多个节点位置来确定用于形成交织纤维结构的计划编织或印刷路径，该交织纤维结构具有基于该目标软组织植入物的形状的形状；并且将限定该计划编织或印刷路径的信息从该处理器传送到外部输出装置用于促进执行这些后续编织或印刷操作，从而导致制造出该软组织植入物。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.03 US 62/262,5441.一种用于制造软组织植入物的方法，该方法包括：由处理器接收至少指定软组织尺寸和加权因子W的第一数据；由该处理器使用该第一数据来产生限定目标软组织植入物的第二数据，该目标软组织植入物包括被设计成用于替换受试者中的生物软组织的支架以及被设计成用于向该支架提供结构支撑的增强基体；由该处理器将该第一数据变换成多维空间中的多个节点位置坐标，这些节点位置坐标指定有待用于后续编织操作以便制造该软组织植入物的基础表面的节点配置；由该处理器使用该多个节点位置来确定用于形成交织纤维结构的计划编织或印刷路径，该交织纤维结构具有基于该目标软组织植入物的形状的形状；并且将限定该计划编织或印刷路径的信息从该处理器传送到外部输出装置用于促进执行这些后续编织或印刷操作，从而导致制造出该软组织植入物。2.根据权利要求1所述的方法，其中，该软组织包括纤维软骨组织，并且该软组织尺寸包括从前到后(“AP”)间室长度和从内到外(“ML”)间室宽度中的至少一个。3.根据权利要求1所述的方法，其中，该外部输出装置是根据该计划编织路径形成该交织纤维结构的织机。4.根据权利要求1所述的方法，其中，该外部输出装置是显示器或印刷机。5.根据权利要求1所述的方法，还包括：基于实际前部宽度、实际后部宽度和实际主体宽度中的至少一个来优化该加权因子W。6.根据权利要求5所述的方法，其中，该加权因子W使用均方根误差算法来优化，以便识别使前部区域、后部区域和主体区域中的期望植入物宽度与实际植入物宽度之间的误差最小化的值。7.根据权利要求6所述的方法，其中，该均方根误差算法由以下数学方程限定其中RMS误差表示均方根误差，ANTdes表示期望前部宽度，ANTact表示实际前部宽度，BODdes表示期望主体宽度，BODact表示实际主体宽度，POSdes表示期望后部宽度，并且POSact表示实际后部宽度。8.根据权利要求1所述的方法，还包括：由该处理器使用该计划编织路径来模拟这些后续编织操作以便产生模拟的关节连接表面。9.根据权利要求8所述的方法，还包括：将该模拟的关节连接表面叠加到有待被该软组织植入物替换的软组织的图像中。10.根据权利要求9所述的方法，还包括：基于对所述叠加的结果的分析来调整该计划编织路径。11.一种系统，包括：处理器；以及计算机可读存储介质，该...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰伊·米兰·帕特尔，迈克尔·G·邓恩，查尔斯·J·加特，
申请(专利权)人：新泽西州立拉特格斯大学，
类型：发明
国别省市：美国,US