TW201109001A - Method of fabricating artificial implant - Google Patents

Description

201109001 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明疋有關於一種製作人工植入物之方法，特 別有關於依據手術前後的影像建立三雉模點座標，龙 據此三維模點座標製作人工植入物的方法。 【先前技術】 目前，在臨床神經外科中，病人在因腦部腫瘤、 腦積水或其他病因導致顱内壓過高的情況下，常藉由 顱骨切開術來降低顱内壓力，而顱骨切開術所造成的 頭骨缺陷’則經由顧骨重建手術來修復’在盡可能降 低術後感染與恢復病人術前的頭顱形狀的前提下，重 建出缺損的頭骨部分應盡可能與手術切口密合，且該 頭骨的外型（弧度與大小）應與病人原頭形相符。 過去常見的顱骨修復方法，是在病人接受單側顱 骨切開術的情況下，利用鏡像的原理，按該病人對側 完整顱骨的頭形’重建出切開侧的缺損頭骨，但此鏡 像顱骨重建法卻遭遇三個主要的問題： (一） 個人頭骨並非完全左右對稱，鏡像重建的方 式無法還原出術前真實的頭形，造成病人外 觀的改變與不習慣； (二） 利用鏡像的方式，無法達到重建頭骨與手術 201109001 調整 ==密:使經由技士的手動 (三)此法由於鏡像取材的限制， 骨切開術，對於接受雙側顧骨切開 無法提供有效的重建。 術的病人 或是’病人因受傷或_’而需料科切 將身體的某一部位（如鼻部軟骨紕織或乳房* η 形成一缺損部位’使得病人的外觀有所改：：不： 整，此時，需要藉由整料科手術在缺損部位 ^ 人工植入物，以期還原病人的外觀。但是，人工植入 物的輪廓形狀，通常並未按照缺損部位原始樣=== 製作，因此，病人的外觀仍有所改變，人:植入物= 然有無法有效密合、外觀改變…等問題。 [發明内容】 有鑑於先前技術之問題，本發明提供一種製作 人工植入物之方法，以解決習知以鏡像人工骨頭修復 後邊成外觀改變、無法完全密合絲法提供雙侧顱骨切 開術的病人的重建人工骨頭等的問題。 根據本發明之一目的，提出一種製作人工植入物 之：f ’係取得手術部位的術前三維體積影像，並據 以/刀離出具有目標物的術前目標物影像，取得手術部 位的術後三維體積影像，並據时離出具有目標物的 201109001 術後目標物影像，術後目標物影像相較於術前目標物 影像係目標物具有至少一缺損部位，將術前目標物影 像與術後目標物影像進行對位，產生對位影像，根據 對位影像取得對應目標物的缺損部位的差值影像，根 據差值影像建立缺損部位的三維模點座標，再根據三 維模點座標製成與缺損部位相同造型的人工植入物。 承上所述，依本發明製作人工植入物之方法，係 具有下列優點： \ly 11 Γν 當人工植入物以重建手術被植入在病人的缺 損部位後，病人的缺損部位重建手術後的外 觀形狀，與術前的外觀形狀相似度高； (2) 人工植入物的輪廓形狀與缺損部位相近似， 使得人工植入物與缺損部位的密合度高； (3) 人工植入物可被使用在雙侧顱骨切開術或多 缺損部位的病人。 【實施方式】 請參閱第1圖，其係為本發明一種製作人工植 入物之方法之流程示意圖。圖中，此方法係依下列 步驟製作人工植入物： (S10)取得術前三維體積影像1(如第2圖所示）， 術前三維體積影像1具有一手術部位的一 201109001 目標物於缺損前的原始樣貌； (S20)取得術後三維體積影像2(如第3圖所示）， 術後三維體積影像2具有手術部位的目標 物在缺損後的一術後樣貌，此術後樣貌相較 於原始樣貌係於目標物上具有至少一缺損 部位20 ; (S30)從術前三維體積影像1中取得術前目標物 影像3(如第4圖所示），術前目標物影像3 係為目標物於缺損前（完整）的三維體積影 像； (S40)從術後三維體積影像2取得術後目標物影 像4(如第5圖所示），術後目標物影像4係 為目標物於缺損後具有缺損部位20的三維 體積影像； (S50)將術前目標物影像3與術後目標物影像4 進行對位，並據以產生一對位影像5(如第6 及7圖所示）； (S60)從對位影像5中取出術前目標物影像3與術 後目標物影像4對應目標物的缺損部位的 一差值影像6(如第8圖所示）； (S70)根據差值影像6建立缺損部位的一三維模 點座標7(如第9圖所示）；以及 6 201109001 („維模點座標7 同造型的一人工植入物。 1位2〇相 請參閱第10圖，係為本發 後的三維重建示意圖。圖中，二補 植入物的-模擬影像由;=標_^^ 部位2。的三維模點座標7所製成的，：係:::損 物與缺損部位20的相似度非植入 2"直入此人工植入物，缺丄:：2:==:位 幾乎沒有任何差Γ ㈣觀與手術前的外觀 忘人广實施例中’術前三維體積影像1係 ^在手術刖（診斷時）的低解析度的電腦斷層影像， 其矩陣大小為512*512(像素（pixel))*32(切面張 數）、像素大小為〇.47mm气47m㈣mm(切面厚度），請 ㈣第11圖。術後三維體積影像2是病人在手術後的 南解析度電腦斷層影像，其矩陣大小A 512*512(像 素）*184(切面張數）、像素大小為0.49min*〇.49mm ^63mm’請㈣第12圖。由於術前三維體積影像i 的切面張數為32張’且每張切面的厚度較厚（切面厚 度為5丽），因此，若以低解析度的術前三維體積影 像1 (如第2圖所示），容易產生部分體積效應 (partial volume effect)，即圖中呈階梯狀的部份。 201109001 換言之，若術前三維體積影像1的解析度比術後 三維體積影像2的解析度低，且術前三維體積影像1 的切面厚度比術後三維體積影像2的切面厚度大，即 術前三維體積影像1及術後三維體積影像2的影像規 格不一致’如此’將無法從術前三維體積影像1直接 取得與術後目標物影像4相同位置的術前目標物影像 3。故，請參閱第13圖，在此實施例中，從術前三維 體積影像1中取得術前目標物影像3的步驟更包括： (5301) 調整術前三維體積影像1的亮度與對比， 使其適合分辨術前三維體積影像1中的目 標物（本發明之實施例中係以頭骨為例， 但不以此為限）； (5302) 對術前三維體積影像1重新取樣，藉以調 整術前三維體積影像1的規格，使得三維 體積影像1的規格，與術後三維體積影像 2的規格相同，而形成—術前重新取^ 像； / (S3_術前重新取樣影像使用 (thresholding)，分辨目標物與背景， .201109001 (S304),用主動式輪廓法去除術前二值化 i1中受部分體積效應影響戶斤產生的假 衫，藉以取得術前目標物影像3Γ 示）。 ν弟4圖所 由於’術前二值化影像u中的輪 狀，因此，在此實施例中，當使用主動式閉 術前二值化影像U的假影之前，係分別去除

化影像11中的—部份的目標物（如= 及冠狀切面的術前二值化影像u的上半部 以鏡像法構成-封閉輪廓（如第15圖所示)，再：封 閉輪廓的_及外緣執行絲式輪 生卞 前目標物影像3。 用从產生也 值化M I 動式㈣祕，係切術前二 值心兩個像素的影像擴 頭^二當對術前二值化影像11的目標物(如^ 傻f仃主動式輪廟法前，係絲術前二值化影 =i執仃，像素的影像絲（Image ErQS㈣，以 /龙斗，!!!一值化影像11的内凹輪廓而非外凸輪 1 術月1J目標物影像3(如第4圖所示）。 T上所述，術别三維體積影像1依上述各步驟的 理即可取知與術後目標物影像4相同現格的術前 目標物影像3。 201109001 在本發明上述的實施例中，主動式·輪廓法的參數 5又定有疊代次數、步距、彈性（elasticity)及堅硬度 Rigidity)等，其中疊代次數為200次、步距為〇.卜 彈性為空間離散程度的平方及堅硬度為空間離散程度 的四次方。 在本發明之再一實施例中，請參閱第16圖，係此 再一實施例產生術後目標物影像4的流程圖，其包括： (5401) 調整術後三維體積影像2的亮度與對比， 使其適合分辨術後三維體積影像2中的目 標物（如：頭骨）；以及 (5402) 對術後三維體積影像2使用閥值法 (thresholding)，以分辨目標物與背景， 並以二值化法將術後三維體積影像2轉換 成術後二值化影像，術後二值化影像中數 值等於1者即為目標物，等於〇者視為背 景，並以術後二值化影像作為術後目標物 影像4。 在本發明上述的各實施例中，術前三維體積影像 1係為電腦斷層影像，而電腦斷層影像的亮度值係以 電腦斷層攝影值（Computed Tomography Value’簡稱： (^值，其單位是11〇111^丨61(11«^1:(即）。）表示，而各種 組織物的CT值介於一定的範圍内，藉以區分出不同的 組織物’若以缺損部位為骨頭而言，其CT值介於 201109001 1400〜3000 HU之間，故，在本發明前述的各實施例中， 閥值法區分頭骨部分與背景部分的CT值係可為 1400〜3000 HU。 在本發明之又一實施例中，請參閱第17圖，係此 又一實施例產生對位影像流程圖，其步驟包括： (5501) 術後目標物影像4根據一影像轉換模型 的初始的轉換參數，被疊放在術前目標物 • 影像3上（如第18圖所示）； (5502) 使用一成本函數（Cost Function)，評估術 前目標物影像3與術後目標物影像4是否 對齊：先計算術後目標物影像4中的目標 物，與術前目標物影像3的目標物的差距 值，再將差距值平方後加總，計算出一殘 差平方和（Sum of Squared Difference， 簡稱：SSD)，如殘差平方和小於一預設 ® 偯，則進行步驟（S505 )，否則進行步驟 (S503)； (5503) 利用最佳化疊代方法調整轉換參數，據以 產生一更新轉換參數； (5504) 術後目標物影像4以影像轉換模型的更 新轉換參數，被疊放在術前目標物影像3 上，再依照步驟（S502)評估是否對齊；以 及 11 201109001 (S505)將術後目標物影像4，經過最終的轉換參 數轉換，以產生對位影像5(如第6、7圖 所示）。 在此又一實施例中，影像轉換模型係為仿射轉換 (affine transform)模型，該仿射轉換模型的轉換 參數包括平移、旋轉、縮放及歪斜…等。又，最佳 化疊代方法則使用鮑威爾法（p〇we 1 1 meth〇d )，在每 次疊代中依序選出適合的線性收斂方向，以逐步降低 成本函數所計算出的殘差平方和，使殘差平方和小於 預設值。 又，在此又一實施例中，當使用成本函數，計算 殘差平方和之前，係先比對以影像轉換模型轉換後的 術後目標物影像，是否落在術前目標物影像3的範圍 之外’若是，則在計算成本函數時加入一懲罰值，否 則’直接使用成本函數計算殘差平方和。其中，假設 術後目標物影像4與術前目標物影像3的視野是極相似 鲁 的’因此’術後目標物影像4中的目標物，都應該能在術 前目標物影像3上找到對應的目標物，此時，懲罰值可以 給定一個較大的數值。反之，若容忍一些無法找到對應的頭 骨部分之情況發生時，懲罰值則給定一個較小的數值。 在本發明之又另一實施例，請參閱第19圖，係此 又另一實施例從對位影像產生差值影像的流程圖，其 包括： 12 V201109001 (5601) 計算對位影像5 + ’完整的目標物與缺損 的目標物的差值，產生一個初步影像 51(如第20圖所示）； (5602) 對初步影像51的上半部使用第一結構矩 陣，進行影像侵蝕（er〇si〇n)與擴張 (dilation)’以及對初步影像51的下半

部使用第二結構畴，進行影像侵姓與擴 =，藉以去除初步影像中細微的差值部 =，產生一個二次影像52(如第21圖所 示）’其中第—結構矩陣比第二結構矩陣的 矩陣行列數多； (S_使用三維的區域成長（region growing) 法’去除二次影像52中非屬缺損部位的不 相連結的部分，以產生三次影像53(如第 22圖所示）；以及

(S604)以人’除法去除三次f彡像53中非屬缺 損部位的不相連結的部分，即產生差值影 像6(如第23圖所示）。 結構矩陣係為5x5矩 在此又另一實施例中，第一 陣，其矩陣内容如下所示： ooioo' 0 1110 11111 0 1110 0 0 10 0 13 201109001 第二結構矩陣係為3x3矩陣，其矩陣内容如下所 示： '0 1 0' 1 1 1 0 1 0 在本發明之再另一實施例中，請參閱第24圖，係 產生三維模點座標的流程圖，其包括： (5701) 使用行進方塊法（Marching cube)對差值 影像6,建立對應目標物的缺損部位的初 始三維模點座標； (5702) 使用表面拉普拉斯法（surface Laplacian)修補（平滑化處理）初始三維模 點座標，以令初始三維模點座標的表面更 為平滑，產生較為平滑的三維模點座標7 (第9圖）。 在本發明上述的各實施例令，各術前影像、及 術後影像及相關的影像皆為三維影像，各三維影像可 沿冠狀、矢狀及水平方向切割，以形成冠狀切面、矢 狀切面及水平切面，為便於說明本發明的各個處理 流程，在本發明令大都以其中一個切面的影像做為 代表，又，在本發明中各實施例所有的影像係以單 侧顱骨切開手術為例，但並不侷限本發明僅能應用 在單侧顱骨切開手術，本發明亦可使用在雙側顱骨 重建手術，如第2 5圖所示，圖t，左側係為顧骨的 201109001 雙側缺損部位的三維模點座標8，右側係置入依照三 維模點座標8重建該人工植入物的一模擬影像。當然 亦可製作其它人工植入物，諸如：鼻部的人工軟骨、 胸部的人工乳房…等。 以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何 未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修 改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 第1圖係本發明製作人工植入物之方法之流程示意 圍， 第2圖係本發明之一實施例之術前三維體積影像的 矢狀切面示意圖； 第3圖係本發明之一實施例之術後三維體積影像的 矢狀切面不意圖， 第4圖係本發明之一實施例之術前目標物影像的矢 狀切面示意圖； 第5圖係本發明之一實施例之術後目標物影像的矢 狀切面不意圖， 第6圖係本發明之一實施例之一對位影像的矢狀切 面不意圖， 第7圖係本發明之一實施例之一對位影像的水平切 面不意圖， 15 201109001 第8圖係本發明之一實施例之差值影像示意圖； 第9圖係本發明之一實施例之三維模點座標示意圖； 第10圖係本發明之一實施例之修補後的三維重建示 意圖； 第11圖係本發明之一實施例之術前三維體積影像的 低解析度的三維重建示意圖； 第12圖係本發明之一實施例之術後三維體積影像的 高解析度三維重建示意圖； 第13圖係本發明之一實施例之術前三維體積影像中 取得術前目標物影像的流程圖； 第14圖係本發明之一實施例之術前二值化影像之示 意圖； 第15圖係本發明之一實施例之封閉輪廓示意圖； 第16圖係本發明之再一實施例之產生術後目標物影 像的流程圖； 第17圖係本發明之又一實施例之產生對位影像流程 圖； 第18圖係本發明之又一實施例之術後目標物影像被 豐放在術別目標物影像的不意圖， 第19圖係本發明之又一實施例之從對位影像產生差 201109001 值影像的流程圖； 第20圖係本發明之又另一實施例之初步影像的示意 圖， 第21圖係本發明之又一實施例之二次影像示意圖； 第22圖係本發明之又另一實施例之三次影像示意 圖， 第23圖係本發明之又另一實施例之差值影像示意 圖， 第24圖係本發明之再另一實施例之產生三維模點座 標的流程圖；以及 第25圖係本發明之雙側顱骨重建手術修補過後的三 維重建示意圖。

17 201109001 【主要元件符號說明】 I :術前三維體積影像； II :術前二值化影像； 2:術後三維體積影像； 20 :缺損部位； 3 :術前目標物影像； 4:術後目標物影像； 5 :對位影像； 51 :初步影像 52 ··二次影像 53 :三次影像 差值影像； 三維模點座標； 雙側缺損部位的三維模點座標； S10〜S80 :步驟； S30卜S304 S401-S402 S501-S505 S601-S604 步驟； 步驟； 步驟； 步驟；以及 S70卜S702 :步驟

Claims (1)

1. 201109001 七、申請專利範圍： 1. 一種製作人工植入物之方法，包含： 取得一術前三維體積影像，該術前三維體積影像 具有一手術部位的一目標物於缺損前的原始樣 貌； 取得該手術部位的一術後三維體積影像，該術後 三維體積影像具有該手術部位的該目標物在缺 • 損後的一術後樣貌，該術後樣貌相較於該原始樣 貌係於該目標物上具有至少一缺損部位； 從該術前三維體積影像取得一術前目標物影 像，該術前目標物影像係為該目標物於缺損前的 三維體積影像； 從該術後三維體積影像取得一術後目標物影 像，該術後目標物影像係為該目標物於缺損後具 有該缺損部位的三維體積影像； Φ 將該術前目標物影像與該術後目標物影像進行 對位，並據以產生一對位影像； 從該對位影像中取出該術前目標物影像與該術 後目標物影像中對應該目標物的缺損部位的一 差值影像； 根據該差值影像建立該缺損部位的一三維模點 座標；以及 根據該三維模點座標製成與該缺損部位相同造 型的一人工植入物。 19 201109001 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中從該 術前三維體積影像中取得該術前目標物影像的 步驟，包括： 調整該術前三維體積影像的亮度與對比，使其適 合分辨該術前三維體積影像中的該目標物； 對該術前三維體積影像重新取樣，藉以調整該術 前三維體積影像的規格，使得該術前三維體積影 像的規格，與該術後三維體積影像的規格相同， 而形成一術前重新取樣影像； 對該術前重新取樣影像使用一閥值法，分辨該目 標物與一背景，並以一二值化法將該術前重新取 樣影像的轉換成一術前二值化影像，該術前二值 化影像中數值等於1者即為目標物，等於0者視 為背景；以及 使用一主動式輪廓法去除該術前二值化影像中 受部分體積效應影響所產生的假影，藉以取得該 術前目標物影像。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中當使 用該主動式輪廊法去除該術前二值化影像的假 影之前，係分別先將該術前二值化影像中的一部 份的目標物的輪廓，以一鏡射法構成一封閉輪 廓，再對該術前二值化影像的該封閉輪廓的内側 及外側執行該主動式輪廓法，用以產生該術前目 標物影像。 20 201109001 4·如申請專利㈣第3項所述之方法 該術前二值化影像的該 其中當對 主動式輪廊法時，係對該广::， 個像素的影像擴張。 。像執行兩 如申請專利範圍第3項所述之方法 該術前二值化影像的該封閉輪廓的外：：當對 主動式輪靡法時，係對該術前 ，仃該 個像素的影像侵蝕。 值化衫像執行兩 6. 利範圍第2項所述之 動式輪靡㈣參數設定包括 亥主 距、一彈性及一堅硬度。m-步 7. 如申請專利範圍第6項所述之方法 代次數為200次。 八中該 8. 如申請專利範圍第6項所述之方法 距為0.1。 4〈万法，其中該. m專利範圍第6項所述之方 性為空間離散程度的平方。 具中針 〇·如申請專利範圍第6項所述之方法 硬度為空間離散程度的四次方方法，其中該堅 U.=請專利範圍第i項所述之方法其中從該 驟::體積影像產生該術後目標物影像的‘ 21 201109001 調整該術後三維體積影像的亮度與對比，使之適 合分辨該術後三維體積影像中的該目標物；以及 對該術後三維體積影像使用一閥值法，以分辨該 目標物與一背景，並以一二值化法將該術後三維 體積影像轉換成該術後二值化影像，該術後二值 化影像中數值等於1者即為該目標物，等於〇 者視為該背景，並以該術後二值化影像作為該術 後目標物影像。 12 ·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中從該 術後目標物影像與該術前目標物影像產生該對 位影像的步驟，包括： 該術後目標物影像根據一影像轉換模型的初始 的轉換參數，被疊放在該術前目標物影像上； 以及 使用一成本函數，評估該術前目標物影像與該術 後目標物影像已對齊，則據以產生該對位影像。 13.如申請專利範圍第12項所述之方法，其中當 評估該術後目標物影像與該術前目標物影像尚 未對齊，則進行下列步驟： 使用該成本函數先計算該術後目標物影像中的 該目標物，與該術前目標物影像中的該目標物的 一差距值； 再將該差距值平方後加總，計算出一殘差平方 和； 22 201109001 當該殘差平方和大於一預設值，則利用一最佳化 疊代方法調整該轉換參數，據以產生一更新轉 換參數；以及 將該術後目標物影像以該影像轉換模型的該更 新轉換參數，被疊放在該術前目標物影像上， 據以產生該對位影像。 14. 如申請專利範圍第12項所述之方法，其中該 • 影像轉換模型係為一仿射轉換模型，該仿射轉 換模型的轉換參數包括移動、旋轉、縮放及歪 斜。 15. 如申請專利範圍第1 3項所述之方法，其中該 最佳化疊代方法係為一鮑威爾法，係在每次迭代 中依序選出適合的線行收斂方向，以逐步降低該 成本函數所計算出的該殘差平方和，使該殘差平 方和小於該預設值。 * 16.如申請專利範圍第13項所述之方法，其中當 使用該成本函數，計算該殘差平方和時，係先比 對以該影像轉換模型轉換後的該術後目標物影 像，係落在該術前目標物影像的範圍之外，則在 計算該成本函數時加入一懲罰值。 17.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該對 位影像產生該差值影像的步驟，包括： 將計算該對位影像中完整的目標物與缺損的目 23 201109001 標物的差值，以產生一初步影像； 步影像進行影像紅與擴張，藉 ;==的差值部分，產生-二次影像： if:二維的區域成長法，去除該二次影像中非 -大^指的^目連結㈣分，时別產生-： -人景；^象；以及 工一 以一人工擦除法去除該三 部位的不姆結_分損 以如申請專利範圍第17項所述之 對^該初步影像進行影像侵钱張㈣二 := 象的上半部使用—第一結構矩陣：： —ί二及對該初步影像的下半部使用 第一…構矩陣，進行影像侵蝕與擴張。 19.^請專利範圍第18項所述之方法，其中該 _ .結構矩陣係為5x5矩陣，其矩陣内容如下所 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 J申：f利範圍$ 18項所述之方法，其中該 第-結構㈣係為3x3矩陣，其轉内容如下所 I 24 .201109001 '〇 1 o' 1 1 1 ,0 1 ο 值影像係以-行進方塊法IS二中該差 位的初始三維模點座標。 …h缺損旬

   Z1.如申請專利範園第i 22.如申請專利範圍第21項所述之方法，A 初始三維模點座標以一表面拉普拉斯法^行= 面平滑化處理，產生平滑的該三維模點座標。

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