TW201820192A - 醫學影像建模系統以及醫學影像建模方法 - Google Patents

Abstract

本發明提出一種醫學影像建模系統包括處理裝置、顯示裝置以及輸入裝置。處理裝置用以執行影像處理模組，以基於生物骨骼組織的醫學影像資料產生立體骨骼模型資料。顯示裝置依據醫學影像資料以及立體骨骼模型資料於同一操作介面中同時顯示醫學影像以及立體骨骼模型。輸入裝置用以接收參數指令，以使處理裝置藉由影像處理模組依據參數指令編輯立體骨骼模型。另外，一種醫學影像建模方法亦被提出。

Description

醫學影像建模系統以及醫學影像建模方法

本發明是有關於一種影像建模技術，且特別是有關於一種醫學影像建模系統以及醫學影像建模方法。

在骨骼修復的治療過程中，藉由人工骨骼的修復模型來進行骨骼缺損的復形，是目前的骨骼修復治療手術中常見的治療手段。然而，傳統的人工骨骼的修復模型製作是先使用醫學影像軟體讀取骨骼組織的醫學影像，再藉由轉換軟體將醫學影像轉換為立體的骨骼影像。因此，傳統的人工骨骼的修復模型製作必須經由繁雜的影像檔案格式轉換，造成製作修復模型上的不便。據此，如何提供可同時處理分析醫學影像以及立體骨骼模型的影像處理系統，並且可直接於影像處理系統中進行立體骨骼模型的編輯、繪製或模擬骨骼組織的修復模型，是目前重要的課題。

本發明提供一種醫學影像建模系統及其操作方法，可用以執行影像處理模組以依據生物骨骼構造的醫學影像來建構出相對的立體骨骼模型，並且於同一操作介面中同時呈現醫學影像以及立體骨骼模型。

本發明的醫學影像建模系統包括處理裝置、顯示裝置以及輸入裝置。處理裝置用以執行影像處理模組，以基於生物骨骼組織的醫學影像資料產生立體骨骼模型資料。顯示裝置耦接處理裝置。顯示裝置用以依據醫學影像資料以及立體骨骼模型資料於同一操作介面中同時顯示醫學影像以及立體骨骼模型。輸入裝置耦接處理裝置。輸入裝置用以接收參數指令，以使處理裝置藉由影像處理模組依據參數指令編輯立體骨骼模型。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像資料符合醫療數位影像傳輸協定（Digital Imaging Communications in Medicine, DICOM），並且立體骨骼模型資料符合立體光刻（Stereo Lithography, STL）格式。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像建模系統更包括儲存裝置。儲存裝置耦接處理裝置。儲存裝置用以儲存影像處理模組以及力學分析模組。處理裝置透過執行力學分析模組來分析立體骨骼模型，以取得建模參考資料。

在本發明的一實施例中，上述的處理裝置整合建模參考資料至立體骨骼模型中，以使顯示裝置所顯示的立體骨骼模型當中包括生物骨骼組織以及修復模型。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像建模系統更耦接外部的輸出裝置。輸出裝置用以依據修復模型製造實體模型物件。

在本發明的一實施例中，上述的處理裝置更進一步分析醫學影像資料，以取得生物骨骼組織的參考標誌點、參考角度以及參考線的至少其中之一，以使顯示裝置於立體骨骼模型當中顯示的生物骨骼組織上進一步標示參考標誌點、參考角度以及參考線的至少其中之一。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像建模方法適用於醫學影像建模系統。醫學影像建模系統包括處理裝置、顯示裝置以及輸入裝置。醫學影像建模方法包括以下步驟。執行影像處理模組，以基於生物骨骼組織的醫學影像資料產生立體骨骼模型資料。藉由顯示裝置依據醫學影像資料以及立體骨骼模型資料於同一操作介面中同時顯示醫學影像以及立體骨骼模型。藉由輸入裝置接收參數指令，以藉由影像處理模組依據參數指令編輯立體骨骼模型。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像資料符合醫療數位影像傳輸協定，並且立體骨骼模型資料符合立體光刻格式。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像建模系統更包括儲存裝置用以儲存影像處理模組以及力學分析模組。醫學影像建模方法更包括以下步驟。透過執行力學分析模組來分析立體骨骼模型資料，以取得建模參考資料。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像建模方法更包括以下步驟。整合建模參考資料以及立體骨骼模型資料，以使顯示裝置所顯示的立體骨骼模型當中包括生物骨骼組織以及修復模型。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像建模方法更包括以下步驟。藉由輸出裝置依據修復模型製造實體模型物件。

在本發明的一實施例中，上述的醫學影像建模方法更包括以下步驟。進一步藉由影像處理模組分析醫學影像資料，以取得生物骨骼組織的參考標誌點、參考角度以及參考線的至少其中之一。於立體骨骼模型當中顯示的生物骨骼組織上進一步標示參考標誌點、參考角度以及參考線的至少其中之一。

基於上述，本發明實施例的醫學影像建模系統及其方法可藉由執行影像處理模組轉換生物骨骼組織的醫學影像資料為立體骨骼模型，並且可藉由顯示裝置於同一操作介面中同時顯示醫學影像以及立體骨骼模型。本發明實施例的影像處理模組更進一步用於依據輸入裝置輸入的參數指令來對於立體骨骼模型進行編輯、繪製。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接第二裝置，則應該被解釋成第一裝置可以直接耦接至第二裝置，或者第一裝置可以透過其他裝置、導線或某種連接手段而間接地耦接至第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

圖1繪示本發明一實施例的醫學影像建模系統的示意圖。參考圖1，醫學影像建模系統100包括處理裝置110、顯示裝置120、輸入裝置130以及儲存裝置140。處理裝置110耦接顯示裝置120、輸入裝置130以及儲存裝置140。儲存裝置140可用以儲存影像處理模組141以及力學分析模組142。在本實施例中，醫學影像建模系統100可以接收由外部輸入的醫學影像資料，或預先於儲存裝置140中儲存醫學影像資料。需注意的是，本實施例的醫學影像資料為符合醫療數位影像傳輸協定（Digital Imaging Communications in Medicine, DICOM）的斷層掃描檔，例如電腦斷層掃描（Computed Tomography, CT）或核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）等。並且，本實施例的醫學影像資料是屬於生物骨骼組織（Biological bone tissue）的影像資料。

在本實施例中，處理裝置110藉由執行影像處理模組141對生物骨骼組織的醫學影像資料進行運算，以基於生物骨骼組織的醫學影像資料產生立體骨骼模型資料，其中立體骨骼模型資料符合立體光刻（Stereo Lithography, STL）格式。並且，影像處理模組141可將多層二維醫學影像（Pixle）切面堆疊而成的三維影像（Volumn）轉換為三維立體網格（Mesh）資料，以產生以多邊形的面形成的網格影像（Polygonal mesh）的立體骨骼模型。

在本實施例中，處理裝置110可提供醫學影像資料以及立體骨骼模型資料至顯示裝置120，以使顯示裝置120顯示醫學影像以及立體骨骼模型。醫學影像建模系統100可藉由輸入裝置130接收使用者提供的參數指令，以使處理裝置110可依據使用者提供的參數指令透過影像處理模組141來編輯立體骨骼模型。

需注意的是，本實施例所述的影像處理模組141以及力學分析模組142是以軟體型式來實作並儲存在儲存裝置140中。本實施例的影像處理模組141是用於以一個軟體形式的架構下直接將醫學影像資料轉換為立體骨骼模型資料，並且可對於立體骨骼模型進行繪製以及編輯，但本發明不限於此。在一實施例中，影像處理模組141也可為包括多個子模組的多個軟體形式架構。例如，影像處理模組141可包括格式轉換子模組以及模型編輯子模組。處理裝置110可藉由執行格式轉換子模組將醫學影像資料轉換為立體骨骼模型資料，並且藉由執行模型編輯子模組來編輯立體骨骼模型資料。此外，本實施例的力學分析模組142是用於搭配影像處理模組141執行的分析程式或演算法，以用於對醫學影像資料進行力學分析。本實施例的影像處理模組141以及力學分析模組142可依據所屬技術領域的通常知識獲得足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

在本實施例中，處理裝置110可包括由單核心或多核心組成的中央處理單元（Central Processing Unit, CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor, DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits, ASIC）、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device, PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，可用以執行本發明各實施例的影像處理模組的相關運算指令或演算法。並且，儲存裝置140可為隨機存取記憶體（Random Access Memory, RAM）、唯讀記憶體（Read-Only Memory, ROM）或快閃記憶體（Flash Memory）等，可至少用以儲存本發明各實施例所述的影像處理模組141、力學分析模組142。

在本實施例中，輸入裝置130可例如是實體的鍵盤（Keyboard）、滑鼠（Mouse）、按鈕（Button）或觸控板（Touchpad）等，諸如此類的實體元件。或者，輸入裝置130也可例如是屬於執行軟體程式所呈現的操作介面。舉例來說，顯示裝置120可例如是具有觸控功能的顯示器。顯示裝置120可呈現操作介面的影像資訊，並且使用者可藉由觸控顯示裝置120的方式來輸入參數指令。或者，使用者也可透過額外的實體鍵盤來輸入參數指令，本發明並不加以限制。

具體來說，本實施例的影像處理模組141可從生物骨骼組織的醫學影像中提取骨骼表面，以形成立體骨骼模型。首先，本實施例的處理裝置110藉由執行影像處理模組141將斷層掃描得到的醫學影像資料中的多張切層影像進行影像分割（Image segmentation），以將骨骼組織部分的影像像素留下，並去除其他組織的影像像素。影像分割的影像處理原理是依據韓森費爾德單位（Hounsfield Unit, HU）數值來判斷以影像中的像素是否為骨骼組織。接著，影像處理模組141可包括三維重建影像演算法（Volume rendering algorithm）。本實施例的處理裝置110可透過執行三維重建影像演算法對於上述的骨骼組織部分的影像像素進行三維重建。再接著，影像處理模組141可更包括立方體演算法（Marching cubes algorithm）的轉換演算法。本實施例的處理裝置110可透過執行立方體演算法將三維重建後的醫學影像轉換為符合立體光刻格式的立體骨骼模型。最後，醫學影像建模系統100可透過顯示裝置120於同一操作介面中（或同一顯示畫面中），以同時顯示醫學影像以及立體骨骼模型。也就是說，使用者可於顯示裝置120所顯示的同一操作介面的顯示畫面中，同時觀看醫學影像以及立體骨骼模型，並且對立體骨骼模型進行繪製以及編輯。

舉例來說，圖2繪示本發明一實施例的操作介面的示意圖。同參考圖1以及圖2，本實施例的立體骨骼模型可用於影像編輯處理。因此，當醫學影像建模系統100藉由執行影像處理模組141，以使於同一操作介面的顯示畫面DS中同時顯示醫學影像MI1、MI2以及立體骨骼模型SI時，使用者可藉由輸入裝置130來輸入有關於修改或編輯立體骨骼模型SI的參數指令，以對立體骨骼模型SI進行繪製編輯。舉例來說，立體影像可例如是一種立體光刻（Stereo Lithography）格式的網格影像。因此，處理裝置110可執行如SolidWorks的電腦輔助繪圖軟體（Computer Aided Drawing, CAD）的立體繪圖功能，以對立體骨骼模型SI進行繪製以及編輯。另外，顯示畫面DS所示的操作介面中可進一步包括分析列表SL。分析列表SL可包括多種預設骨骼的描繪分析功能供使用者點選。預設骨骼的描繪分析功能可例如包括側顱分析（cephalometric analysis）當中的相關參考標誌點、參考線或參考角度等。當使用者點選描繪分析功能時，影像處理模組141將對立體骨骼模型SI進行分析，以取得相關數值或於立體骨骼模型SI當中顯示相關標示資訊，以下圖4實施例將有進一步說明。

再舉例來說，圖3繪示本發明一實施例的編輯立體骨骼模型的示意圖。參考圖1以及圖3，使用者可將立體骨骼模型SI1當中的部分骨骼組織移除並且進行編輯，以建立修復模型。在本實施例中，當醫學影像建模系統100於同一操作介面的顯示畫面DS中同時顯示醫學影像MI1、MI2以及立體骨骼模型SI1時，處理裝置110除了可依據使用者輸入的參數指令藉由影像處理模組141對立體骨骼模型SI1進行繪製編輯之外，處理裝置110還可依據內建的力學分析模組142對立體骨骼模型SI1進行骨骼生物力學分析（Biomechanical analysis of bone），以取得對應的建模參考資料，例如是骨質密度、骨質硬度或是受力影響等資料。並且，處理裝置110可依據建模參考資料來對立體骨骼模型SI1進行繪製以及編輯，以繪製如立體骨骼模型SI2當中的修復模型RM。在一實施例中，處理裝置110亦可直接模擬修復模型RM作為建模參考資料。在本實施例中，醫學影像MI1可例如是頭顱的立體圖，並且醫學影像MI2可例如是頭顱的多個斷層剖面圖。也就是說，使用者於繪製編輯立體骨骼模型SI1的同時，可同時參考到醫學影像MI1、MI2，並且醫學影像MI1、MI2的顯示深度以及視角可依據使用者需求進行調整，而不限於圖3所示。

在本實施例中，醫學影像建模系統100可進一步耦接輸出裝置200。當立體骨骼模型SI2中的修復模型RM繪製完成後，醫學影像建模系統100可透過輸出裝置200來製造實體模型物件。在本實施例中，輸出裝置200可例如是自動建模裝置或是三維列印（3D Printing）印表機。處理裝置110可輸出修復模型RM的建模資料至輸出裝置200，其中建模資料符合立體光刻格式。因此，輸出裝置200可依據修復模型RM的建模資料製造實體模型物件。

圖4繪示本發明一實施例的分析醫學影像的示意圖。同時參考圖1以及圖4，舉側顱分析為例。當使用者欲對於人體頭骨的側顱的某部分骨骼進行建模時，本實施例的處理裝置110可進一步藉由執行影像處理模組141以針對側顱的醫學影像進行分析，以取得如圖4所示的醫學分析影像。在側顱分析的醫學影像中，處理裝置110可針對頭顱側面骨骼進行分析，以取得如圖4所示的參考標誌點P1~P7、參考線L1~L5以及參考角度θ。在本實施例中，參考標誌點P1~P7可例如是蝶鞍點（Sella）、鼻根點（Nasion）、顎骨點（Maxilla）、鼻棘點（Nasal Spine）或下顎骨聯合處（Mandibular symphysis）等，諸如此類的基準點。在本實施例中，參考線L1可例如是P1與P2的連線。參考線L2、L3可例如是P2分別至P3、P4的連線。L4可例如是P5至P6的連線。L5可例如是下顎骨的邊界基準線。參考角度θ可例如是參考線L2、L3夾角等。

也就是說，本實施例的處理裝置110可透過影像處理模組141將參考標誌點P1~P7、參考角度θ以及參考線L1~L5對應標示於如上述各實施例的立體骨骼模型當中。因此，當使用者在編輯或繪製立體骨骼模型的同時，可依據這些參考標誌點P1~P7、參考角度θ以及參考線L1~L5來輔助繪製其修復模型。然而，影像處理模組141分析醫學影像所取的醫學分析影像不限於圖4所示。在一實施例中，醫學分析影像當中的參考標誌點、參考角度以及參考線可依據對應的生物骨骼組織的種類來決定。

然而，須說明的是，本發明實施例的醫學影像建模不限於上述圖2~4的頭顱影像。本發明實施例的醫學影像處理也可適用於各種生物骨骼影像的影像處理、分析以及建模。

圖5繪示本發明一實施例的醫學影像建模方法的流程圖。同時參考圖1以及圖5，本實施例的醫學影像建模方法可至少適用於圖1的醫學影像建模系統100。在本實施例中，醫學影像建模系統100可包括處理裝置110、顯示裝置120、輸入裝置130以及儲存裝置140。儲存裝置140可儲存影像處理模組141以及力學分析模組142。在本實施例中，醫學影像建模方法可包括以下步驟。在步驟S510中，醫學影像建模系統100可藉由處理裝置110可執行影像處理模組141以基於生物骨骼組織的醫學影像資料產生立體骨骼模型資料。接著，在步驟S520中，醫學影像建模系統100可藉由顯示裝置120依據醫學影像資料以及立體骨骼模型資料於同一操作介面中同時顯示醫學影像以及立體骨骼模型。最後，在步驟S530中，醫學影像建模系統100可藉由輸入裝置130接收參數指令，以藉由影像處理模組141依據參數指令編輯立體骨骼模型。

此外，本實施例的醫學影像建模方法的其他相關實施方式可依據上述圖1~圖4實施例中獲致足夠的教示、建議與實施說明，因此不再贅述。

綜上所述，本發明實施例的醫學影像建模系統及其方法可藉由執行影像處理模組，將符合醫療數位影像傳輸協定的醫學影像轉換成符合立體光刻格式的立體網格影像，並且可針對立體影像進行編輯以及繪製。並且，本發明實施例的醫學影像建模系統可藉由顯示裝置於同一操作介面中同時顯示生物骨骼組織的醫學影像以及立體骨骼模型。也就是說，使用者可於編輯以及繪製立體骨骼模型的同時可對應參考醫學影像的相關骨骼資訊。此外，本發明實施例的醫學影像建模系統可進一步針對醫學影像進行分析，以取得有關生物骨骼組織的參考標誌點、參考角度以及參考線，並且整合標示於立體影像當中。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧醫學影像建模系統

110‧‧‧處理裝置

120‧‧‧顯示裝置

130‧‧‧輸入裝置

140‧‧‧儲存裝置

141‧‧‧影像處理模組

142‧‧‧力學分析模組

200‧‧‧輸出裝置

DS‧‧‧顯示畫面

L1~L5‧‧‧參考線

MI1、MI2‧‧‧醫學影像

P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7‧‧‧參考標誌點

S510、S520、S530‧‧‧步驟

SI、SI1、SI2‧‧‧立體骨骼模型

SL‧‧‧分析列表

θ‧‧‧參考角度

圖1繪示本發明一實施例的醫學影像建模系統的示意圖。 圖2繪示本發明一實施例的操作介面的示意圖。 圖3繪示本發明一實施例的編輯立體骨骼模型的示意圖。 圖4繪示本發明一實施例的分析醫學影像的示意圖。 圖5繪示本發明一實施例的醫學影像建模方法的流程圖。

Claims (12)

1. 一種醫學影像建模系統，包括： 一處理裝置，用以執行一影像處理模組，以基於一生物骨骼組織的一醫學影像資料產生一立體骨骼模型資料； 一顯示裝置，耦接該處理裝置，用以依據該醫學影像資料以及該立體骨骼模型資料於同一操作介面中同時顯示一醫學影像以及一立體骨骼模型；以及 一輸入裝置，耦接該處理裝置，用以接收一參數指令，以使該處理裝置藉由該影像處理模組依據該參數指令編輯該立體骨骼模型。
2. 如申請專利範圍第1項所述的醫學影像建模系統，其中該醫學影像資料符合一醫療數位影像傳輸協定，並且該立體骨骼模型資料符合一立體光刻格式。
3. 如申請專利範圍第1項所述的醫學影像建模系統，更包括： 一儲存裝置，耦接該處理裝置，用以儲存該影像處理模組以及一力學分析模組， 其中該處理裝置透過執行該力學分析模組來分析該立體骨骼模型，以取得一建模參考資料。
4. 如申請專利範圍第3項所述的醫學影像建模系統，其中該處理裝置整合該建模參考資料至該立體骨骼模型中，以使該顯示裝置所顯示的該立體骨骼模型當中包括該生物骨骼組織以及一修復模型。
5. 如申請專利範圍第4項所述的醫學影像建模系統，其中該醫學影像建模系統更耦接外部的一輸出裝置，並且該輸出裝置用以依據該修復模型製造一實體模型物件。
6. 如申請專利範圍第1項所述的醫學影像建模系統，其中該處理裝置更進一步藉由影像處理模組分析該醫學影像資料，以取得該生物骨骼組織的一參考標誌點、一參考角度以及一參考線的至少其中之一，以使該顯示裝置於該立體骨骼模型當中顯示的該生物骨骼組織上進一步標示該參考標誌點、該參考角度以及該參考線的至少其中之一。
7. 一種醫學影像建模方法，適用於一醫學影像建模系統，並且該醫學影像建模系統包括一處理裝置、一顯示裝置以及一輸入裝置，其中該方法包括： 執行一影像處理模組，以基於一生物骨骼組織的一醫學影像資料產生一立體骨骼模型資料； 藉由該顯示裝置依據該醫學影像資料以及該立體骨骼模型資料於同一操作介面中同時顯示一醫學影像以及一立體骨骼模型；以及 藉由該輸入裝置接收一參數指令，以藉由該影像處理模組依據該參數指令編輯該立體骨骼模型。
8. 如申請專利範圍第7項所述的醫學影像建模方法，其中該醫學影像資料符合一醫療數位影像傳輸協定，並且該立體骨骼模型資料符合一立體光刻格式。
9. 如申請專利範圍第7項所述的醫學影像建模方法，其中該醫學影像建模系統更包括一儲存裝置用以儲存該影像處理模組以及一力學分析模組，其中該方法更包括： 透過執行該力學分析模組來分析該立體骨骼模型資料，以取得一建模參考資料。
10. 如申請專利範圍9項所述的醫學影像建模方法，更包括： 整合該建模參考資料以及該立體骨骼模型資料，以使該顯示裝置所顯示的該立體骨骼模型當中包括該生物骨骼組織以及一修復模型。
11. 如申請專利範圍第10項所述的醫學影像建模方法，更包括： 藉由一輸出裝置依據該修復模型製造一實體模型物件。
12. 如申請專利範圍第7項所述的醫學影像建模方法，更包括： 進一步藉由影像處理模組分析該醫學影像資料，以取得該生物骨骼組織的一參考標誌點、一參考角度以及一參考線的至少其中之一；以及 於該立體骨骼模型當中顯示的該生物骨骼組織上進一步標示該參考標誌點、該參考角度以及該參考線的至少其中之一。