TWI381828B

TWI381828B - Method of making artificial implants

Info

Publication number: TWI381828B
Application number: TW098129466A
Authority: TW
Inventors: Shih Tseng Lee; Yu Te Wu; Yuan Lin Liao; Chia Feng Lu; Jiann Der Lee
Original assignee: Univ Chang Gung
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2013-01-11
Also published as: US8200355B2; US20110054656A1; TW201109001A

Description

製作人工植入物之方法

本發明是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維模點座標，並據此三維模點座標製作人工植入物的方法。

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內壓過高的情況下，常藉由顱骨切開術來降低顱內壓力，而顱骨切開術所造成的頭骨缺陷，則經由顱骨重建手術來修復，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，重建出切開側的缺損頭骨，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切口的有效密合，即使經由技士的手動調整仍無法做到完全密合；

(三)此法由於鏡像取材的限制，僅適用於單側顱骨切開術，對於接受雙側顱骨切開術的病人無法提供有效的重建。

或是，病人因受傷或病變，而需以外科切除手術，將身體的某一部位(如鼻部軟骨組織或乳房)切除，而形成一缺損部位，使得病人的外觀有所改變而不完整，此時，需要藉由整形外科手術在缺損部位重建一人工植入物，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貌進行製作，因此，病人的外觀仍有所改變，人工植入物依然有無法有效密合、外觀改變…等問題。

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造成外觀改變、無法完全密合及無法提供雙側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方法，係取得手術部位的術前三維體積影像，並據以分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，並據以分離出具有目標物的術後目標物影像，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：

(1)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側顱骨切開術或多缺損部位的病人。

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

(S80)根據三維模點座標7製成與缺損部位20相同造型的一人工植入物。

請參閱第10圖，係為本發明之一實施例的之修補後的三維重建示意圖。圖中，係在術後三維體積影像4之缺損部位，置入依照三維模點座標7重建該人工植入物的一模擬影像。由於，人工植入物係依照缺損部位20的三維模點座標7所製成的，因此，人工植入物與缺損部位20的相似度非常高，故，若在缺損部位20植入此人工植入物，缺損部位20與人工植入物8的密合度極佳，使得手術部位的外觀與手術前的外觀幾乎沒有任何差異。

在本發明之一實施例中，術前三維體積影像1係病人在手術前(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0.47mm*0.47mm*5mm(切面厚度)，請參閱第11圖。術後三維體積影像2是病人在手術後的高解析度電腦斷層影像，其矩陣大小為512*512(像素)*184(切面張數)、像素大小為0.49mm*0.49mm*0.63mm，請參閱第12圖。由於術前三維體積影像1的切面張數為32張，且每張切面的厚度較厚(切面厚度為5mm)，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。

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：

(S301)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)；

(S302)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，而形成一術前重新取樣影像；

(S303)對術前重新取樣影像使用一閥值法(thresholding)，分辨目標物與背景，並以二值化法將術前重新取樣影像轉換成術前二值化影像11(如第14圖所示)，術前二值化影像11中數值等於1者即為目標物(如：頭骨)，等於0者視為背景；以及

(S304)使用主動式輪廓法去除術前二值化影像11中受部分體積效應影響所產生的假影，藉以取得術前目標物影像3(第4圖所示)。

由於，術前二值化影像11中的輪廓並非為封閉狀，因此，在此實施例中，當使用主動式輪廓法去除術前二值化影像11的假影之前，係分別先將術前二值化影像11中的一部份的目標物(如：頭顱的矢狀切面及冠狀切面的術前二值化影像11的上半部)的輪廓，以鏡像法構成一封閉輪廓(如第15圖所示)，再對封閉輪廓的內緣及外緣執行主動式輪廓法，用以產生術前目標物影像3。

在此實施例中，當對術前二值化影像11的目標物(如：頭骨)內緣執行主動式輪廓法前，係先對術前二值化影像11執行兩個像素的影像擴張(Image Dilation)；另當對術前二值化影像11的目標物(如：頭骨)外緣執行主動式輪廓法前，係先對術前二值化影像11執行兩個像素的影像侵蝕(Image Erosion)，以達到包覆術前二值化影像11的內凹輪廓而非外凸輪廓，產生術前目標物影像3(如第4圖所示)。

綜上所述，術前三維體積影像1依上述各步驟的處理，即可取得與術後目標物影像4相同規格的術前目標物影像3。

在本發明上述的實施例中，主動式輪廓法的參數設定有疊代次數、步距、彈性(elasticity)及堅硬度(rigidity)等，其中疊代次數為200次、步距為0.1、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：

(S401)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

(S402)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0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：CT值，其單位是Hounsfield unit(HU)。)表示，而各種組織物的CT值介於一定的範圍內，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1400~3000HU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1400~3000HU。

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：

(S501)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)；

(S502)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值，則進行步驟(S505)，否則進行步驟(S503)；

(S503)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；

(S504)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

(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(Powell method)，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：

(S601)計算對位影像5中，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)；

(S602)對初步影像51的上半部使用第一結構矩陣，進行影像侵蝕(erosion)與擴張(dilation)，以及對初步影像51的下半部使用第二結構矩陣，進行影像侵蝕與擴張，藉以去除初步影像中細微的差值部分，產生一個二次影像52(如第21圖所示)，其中第一結構矩陣比第二結構矩陣的矩陣行列數多；

(S603)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)以人工擦除法去除三次影像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)。

在此又另一實施例中，第一結構矩陣係為5×5矩陣，其矩陣內容如下所示：

第二結構矩陣係為3×3矩陣，其矩陣內容如下所示：

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：

(S701)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；

(S702)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中，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，在本發明中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側顱骨切開手術為例，但並不侷限本發明僅能應用在單側顱骨切開手術，本發明亦可使用在雙側顱骨重建手術，如第25圖所示，圖中，左側係為顱骨的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。

1．．．術前三維體積影像

11．．．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

6．．．差值影像

7．．．三維模點座標

8．．．雙側缺損部位的三維模點座標

S10~S80．．．步驟

S301~S304．．．步驟

S401~S402．．．步驟

S501~S505．．．步驟

S601~S604．．．步驟

以及

S701~S702．．．步驟

第1圖　係本發明製作人工植入物之方法之流程示意圖；

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示意圖；

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示意圖；

第6圖　係本發明之一實施例之一對位影像的矢狀切面示意圖；

第7圖　係本發明之一實施例之一對位影像的水平切面示意圖；

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疊放在術前目標物影像的示意圖；

第19圖　係本發明之又一實施例之從對位影像產生差值影像的流程圖；

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。

S10~S80．．．步驟

Claims

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；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。
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。
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廓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內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。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中當對該術前二值化影像的該封閉輪廓的內側執行該主動式輪廓法時，係對該術前二值化影像執行兩個像素的影像擴張。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中當對該術前二值化影像的該封閉輪廓的外側執行該主動式輪廓法時，係對該術前二值化影像執行兩個像素的影像侵蝕。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該主動式輪廓法的參數設定包括一疊代次數、一步距、一彈性及一堅硬度。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該疊代次數為200次。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該步距為0.1。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該彈性為空間離散程度的平方。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該堅硬度為空間離散程度的四次方。
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中從該術後三維體積影像產生該術後目標物影像的步驟，包括：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0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。
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。
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；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。
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。
如申請專利範圍第13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。
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。
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標物的差值，以產生一初步影像；對該初步影像進行影像侵蝕與擴張，藉以去除相減影像中細微的差值部分，產生一二次影像；使用一三維的區域成長法，去除該二次影像中非屬缺損部位的不相連結的部分，以分別產生一三次影像；以及以一人工擦除法去除該三次影像中非屬該缺損部位的不相連結的部分，即產生該差值影像。
如申請專利範圍第17項所述之方法，其中當對各該初步影像進行影像侵蝕與擴張時，係對該初步影像的上半部使用一第一結構矩陣，進行影像侵蝕與擴張，以及對該初步影像的下半部使用一第二結構矩陣，進行影像侵蝕與擴張。
如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該第一結構矩陣係為5×5矩陣，其矩陣內容如下所示：
如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該第二結構矩陣係為3×3矩陣，其矩陣內容如下所示：
如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該差值影像係以一行進方塊法，建立對應該缺損部位的初始三維模點座標。
如申請專利範圍第21項所述之方法，其中該初始三維模點座標以一表面拉普拉斯法進行表面平滑化處理，產生平滑的該三維模點座標。