TWI549011B - 輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法與其計算機 - Google Patents

Description

輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法與其計算機

本發明係關於一種用於輔助方法與其計算機，特別是一種輔助判斷顱顏手術(Craniofacial Surgery)的補片固定強度的方法與其計算機。

醫療上病患遭遇意外事故造成顱骨顏面受損、腦部病變需要進行開顱手術、或是顏面整形美容等情況均會進行顱顏手術。當顱顏手術治療完成後，需將取出的顱骨骨片(Bone flap)或是整形所需人工補片置回並做適當的固定。臨床上要置回的補片因為手術破損的區域及大小形狀不同，因此每個補片固定的位置與方式也不盡相同。但置回的補片於術後有可能會固定強度不足發生補片鬆動或下陷的情形，不僅影響術後美觀甚至會危急補片保護頭顱的功能。

且在生醫力學模擬分析及模擬手術骨材植入物相關研究上，人體三維模型幾何外形複雜，且難以由影像處理轉換到結構分析程序。因此無法真實模擬手術的過程，也難以進行術前評估。醫師在進行顱顏手術之前只能憑著自身經驗判斷固定骨片的方式以及可能產生的風險，不但對醫師的負擔大，對病患而言更是缺乏保障。

為了解決上述問題，本發明提供一種輔助判斷顱顏手術(Craniofacial Surgery)的補片固定強度的方法及其計算機。輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機包括儲存有一醫療影像的一儲存裝置以及一中央處理器(central processing unit，CPU)，其中中央處理器可執行輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法。輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法包括：取得醫療影像；依據醫療影像建立一頭顱模型；接收一補片設定命令，並依據補片設定命令於頭顱模型上配置一補片模型；產生配置補片模型的頭顱模型的一內部網格資料；依據配置補片模型的頭顱模型、內部網格資料以及一邊界條件，進行一補片結構強度模擬，以得到補片模型的一應力分佈、一應變分佈或是一位移分佈；以及提供補片模型的應力分佈、應變分佈或是位移分佈，以輔助判斷。

其中醫療影像可以是醫學數位成像與通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)的檔案，且醫療影像可以依據頭顱部位的電腦斷層掃描(computed tomography scan，CT scan)獲得。而「依據醫療影像建立頭顱模型」的步驟可包括：以一影像分割手段處理醫療影像，以得到一頭顱影像分割區；以及以一移動立方演算法建立與頭顱影像分割區對應的頭顱模型。建立出的頭顱模型以及補片模型均可以是一三維模型。

根據一實施範例，補片模型可包括多個固定元件；補片設定命令則可包括一固定點個數、每一個固定元件的一固定點位置以及一固定角度。其中固定點個數、固定點位置以及固定角度可以是多個預設值。

其中頭顱模型以及補片模型可包括多個座標點，每一個座標點對應一應力值、一應變值以及一位移值。且輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法亦可包括：當任一個座標點的應力值大於一應力門檻值，任一個座標點的應變值大於一應變門檻值，或任一個座標點的位移值大於一位移門檻值時，發出一警告訊息。而用於補片結構強度模擬的邊界條件可包括一顱內壓以及一負荷外力。

綜上所述，輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法及其計算機藉由醫療影像健一頭顱模型，並可供使用者自行設定在補片模型在頭顱模型中的固定方式，再對補片模型進行補片結構強度模擬。使用者可參考作為模擬結果之供應力分佈、應變分佈或是位移分佈，進而判斷目前的固定方式是否適當。此外本方法及計算機已整合醫療影像處理技術、分析模型建構流程及有限元素法之模擬分析等各種技術。因此使用者僅需提供建立模型所需的數據並指定固定方法與邊界條件，便可簡單地得到分析模擬結果，十分快速且簡便。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

本發明提供一種輔助判斷顱顏手術(Craniofacial Surgery)的補片固定強度的方法與其計算機，其可產生配置有一補片模型的一頭顱模型的一應力分佈。產生的應力分佈可協助醫師或醫療人員等使用者在進行顱骨修補手術之前，先行判斷補片模型的固定強度以及其配置是否適當。

請參照「第1圖」以及「第2圖」，其係為根據本發明一實施範例之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機之方塊圖，以及輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法之流程圖。輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機20(簡稱為計算機20)可包括一儲存裝置22、一中央處理器24以及一顯示器26，且計算機20可以是桌上型電腦、伺服器或是高速計算主機等計算機設備。

中央處理器24首先需取得病患的一醫療影像(medical image)(步驟S100)，其中醫療影像可以是醫學數位成像與通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)格式的檔案。DICOM是一個通用的標準協定，用於醫學影像的處理、儲存、列印、傳輸上。它包含了檔案格式的定義及網路通信協定，其中在網路上是以TCP/IP為基礎的應用協定，並以TCP/IP聯繫各個系統。兩個能接受DICOM格式的醫療儀器間，可藉由DICOM格式的檔案，來接收與交換影像及病患資料。因此DICOM格式的醫療影像可以整合應用於不同廠商的醫療影像儀器、伺服器、工作站、列印機和網路設備。取得之醫療影像係可依據病患的頭顱部位的電腦斷層掃描(computed tomography scan，CT scan)獲得。而醫療影像可儲存於儲存裝置22以作為輸入資料。

得到醫療影像之後，接著依據醫療影像建立頭顱模型(步驟S200)。請同時參照「第3圖」，其係為根據本發明一實施範例之步驟S200之流程圖。為了建立頭顱模型，可先以一影像分割(thresholding segmentation)手段處理醫療影像，以得到一頭顱影像分割區(步驟S210)。將原始的醫療影像去除頭顱影像以外其他的部分後，便可得到單純的頭顱影像分割區。再以移動立方(Marching Cubes)演算法處理頭顱影像分割區後，便可建立與頭顱影像分割區對應的頭顱模型(步驟S220)。而依據醫療影像建立之頭顱模型可以是一三維模型(three dimensional model)，如「第4圖」所示。三維的頭顱模型30可供使用者自由旋轉或縮放以利觀察。

接著中央處理器24可以從儲存裝置22中將補片模型32載入，且補片模型32也可以是三維模型。補片模型32所表示的補片可以例如是在顱顏手術時暫時取出的顱骨骨片(Bone flap)、用以填補顱骨受傷之病患的人工骨片，或是用於整形美容手術所使用的人工補片。

於顱骨修補手術的技術之中，可利用鏡射法或是樣版法得到所需的補片模型32。鏡射法是利用顱骨外形左右對稱的特性，透過對稱中線將正常側的顱骨外形鏡射到破損的區域；其中此外形將可利用於破損區域修補的參考外形。樣版法則是針對破損區域跨越對稱中線或破損範圍較大的情形，透過正常完整顱骨外形的資料與破損區域重疊，將可分割出破損區域的幾何外形。計算機20可將產生的補片模型32與頭顱模型30一起載入，並透過一圖形使用者介面(Graphical User Interface，GUI)顯示給使用者。

為了將補片模型32依照使用者指定的方式配置於頭顱模型30上，中央處理器24可透過GUI接收一補片設定命令，並依據補片設定命令於頭顱模型30上配置補片模型32(步驟S300)。其中補片模型32可包括多個固定元件34，而補片設定命令可包括一固定點個數、每一個固定元件34的一固定點位置以及每一個固定元件34的一固定角度。固定元件34可以是骨釘或骨板，並不對其材料以及形狀進行限制。例如可以是直形的骨釘，亦可是花形的骨板。

請參照「第5圖」，其係為一實施範例之補片模型之示意圖。於「第5圖」的實施範例之中，GUI僅顯示補片模型32的部分，但亦可一併顯示完整的頭顱模型30，或與補片模型32周圍接觸的部分頭顱模型30。使用者可透過GUI指定每一個固定元件34的固定點位置以及固定角度等參數，以模擬手術過程中固定元件34的配置，並可在後續步驟對不同的固定方式進行一補片結構強度模擬。

根據一實施範例，固定點個數、固定點位置以及固定角度可以都是多個預設值。輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法可以主動提供預設的固定狀態給使用者作為參考。例如針對面積較大的補片模型32，可預設有三個固定元件34分別配置於補片模型32的邊緣成正三角形。

依照補片設定命令配置好補片模型32以及固定元件34之後，中央處理器24產生配置了補片模型32的頭顱模型30的一內部網格資料(步驟S400)。請參照「第6圖」，其係為一實施範例之內部網格資料之示意圖。

內部網格資料36可以是利用網格建製軟體處理頭顱模型30後得到。為了要依據頭顱模型30、補片模型32以及固定元件34等物件進行補片結構強度模擬，需建構此這些物件在空間中的資料。於步驟S400中，計算機20在這些物件中填入內部網格資料36。內部網格資料36可包括填滿這些物件內部的多個網格，且每個網格對應到一座標點。

接著依據配置補片模型32的頭顱模型30、內部網格資料36以及一邊界條件，進行補片結構強度模擬，以得到配置補片模型32的頭顱模型30的應力分佈、一應變分佈或是一位移分佈(步驟S500)。邊界條件可包括一顱內壓以及一負荷外力。舉例而言，顱內壓可以是從補片內側施加壓力，其大小例如是10-15毫米水銀柱(mmHg)；負荷外力可以是從外側對補片模型32中央施加的外力，其大小例如是50牛頓向量，。補片結構強度模擬係利用有限元素法進行力學的應力模擬分析，以判斷內部網格資料36在每個座標點上所受的應力。

在補片結構強度模擬進行結構分析求解以及力學分析後，提供補片模型32的應力分佈、應變分佈或是位移分佈，以輔助判斷(步驟S600)。請參照「第7圖」，其係為一實施範例之應力分佈之示意圖。透過GUI，使用者可清楚看出補片模型32的應力分佈40，並判斷是否有應力不當集中於特定區域，而使得固定結構可能因負荷外力產生損毀的情形。且GUI也可將頭顱模型30、補片模型32或固定元件34的各個部分的應力分佈40、應變分佈或是位移分佈個別顯示。例如於「第8圖」，雖然乍看之下頭顱模型30、補片模型32以及固定元件34所受的應力相當平均，但由固定元件34單獨的應力分佈可見其仍承受了較大的應力。藉由這項功能，更可讓醫師觀察細部的模擬結果。

請參照「第9圖」，其係為另一實施範例之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法之流程圖。

中央處理器24亦可判斷是否有任一個座標點的一應力值大於一應力門檻值，任一個座標點的一應變值大於一應變門檻值，或任一個座標點的一位移值大於一位移門檻值(步驟S710)。當任一個座標點的應力值大於應力門檻值，任一個座標點的應變值大於應變門檻值，或任一個座標點的位移值大於位移門檻值時，發出一警告訊息(步驟S720)，以提醒醫師。

根據又一實施範例，在步驟S600或是步驟S720之後可回到步驟S300。換句話說，可回到配置補片模型32以及固定元件34的步驟S300，重新修正固定點個數以及固定元件34的固定點位置與固定角度，以針對不同的固定方式重新進行模擬。

而計算機20之中可整合網格建構軟體進行分析模型三維網格建立，採四面體元素進行網格分割；並將補片設定命令以及邊界條件一併轉送入網格建構軟體進行求解檔案的處理。且求解的部分可整合結構分析軟體，以批次模式(batch mode)的方式結構分析求解。求解完成後再將分析得到的應力分佈、應變分部或位移分佈讀入並透過GUI顯示。其中網格建構軟體例如可使用ANSYS ICEM CFD，結構分析軟體則例如可使用ANSYS；但輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法並不限制實作時使用的軟體。

應力分佈、應變分部或位移分佈提供給使用者之後，也可提供一般軟體基本常用的後處理工具，讓使用者可以透過滑鼠旋轉及放大縮小來檢視分析的結果，並可做切割面(cutting plane)顯示頭顱模型30與補片模型32的內部結構的數值分析結果。

綜上所述，輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法及其計算機藉由醫療影像建立一頭顱模型，並可提供GUI供使用者自行設定在頭顱模型中配置與固定補片模型的各種參數。且可對配置好的頭顱模型以及補片模型進行補片結構強度模擬，以提供應力分佈、應變分佈或是位移分佈給使用者參考，而能輔助使用者判斷目前的固定方式是否適當。因此使用者可藉由本方法於進行手術之前先進行各種固定方式的結構強度評估。透過視覺化展示單元及重新修正補片模型之固定方式，可得到最理想之固定強度的補片配置方式。

再者，本方法整合醫療影像處理技術、分析模型建構流程及有限元素法之模擬分析程序，因此可進行整個手術模擬及分析求解的程序。故本方法能解決分析軟體前處理及生物幾何模型建構困難的問題，並降低軟體操作及邊界條件設定的繁瑣設定。

以上較佳具體實施範例之詳述，是希望藉此更加清楚描述本發明之特徵與精神，並非以上述揭露的較佳具體實施範例對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望將各種改變及具相等性的安排涵蓋於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

20．．．輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機

22．．．儲存裝置

24．．．中央處理器

26．．．顯示器

30．．．頭顱模型

32．．．補片模型

34．．．固定元件

36．．．內部網格資料

40．．．應力分佈

第1圖係為一實施範例之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機之示意圖。

第2圖係為一實施範例之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法之流程圖。

第3圖係為一實施範例之步驟S200之流程圖。

第4圖係為一實施範例之頭顱模型之示意圖。

第5圖係為一實施範例之補片模型之示意圖。

第6圖係為一實施範例之內部網格資料之示意圖。

第7圖係為一實施範例之應力分佈之示意圖。

第8圖係為一實施範例之應力分佈之示意圖。

第9圖係為另一實施範例之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法之流程圖。

Claims (18)

1. 一種輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，包括：取得一醫療影像；依據該醫療影像建立一頭顱模型；接收一補片設定命令，並依據該補片設定命令於該頭顱模型上配置一補片模型；依據已配置該補片模型的該頭顱模型的一內部網格資料以及一邊界條件，對已配置該補片模型的該頭顱模型進行一補片結構強度模擬，以得到已配置該補片模型的該頭顱模型的一應力分佈、一應變分佈以及一位移分佈，其中該補片模型包括多個座標點，每一該座標點依據該應力分佈、該應變分佈以及該位移分佈分別對應一應力值、一應變值以及一位移值；提供該補片模型的該應力分佈、該應變分佈或是該位移分佈；以及判斷是否有任一個該座標點的該應力值大於一應力門檻值，任一個該座標點的該應變值大於一應變門檻值，或任一個該座標點的位移值大於一位移門檻值。
2. 如請求項第1項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該醫療影像係為醫學數位成像與通信的檔案。
3. 如請求項第1項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該醫療影像係依據頭顱部位的電腦斷層掃描獲 得。
4. 如請求項第1項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該依據該醫療影像建立該頭顱模型的步驟包括：以一影像分割手段處理該醫療影像，以得到一頭顱影像分割區；以及以一移動立方演算法建立與該頭顱影像分割區對應的該頭顱模型。
5. 如請求項第1項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該頭顱模型以及該補片模型係為一三維模型。
6. 如請求項第1項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該補片模型包括多個固定元件，該補片設定命令包括一固定點個數、每一該固定元件的一固定點位置以及一固定角度。
7. 如請求項第6項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該固定點個數、該些固定點位置以及該些固定角度係為多個預設值。
8. 如請求項第1項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該邊界條件包括一顱內壓以及一負荷外力。
9. 如請求項第1項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法，其中該頭顱模型包括多個座標點，該頭顱模型的每一該座標點對應該應力值、該應變值以及該位移值，且該輔 助判斷顱顏手術的補片固定強度的方法另包括：當任一該座標點的該應力值大於一應力門檻值，任一該座標點的該應變值大於一應變門檻值，或任一該座標點的該位移值大於一位移門檻值時，發出一警告訊息。
10. 一種輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，包括：一儲存裝置，儲存有一醫療影像；以及一中央處理器，執行以下步驟：取得該醫療影像；依據該醫療影像建立一頭顱模型；接收一補片設定命令，並依據該補片設定命令於該頭顱模型上配置一補片模型；依據已配置該補片模型的該頭顱模型的一內部網格資料以及一邊界條件，對已配置該補片模型的該頭顱模型進行一補片結構強度模擬，以得到已配置該補片模型的該頭顱模型的一應力分佈、一應變分佈以及一位移分佈，其中該補片模型包括多個座標點，每一該座標點依據該應力分佈、該應變分佈以及該位移分佈分別對應一應力值、一應變值以及一位移值；提供該補片模型的該應力分佈、該應變分佈或是該位移分佈；以及判斷是否有任一個該座標點的該應力值大於一應力門檻值，任一個該座標點的該應變值大於一應變門檻 值，或任一個該座標點的位移值大於一位移門檻值。
11. 如請求項第10項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，其中該醫療影像係為醫學數位成像與通信的檔案。
12. 如請求項第10項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，其中該醫療影像係依據頭顱部位的電腦斷層掃描獲得。
13. 如請求項第10項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，其中該依據該醫療影像建立該頭顱模型的步驟包括：以一影像分割手段處理該醫療影像，以得到一頭顱影像分割區；以及以一移動立方演算法建立與該頭顱影像分割區對應的該頭顱模型。
14. 如請求項第10項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，其中該頭顱模型以及該補片模型係為一三維模型。
15. 如請求項第10項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，其中該補片模型包括多個固定元件，該補片設定命令包括一固定點個數、每一該固定元件的一固定點位置以及一固定角度。
16. 如請求項第15項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度 的計算機，其中該固定點個數、該些固定點位置以及該些固定角度係為多個預設值。
17. 如請求項第10項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，其中該邊界條件包括一顱內壓以及一負荷外力。
18. 如請求項第10項所述之輔助判斷顱顏手術的補片固定強度的計算機，其中該頭顱模型包括多個座標點，該頭顱模型的每一該座標點對應該應力值、該應變值以及該位移值，且該中央處理器另執行以下步驟：當任一該座標點的該應力值大於一應力門檻值，任一該座標點的該應變值大於一應變門檻值，或任一該座標點的該位移值大於一位移門檻值時，發出一警告訊息。