辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法与其计算机.pdf

本发明一种辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机包括储存有医疗影像的储存装置以及中央处理器，其中中央处理器可执行辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法。辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法包括：取得医疗图像；依据医疗图像建立头颅模型；接收补片设定命令，并依据补片设定命令于头颅模型上配置补片模型；产生配置补片模型的头颅模型的内部网格数据；依据配置补片模型的头颅模型、内部网格数据以及边界条件，进行补片结构强度仿真；以及提供补片模型的应力分布、应变分布或是位移分布，以辅助判断。

权利要求书一种辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，包括：
取得一医疗图像；
依据该医疗图像建立一头颅模型；
接收一补片设定命令，并依据该补片设定命令于该头颅模型上配置一补片模型；
产生配置该补片模型的该头颅模型的一内部网格数据；
依据配置该补片模型的该头颅模型、该内部网格数据以及一边界条件，进行一补片结构强度仿真，以得到该补片模型的一应力分布、一应变分布或是一位移分布；以及
提供该补片模型的该应力分布、该应变分布或是该位移分布，以辅助判断。
如权利要求1所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该医疗图像为医学数字成像与通信的文件。
如权利要求1所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该医疗图像依据头颅部位的计算机断层扫描获得。
如权利要求1所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该依据该医疗图像建立该头颅模型的步骤包括：
以一图像分割手段处理该医疗图像，以得到一头颅图像分割区；以及
以一移动立方算法建立与该头颅图像分割区对应的该头颅模型。
如权利要求1所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该头颅模型以及该补片模型为一三维模型。
如权利要求1所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该补片模型包括多个固定组件，该补片设定命令包括一固定点个数、每一该固定组件的一固定点位置以及一固定角度。
如权利要求6所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该固定点个数、该些固定点位置以及该些固定角度为多个默认值。
如权利要求1所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该边界条件包括一颅内压以及一负荷外力。
如权利要求1所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法，其特征在于，该头颅模型以及该补片模型包括多个坐标点，每一该坐标点对应一应力值、一应变值以及一位移值，且该辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法另包括：
当任一该坐标点的该应力值大于一应力门坎值，任一该坐标点的该应变值大于一应变门坎值，或任一该坐标点的该位移值大于一位移门坎值时，发出一警告讯息。
一种辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，包括：
一储存装置，储存有一医疗影像；以及
一中央处理器，包括：
取得该医疗图像的模块；
依据该医疗图像建立一头颅模型的模块；
接收一补片设定命令，并依据该补片设定命令于该头颅模型上配置一补片模型的模块；
产生配置该补片模型的该头颅模型的一内部网格数据的模块；
依据配置该补片模型的该头颅模型、该内部网格数据以及一边界条件，进行一补片结构强度仿真，以得到该补片模型的一应力分布、一应变分布或是一位移分布的模块；以及
提供该补片模型的该应力分布、该应变分布或是该位移分布，以辅助判断的模块。
如权利要求10所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该医疗图像为医学数字成像与通信的文件。
如权利要求10所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该医疗图像依据头颅部位的计算机断层扫描获得。
如权利要求10所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该依据该医疗图像建立该头颅模型的模块包括：
以一图像分割手段处理该医疗图像，以得到一头颅图像分割区的模块；以及
以一移动立方算法建立与该头颅图像分割区对应的该头颅模型的模块。
如权利要求10所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该头颅模型以及该补片模型为一三维模型。
如权利要求10所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该补片模型包括多个固定组件，该补片设定命令包括一固定点个数、每一该固定组件的一固定点位置以及一固定角度。
如权利要求15所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该固定点个数、该些固定点位置以及该些固定角度为多个默认值。
如权利要求10所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该边界条件包括一颅内压以及一负荷外力。
如权利要求10所述的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，其特征在于，该头颅模型以及该补片模型包括多个坐标点，每一该坐标点对应一应力值、一应变值以及一位移值，且该辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机进一步包括：
当任一该坐标点的该应力值大于一应力门坎值，任一该坐标点的该应变值大于一应变门坎值，或任一该坐标点的该位移值大于一位移门坎值时，发出一警告讯息的模块。

说明书辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法与其计算机
技术领域
本发明关于一种用于辅助方法与其计算机，特别是一种辅助判断颅颜手术(Craniofacial Surgery)的补片固定强度的方法与其计算机。
背景技术
医疗上病患遭遇意外事故造成颅骨颜面受损、脑部病变需要进行开颅手术、或是颜面整形美容等情况均会进行颅颜手术。当颅颜手术治疗完成后，需将取出的颅骨骨片(Bone flap)或是整形所需人工补片置回并做适当的固定。临床上要置回的补片因为手术破损的区域及大小形状不同，因此每个补片固定的位置与方式也不尽相同。但置回的补片于术后有可能会固定强度不足发生补片松动或下陷的情形，不仅影响术后美观甚至会危急补片保护头颅的功能。
且在生医力学模拟分析及模拟手术骨材植入物相关研究上，人体三维模型几何外形复杂，且难以由图像处理转换到结构分析程序。因此无法真实模拟手术的过程，也难以进行术前评估。医师在进行颅颜手术之前只能凭着自身经验判断固定骨片的方式以及可能产生的风险，不但对医师的负担大，对病患而言更是缺乏保障。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种辅助判断颅颜手术(Craniofacial Surgery)的补片固定强度的方法及其计算机。辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机包括储存有一医疗图像的一储存装置以及一中央处理器(central processing unit，CPU)，其中中央处理器可执行辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法。辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法包括：取得医疗图像；依据医疗图像建立一头颅模型；接收一补片设定命令，并依据补片设定命令于头颅模型上配置一补片模型；产生配置补片模型的头颅模型的一内部网格数据；依据配置补片模型的头颅模型、内部网格数据以及一边界条件，进行一补片结构强度仿真，以得到补片模型的一应力分布、一应变分布或是一位移分布；以及提供补片模型的应力分布、应变分布或是位移分布，以辅助判断。
其中医疗图像可以是医学数字成像与通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)的文件，且医疗图像可以依据头颅部位的计算机断层扫描(computed tomography scan，CT scan)获得。而“依据医疗图像建立头颅模型”的步骤可包括：以一图像分割手段处理医疗图像，以得到一头颅图像分割区；以及以一移动立方算法建立与头颅图像分割区对应的头颅模型。建立出的头颅模型以及补片模型均可以是一三维模型。
根据一实施范例，补片模型可包括多个固定组件；补片设定命令则可包括一固定点个数、每一个固定组件的一固定点位置以及一固定角度。其中固定点个数、固定点位置以及固定角度可以是多个默认值。
其中头颅模型以及补片模型可包括多个坐标点，每一个坐标点对应一应力值、一应变值以及一位移值。且辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法亦可包括：当任一个坐标点的应力值大于一应力门坎值，任一个坐标点的应变值大于一应变门坎值，或任一个坐标点的位移值大于一位移门坎值时，发出一警告讯息。而用于补片结构强度仿真的边界条件可包括一颅内压以及一负荷外力。
本发明公开了一种辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机，包括：
一储存装置，储存有一医疗影像；以及
一中央处理器，包括：
取得该医疗图像的模块；
依据该医疗图像建立一头颅模型的模块；
接收一补片设定命令，并依据该补片设定命令于该头颅模型上配置一补片模型的模块；
产生配置该补片模型的该头颅模型的一内部网格数据的模块；
依据配置该补片模型的该头颅模型、该内部网格数据以及一边界条件，进行一补片结构强度仿真，以得到该补片模型的一应力分布、一应变分布或是一位移分布的模块；以及
提供该补片模型的该应力分布、该应变分布或是该位移分布，以辅助判断的模块。
该依据该医疗图像建立该头颅模型的模块包括：以一图像分割手段处理该医疗图像，以得到一头颅图像分割区的模块；以及以一移动立方算法建立与该头颅图像分割区对应的该头颅模型的模块。
该头颅模型以及该补片模型包括多个坐标点，每一该坐标点对应一应力值、一应变值以及一位移值，且该辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机进一步包括：当任一该坐标点的该应力值大于一应力门坎值，任一该坐标点的该应变值大于一应变门坎值，或任一该坐标点的该位移值大于一位移门坎值时，发出一警告讯息的模块。
综上所述，辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法及其计算机藉由医疗图像健一头颅模型，并可供使用者自行设定在补片模型在头颅模型中的固定方式，再对补片模型进行补片结构强度仿真。使用者可参考作为模拟结果的供应力分布、应变分布或是位移分布，进而判断目前的固定方式是否适当。此外本方法及计算机已整合医疗图像处理技术、分析模型建构流程及有限元素法的仿真分析等各种技术。因此使用者仅需提供建立模型所需的数据并指定固定方法与边界条件，便可简单地得到分析模拟结果，十分快速且简便。
附图说明
图1为一实施范例的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机的示意图；
图2为一实施范例的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法的流程图；
图3为一实施范例的步骤S200的流程图；
图4为一实施范例的头颅模型的示意图；
图5为一实施范例的补片模型的示意图；
图6为一实施范例的内部网格数据的示意图；
图7为一实施范例的应力分布的示意图；
图8为一实施范例的应力分布的示意图；
图9为另一实施范例的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法的流程图。
其中，附图标记：
20    辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机
22    储存装置
24    中央处理器
26    显示器
30    头颅模型
32    补片模型
34    固定组件
36    内部网格数据
40    应力分布
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域的技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求保护范围及附图，任何本领域的技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
本发明提供一种辅助判断颅颜手术(Craniofacial Surgery)的补片固定强度的方法与其计算机，其可产生配置有一补片模型的一头颅模型的一应力分布。产生的应力分布可协助医师或医疗人员等使用者在进行颅骨修补手术之前，先行判断补片模型的固定强度以及其配置是否适当。
请参照图1以及图2，其为根据本发明一实施范例的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机的方块图，以及辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法的流程图。辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机20(简称为计算机20)可包括一储存装置22、一中央处理器24以及一显示器26，且计算机20可以是桌上型计算机、服务器或是高速计算主机等计算机设备。
中央处理器24首先需取得病患的一医疗图像(medical image)(步骤S100)，其中医疗图像可以是医学数字成像与通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)格式的文件。DICOM是一个通用的标准协议，用于医学图像的处理、储存、打印、传输上。它包含了文件格式的定义及网络通信协议，其中在网络上是以TCP/IP为基础的应用协议，并以TCP/IP联系各个系统。两个能接受DICOM格式的医疗仪器间，可藉由DICOM格式的文件，来接收与交换图像及病患数据。因此DICOM格式的医疗图像可以整合应用于不同厂商的医疗图像仪器、服务器、工作站、打印机和网络设备。取得的医疗图像可依据病患的头颅部位的计算机断层扫描(computed tomography scan，CT scan)获得。而医疗图像可储存于储存装置22以作为输入数据。
得到医疗图像之后，接着依据医疗图像建立头颅模型(步骤S200)。请同时参照图3，其为根据本发明一实施范例的步骤S200的流程图。为了建立头颅模型，可先以一图像分割(thresholding segmentation)手段处理医疗图像，以得到一头颅图像分割区(步骤S210)。将原始的医疗图像去除头颅图像以外其它的部分后，便可得到单纯的头颅图像分割区。再以移动立方(Marching Cubes)算法处理头颅图像分割区后，便可建立与头颅图像分割区对应的头颅模型(步骤S220)。而依据医疗图像建立的头颅模型可以是一三维模型(three dimensional model)，如图4所示。三维的头颅模型30可供使用者自由旋转或缩放以利观察。
接着中央处理器24可以从储存装置22中将补片模型32加载，且补片模型32也可以是三维模型。补片模型32所表示的补片可以例如是在颅颜手术时暂时取出的颅骨骨片(Bone flap)、用以填补颅骨受伤的病患的人工骨片，或是用于整形美容手术所使用的人工补片。
于颅骨修补手术的技术之中，可利用镜射法或是样版法得到所需的补片模型32。镜射法是利用颅骨外形左右对称的特性，透过对称中线将正常侧的颅骨外形镜射到破损的区域；其中此外形将可利用于破损区域修补的参考外形。样版法则是针对破损区域跨越对称中线或破损范围较大的情形，透过正常完整颅骨外形的数据与破损区域重迭，将可分割出破损区域的几何外形。计算机20可将产生的补片模型32与头颅模型30一起加载，并透过一图形使用者接口(Graphical User Interface，GUI)显示给使用者。
为了将补片模型32依照使用者指定的方式配置于头颅模型30上，中央处理器24可透过GUI接收一补片设定命令，并依据补片设定命令于头颅模型30上配置补片模型32(步骤S300)。其中补片模型32可包括多个固定组件34，而补片设定命令可包括一固定点个数、每一个固定组件34的一固定点位置以及每一个固定组件34的一固定角度。固定组件34可以是骨钉或骨板，并不对其材料以及形状进行限制。例如可以是直形的骨钉，亦可是花形的骨板。
请参照图5，其为一实施范例的补片模型的示意图。于图5的实施范例之中，GUI仅显示补片模型32的部分，但亦可一并显示完整的头颅模型30，或与补片模型32周围接触的部分头颅模型30。使用者可透过GUI指定每一个固定组件34的固定点位置以及固定角度等参数，以仿真手术过程中固定组件34的配置，并可在后续步骤对不同的固定方式进行一补片结构强度仿真。
根据一实施范例，固定点个数、固定点位置以及固定角度可以都是多个默认值。辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法可以主动提供预设的固定状态给使用者作为参考。例如针对面积较大的补片模型32，可预设有三个固定组件34分别配置于补片模型32的边缘成正三角形。
依照补片设定命令配置好补片模型32以及固定组件34之后，中央处理器24产生配置了补片模型32的头颅模型30的一内部网格数据(步骤S400)。请参照图6，其为一实施范例的内部网格数据的示意图。
内部网格数据36可以是利用网格建制软件处理头颅模型30后得到。为了要依据头颅模型30、补片模型32以及固定组件34等对象进行补片结构强度仿真，需建构此这些对象在空间中的数据。于步骤S400中，计算机20在这些对象中填入内部网格数据36。内部网格数据36可包括填满这些对象内部的多个网格，且每个网格对应到一坐标点。
接着依据配置补片模型32的头颅模型30、内部网格数据36以及一边界条件，进行补片结构强度仿真，以得到配置补片模型32的头颅模型30的应力分布、一应变分布或是一位移分布(步骤S500)。边界条件可包括一颅内压以及一负荷外力。举例而言，颅内压可以是从补片内侧施加压力，其大小例如是10‑15毫米水银柱(mmHg)；负荷外力可以是从外侧对补片模型32中央施加的外力，其大小例如是50牛顿向量。补片结构强度仿真利用有限元素法进行力学的应力模拟分析，以判断内部网格数据36在每个坐标点上所受的应力。
在补片结构强度仿真进行结构分析求解以及力学分析后，提供补片模型32的应力分布、应变分布或是位移分布，以辅助判断(步骤S600)。请参照图7，其为一实施范例的应力分布的示意图。透过GUI，使用者可清楚看出补片模型32的应力分布40，并判断是否有应力不当集中于特定区域，而使得固定结构可能因负荷外力产生损毁的情形。且GUI也可将头颅模型30、补片模型32或固定组件34的各个部分的应力分布40、应变分布或是位移分布个别显示。例如于图8，虽然乍看之下头颅模型30、补片模型32以及固定组件34所受的应力相当平均，但由固定组件34单独的应力分布可见其仍承受了较大的应力。藉由这项功能，更可让医师观察细部的模拟结果。
请参照图9，为另一实施范例的辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法的流程图。
中央处理器24亦可判断是否有任一个坐标点的一应力值大于一应力门坎值，任一个坐标点的一应变值大于一应变门坎值，或任一个坐标点的一位移值大于一位移门坎值(步骤S710)。当任一个坐标点的应力值大于应力门坎值，任一个坐标点的应变值大于应变门坎值，或任一个坐标点的位移值大于位移门坎值时，发出一警告讯息(步骤S720)，以提醒医师。
根据又一实施范例，在步骤S600或是步骤S720之后可回到步骤S300。换句话说，可回到配置补片模型32以及固定组件34的步骤S300，重新修正固定点个数以及固定组件34的固定点位置与固定角度，以针对不同的固定方式重新进行模拟。
而计算机20之中可整合网格建构软件进行分析模型三维网格建立，采四面体元素进行网格分割；并将补片设定命令以及边界条件一并转送入网格建构软件进行求解文件的处理。且求解的部分可整合结构分析软件，以批次模式(batch mode)的方式结构分析求解。求解完成后再将分析得到的应力分布、应变分部或位移分布读入并透过GUI显示。其中网格建构软件例如可使用ANSYS ICEM CFD，结构分析软件则例如可使用ANSYS；但辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法并不限制实作时使用的软件。
应力分布、应变分部或位移分布提供给使用者之后，也可提供一般软件基本常用的后处理工具，让使用者可以透过鼠标旋转及放大缩小来检视分析的结果，并可做切割面(cutting plane)显示头颅模型30与补片模型32的内部结构的数值分析结果。
综上，与本发明的一种辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法对应的，本发明还公开了一种辅助判断颅颜手术的补片固定强度的装置，包括：
取得一医疗图像的模块；依据该医疗图像建立一头颅模型的模块；接收一补片设定命令，并依据该补片设定命令于该头颅模型上配置一补片模型的模块；产生配置该补片模型的该头颅模型的一内部网格数据的模块；依据配置该补片模型的该头颅模型、该内部网格数据以及一边界条件，进行一补片结构强度仿真，以得到该补片模型的一应力分布、一应变分布或是一位移分布的模块；以及提供该补片模型的该应力分布、该应变分布或是该位移分布，以辅助判断的模块。
该依据该医疗图像建立该头颅模型的模块包括：以一图像分割手段处理该医疗图像，以得到一头颅图像分割区的模块；以及以一移动立方算法建立与该头颅图像分割区对应的该头颅模型的模块。
该头颅模型以及该补片模型包括多个坐标点，每一该坐标点对应一应力值、一应变值以及一位移值，且该辅助判断颅颜手术的补片固定强度的计算机进一步包括：当任一该坐标点的该应力值大于一应力门坎值，任一该坐标点的该应变值大于一应变门坎值，或任一该坐标点的该位移值大于一位移门坎值时，发出一警告讯息的模块。
综上所述，辅助判断颅颜手术的补片固定强度的方法及其计算机藉由医疗图像建立一头颅模型，并可提供GUI供使用者自行设定在头颅模型中配置与固定补片模型的各种参数。且可对配置好的头颅模型以及补片模型进行补片结构强度仿真，以提供应力分布、应变分布或是位移分布给使用者参考，而能辅助使用者判断目前的固定方式是否适当。因此使用者可藉由本方法于进行手术之前先进行各种固定方式的结构强度评估。透过可视化展示单元及重新修正补片模型的固定方式，可得到最理想的固定强度的补片配置方式。
再者，本方法整合医疗图像处理技术、分析模型建构流程及有限元素法的仿真分析程序，因此可进行整个手术仿真及分析求解的程序。故本方法能解决分析软件前处理及生物几何模型建构困难的问题，并降低软件操作及边界条件设定的繁琐设定。