专利名称：制作人工植入物的方法
技术领域：
本发明涉及一种制作人工植入物的方法，特别涉及依据手术前后的影像建立三维 模点坐标，并据此三维模点坐标制作人工植入物的方法。
背景技术：
目前，在临床神经外科中，病人在因脑部肿瘤、脑积水或其它病因导致颅内压过高 的情况下，常藉由颅骨切开术来降低颅内压力，而颅骨切开术所造成的头骨缺陷，则经由颅 骨重建手术来修复，在尽可能降低术后感染与恢复病人术前的头颅形状的前提下，重建出 缺损的头骨部分应尽可能与手术切口密合，且该头骨的外型(弧度与大小)应与病人原头 形相符。常见的颅骨修复方法是在病人接受单侧颅骨切开术的情况下，利用镜像的原理， 按该病人对侧完整颅骨的头形，重建出切开侧的缺损头骨，但此镜像颅骨重建法却遭遇三 个主要的问题(一 )个人头骨并非完全左右对称，镜像重建的方式无法还原出术前真实的头形， 造成病人外观的改变与不习惯；( 二)利用镜像的方式无法达到重建头骨与手术切口的有效密合，即使经由技士 的手动调整仍无法做到完全密合；(三)此法由于镜像取材的限制，仅适用于单侧颅骨切开术，对于接受双侧颅骨切 开术的病人无法提供有效的重建。另一种情况是，当病人因受伤或病变需进行外科切除手术时，将身体的某一部位 (如鼻部软骨组织或乳房)切除，而形成缺损部位，使得病人的外观有所改变而不完整，此 时，需要藉由整形外科手术在缺损部位重建人工植入物，以期还原病人的外观。但是，人工 植入物的轮廓形状，通常并未按照缺损部位原始样貌进行制作，因此，病人的外观仍有所改 变，人工植入物依然有无法有效密合、外观改变等问题。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种制作人工植入物的方法，以解 决镜像人工骨头修复后造成的外观改变、无法完全密合及无法提供双侧颅骨切开术的病人 重建人工骨头等问题。本发明采用的技术方案是，提出一种制作人工植入物的方法，该方法取得手术部 位的术前三维体积影像，并据此分离出具有目标物的术前目标物影像，取得手术部位的术 后三维体积影像，并据此分离出具有目标物的术后目标物影像，术后目标物影像相较于术 前目标物影像是目标物具有至少一缺损部位，将术前目标物影像与术后目标物影像进行对 位，产生对位影像，根据对位影像取得对应目标物的缺损部位的差值影像，根据差值影像建 立缺损部位的三维模点坐标，再根据三维模点坐标制成与缺损部位相同造型的人工植入 物。
本发明提出的制作人工植入物的方法具有下列优点1、当 人工植入物以重建手术被植入在病人的缺损部位后，病人的缺损部位重建手 术后的外观形状与术前的外观形状相似度高；2、人工植入物的轮廓形状与缺损部位相近似，使得人工植入物与缺损部位的密合
度高；3、人工植入物可被使用在双侧颅骨切开术或多缺损部位的病人。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，其中图1是本发明制作的人工植入物的方法流程示意图；图2是本发明一实施例中术前三维体积影像的矢状切面示意图；图3是本发明实施例中术后三维体积影像的矢状切面示意图；图4是本发明实施例中术前目标物影像的矢状切面示意图；图5是本发明实施例中术后目标物影像的矢状切面示意图；图6是本发明实施例中对位影像的矢状切面示意图；图7是本发明实施例中对位影像的水平切面示意图；图8是本发明实施例中差值影像示意图；图9是本发明实施例中三维模点坐标示意图；图10是本发明实施例中修补后的三维重建示意图；图11是本发明实施例中术前三维体积影像的低分辨率的三维重建示意图；图12是本发明实施例中术后三维体积影像的高分辨率三维重建示意图；图13是本发明实施例中术前三维体积影像中取得术前目标物影像的流程图；图14是本发明实施例中术前二值化影像的示意图；图15是本发明实施例中封闭轮廓的示意图；图16是本发明实施例中产生术后目标物影像的流程图；图17是本发明实施例中产生对位影像的流程图；图18是本发明实施例中术后目标物影像被迭放在术前目标物影像的示意图；图19是本发明实施例中从对位影像产生差值影像的流程图；图20是本发明实施例中初步影像的示意图；图21是本发明又一实施例的二次影像示意图；图22是本发明又另一实施例的三次影像示意图；图23是本发明又另一实施例的差值影像示意图；图24是本发明再另一实施例产生三维模点坐标的流程图；图25是本发明双侧颅骨重建手术修补过后的三维重建示意图。
具体实施例方式图1是本发明提出的一种制作人工植入物的方法的流程示意图。该方法根据下列 步骤制作人工植入物(SlO)取得术前三维体积影像1 (如图2所示)，术前三维体积影像1显示手术部位的目标物在缺损前的原始样貌；(S20)取得术后三维体积影像2 (如图3所示)，术后三维体积影像2显示手术部 位的目标物在缺损后的术后样貌，此术后样貌与原始样貌相比，目标物上具有至少一缺损 部位20 ； (S30)从术前三维体积影像1中取得术前目标物影像3 (如图4所示)，该术前目 标物影像3为目标物在缺损前(完整)的三维体积影像；(S40)从术后三维体积影像2取得术后目标物影像4 (如图5所示)，该术后目标 物影像4为目标物在缺损后具有缺损部位20的三维体积影像；(S50)将术前目标物影像3与术后目标物影像4进行对位，并产生对位影像5 (如 图6和图7所示)；(S60)从对位影像5中取出术前目标物影像3与术后目标物影像4对应目标物的 缺损部位的差值影像6 (如图8所示)；(S70)根据差值影像6建立缺损部位的三维模点坐标7 (如图9所示)；以及(S80)根据三维模点坐标7制成与缺损部位20相同造型的人工植入物。图10是本发明一实施例在修补后的三维重建示意图。图中，术后三维体积影像4 部位的缺损部位已经置入依照三维模点坐标7重建的人工植入物。由于，人工植入物是依 照缺损部位20的三维模点坐标7所制成的，因此，其与缺损部位20的相似度非常高，植入 后，缺损部位20与人工植入物8的密合度极佳，手术部位的外观与手术前的外观几乎没有 任何差异。在本发明的一个实施例中，术前三维体积影像1系病人在手术前(诊断时)的低 分辨率的计算机断层影像，其矩阵大小为512*512 (像素(Pixel))*32(切面张数)、像素大 小为0. 47mm*0. 47mm*5mm(切面厚度)，请参阅图11。术后三维体积影像2是病人在手术后 的高分辨率计算机断层影像，其矩阵大小为512*512 (像素)*184(切面张数)、像素大小为 0. 49mm*0. 49mm*0. 63mm，请参阅图12。由于术前三维体积影像1的切面张数为32张，且每 张切面的厚度较厚(切面厚度为5mm)，因此，低分辨率的术前三维体积影像1 (如图2所示) 容易产生部分体积效应(partial volume effect)，即图中呈阶梯状的部份。换言之，若术前三维体积影像1的分辨率比术后三维体积影像2的分辨率低，且术 前三维体积影像1的切面厚度比术后三维体积影像2的切面厚度大，即术前三维体积影像1 及术后三维体积影像2的影像规格不一致，将无法从术前三维体积影像1直接取得与术后 目标物影像4相同位置的术前目标物影像3。因此，在此实施例中，从术前三维体积影像1 中取得术前目标物影像3的步骤还包括(请参阅图13)(S301)调整术前三维体积影像1的亮度与对比度，使其适合分辨术前三维体积影 像1中的目标物(该实施例中以头骨为例，但不局限于此)；(S302)对术前三维体积影像1重新取样，藉以调整术前三维体积影像1的规格， 使得三维体积影像1的规格与术后三维体积影像2的规格相同，从而形成术前重新取样影 像；(S303)对术前重新取样影像使用阈值法(thresholding)，分辨目标物与背景，并 以二值化法将术前重新取样的影像转换成术前二值化影像11 (如图14所示)，术前二值化 影像11中数值等于1者即为目标物(如头骨)，等于0者视为背景；以及
(S304)使用主动式轮廓法去除术前二值化影像11中受部分体积效应影响所产生 的假影，藉以取得术前目标物影像3 (如图4所示)。由于术前二值化影像11中的轮廓并非为封闭状，因此，在此实施例中，当使用主 动式轮廓法去除术前二值化影像11的假影之前，分别先将术前二值化影像11中的一部份 的目标物(如头颅的矢状切面及冠状切面的术前二值化影像11的上半部)的轮廓，以镜 像法构成封闭轮廓(如图15所示)，再对封闭轮廓的内侧及外侧执行主动式轮廓法，用以产 生术前目标物影像3。在此实施例中，在对术前二值化影像11的目标物(如头骨)内侧执行主动式轮 廓法时，先对术前二值化影像11执行两个像素的影像扩张(Image Dilation)；在对术前二 值化影像11的目标物(如头骨)外侧执行主动式轮廓法时，先对术前二值化影像11执行 两个像素的影像侵蚀(Image Erosion)，以达到包覆术前二值化影像11的内凹轮廓而非外 凸轮廓，产生术前目标物影像3 (如图4所示)。综上所述，术 前三维体积影像1依上述各步骤的处理，即可取得与术后目标物影 像4相同规格的术前目标物影像3。在本发明的上述实施例中，主动式轮廓法的参数设定有迭代次数、步距、弹性 (elasticity)及坚硬度(rigidity)等，其中迭代次数为200次、步距为0. 1、弹性为空间离 散程度的平方及坚硬度为空间离散程度的四次方。在本发明的另一实施例中，请参阅图16，产生术后目标物影像4的流程包括下列 步骤(S401)调整术后三维体积影像2的亮度与对比度，使其适合分辨术后三维体积影 像2中的目标物(如头骨)；以及(S402)对术后三维体积影像2使用阈值法(thresholding)，以分辨目标物与背 景，并以二值化法将术后三维体积影像2转换成术后二值化影像，术后二值化影像中数值 等于1者即为目标物，等于0者视为背景，并以术后二值化影像作为术后目标物影像4。在本发明的上述各实施例中，术前三维体积影像1为计算机断层影像，而计算机 断层影像的亮度值是以计算机断层摄影值[Computed Tomography Value，简称CT值，其单 位是Hoimsfield unit (HU)]表示，而各种组织物的CT值介于一定的范围内，藉以区分出不 同的组织物，对缺损部位为骨头而言，其CT值介于1400HU-3000HU之间，因此，在本发明前 述的各实施例中，阈值法区分头骨部分与背景部分的CT值可为1400HU-3000HU。在本发明的又一实施例中，请参阅图17，产生对位影像的流程包括下列步骤(S501)术后目标物影像4根据影像转换模型的初始转换参数，被迭放在术前目标 物影像3上(如图18所示)；(S502)使用成本函数(Cost Function)评估术前目标物影像3与术后目标物影像 4是否对齐，具体步骤为先计算术后目标物影像4中的目标物与术前目标物影像3的目标 物的差距值，再将差距值平方后加总，计算出残差平方和(Sum of Squared Difference，简 称SSD)，如果该残差平方和小于一默认值，则进行步骤(S505)，否则进行步骤(S503)；(S503)利用最佳化迭代方法调整转换参数，据此产生更新转换参数；(S504)术后目标物影像4以影像转换模型的更新转换参数，被迭放在术前目标物 影像3上，再依照步骤(S502)评估是否对齐；以及，
(S505)使术后目标物影像4经过最终的转换参数转换，产生对位影像5 (如图6和 7所示)。在上述实施例中，影像转换模型为仿射转换(affine transform)模型，该仿射 转换模型的转换参数包括平移、旋转、缩放及歪斜等。最佳化迭代方法则使用鲍威尔 法 (Powell method)，在每次迭代中依序选出适合的线性收敛方向，以逐步降低成本函数所计 算出的残差平方和，使残差平方和小于默认值。在上述实施例中，当使用成本函数计算残差平方和之前，先比对以影像转换模型 转换后的术后目标物影像，看是否落在术前目标物影像3的范围之外，若是，则在计算成本 函数时加入一罚分值，否则，直接使用成本函数计算残差平方和。其中，假设术后目标物影 像4与术前目标物影像3的视野是极相似的，因此，术后目标物影像4中的目标物都应该能 在术前目标物影像3上找到对应的目标物，此时，罚分值可以给定一个较大的数值。反之， 若容忍一些无法找到对应的头骨部分的情况发生时，罚分值则给定一个较小的数值。在本发明的另一实施例中，请参阅图19，从对位影像产生差值影像的流程包括下 列步骤(S601)计算对位影像5中，完整的目标物与缺损的目标物的差值，产生初步影像 51(如图20所示)；(S602)对初步影像51的上半部使用第一结构矩阵进行影像侵蚀(erosion)与扩 张(dilation)，并对初步影像51的下半部使用第二结构矩阵进行影像侵蚀与扩张，藉以去 除初步影像中细微的差值部分，产生二次影像52 (如图21所示)，其中第一结构矩阵比第二 结构矩阵的矩阵行列数多；(S603)使用三维的区域成长(region growing)法去除二次影像52中非属缺损部 位的不相连结的部分，以产生三次影像53 (如图22所示)；以及(S604)以人工擦除法去除三次影像53中非属缺损部位的不相连结的部分，即产 生差值影像6 (如图23所示)。在上述实施例中，第一结构矩阵为5X5矩阵，其矩阵内容如下所示
权利要求
1.一种制作人工植入物的方法，其特征在于，所述方法包含列步骤取得术前三维体积影像，该术前三维体积影像具有手术部位的目标物在缺损前的原始 样貌；取得该手术部位的术后三维体积影像，该术后三维体积影像具有该手术部位的该目 标物在缺损后的术后样貌，该术后样貌相较于原始样貌是于该目标物上具有至少一缺损部 位；从术前三维体积影像取得术前目标物影像，该术前目标物影像是该目标物在缺损前的 三维体积影像；从术后三维体积影像取得术后目标物影像，该术后目标物影像是该目标物在缺损后具 有该缺损部位的三维体积影像；将术前目标物影像与术后目标物影像进行对位，并据以产生对位影像；从该对位影像中取出术前目标物影像与术后目标物影像中对应该目标物的缺损部位 的差值影像；根据该差值影像建立该缺损部位的三维模点坐标；以及，根据该三维模点坐标制成与该缺损部位相同造型的人工植入物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从术前三维体积影像中取得术前目标物影 像的步骤还包括调整术前三维体积影像的亮度与对比度，使其适合分辨该术前三维体积影像中的目标物；对术前三维体积影像重新取样，藉以调整该术前三维体积影像的规格，使得该术前三 维体积影像的规格与该术后三维体积影像的规格相同，从而形成术前重新取样影像；对该术前重新取样影像使用阈值法，分辨该目标物与背景，并以二值化法将该术前重 新取样影像的转换成术前二值化影像，该术前二值化影像中数值等于1者即为目标物，等 于O者视为背景；以及，使用主动式轮廓法去除该术前二值化影像中受部分体积效应影响所产生的假 影，藉以取得该术前目标物影像。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当使用主动式轮廓法去除术前二值化影像 的假影之前，分别先将该术前二值化影像中的一部份目标物的轮廓以镜像法构成封闭轮 廓，再对该术前二值化影像的封闭轮廓的内侧及外侧执行主动式轮廓法，用以产生该术前 目标物影像。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当对该术前二值化影像的封闭轮廓的内侧 执行主动式轮廓法时，对术前二值化影像执行两个像素的影像扩张。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，当对术前二值化影像的封闭轮廓的外侧执 行该主动式轮廓法时，对术前二值化影像执行两个像素的影像侵蚀。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，主动式轮廓法的参数设定包括迭代次数、步 距、弹性及坚硬度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的迭代次数为200次。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的步距为0.1。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的弹性为空间离散程度的平方。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的坚硬度为空间离散程度的四次方。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从术后三维体积影像产生术后目标物影像 的步骤还包括调整术后三维体积影像的亮度与对比度，使其适合分辨该术后三维体积影像中的目标物；以及，对术后三维体积影像使用阈值法，以分辨该目标物与背景，并以二值化法将该 术后三维体积影像转换成术后二值化影像，该术后二值化影像中数值等于1者即为该目标 物，等于0者视为该背景，并以该术后二值化影像作为该术后目标物影像。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从术后目标物影像与术前目标物影像产生 对位影像的步骤还包括术后目标物影像根据影像转换模型的初始转换参数，被迭放在术前目标物影像上； 以及，使用成本函数评估该术前目标物影像与该术后目标物影像是否对齐，具体步骤 为先计算术后目标物影像中的目标物与术前目标物影像的目标物的差距值，再将差距值 平方后加总，计算出残差平方和，如果该残差平方和小于一默认值，则据以产生该对位影 像。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，当该残差平方和大于一默认值，则利用最佳化迭代方法调整该转换参数，据以产生更 新转换参数；以及，将该术后目标物影像以该影像转换模型的更新转换参数，被迭放在该术前目标 物影像上，据以产生该对位影像。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，该影像转换模型为仿射转换模型，该仿射 转换模型的转换参数包括移动、旋转、缩放及歪斜。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，该最佳化迭代方法为鲍威尔法，是在每次 迭代中依序选出适合的线行收敛方向，以逐步降低该成本函数所计算出的该残差平方和， 使该残差平方和小于该默认值。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，当使用成本函数计算该残差平方和时，先 比对以该影像转换模型转换后的术后目标物影像，如落在该术前目标物影像的范围之外， 则在计算该成本函数时加入罚分值。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该对位影像产生差值影像的步骤还包括 计算对位影像中完整的目标物与缺损的目标物的差值，以产生初步影像；对该初步影像进行影像侵蚀与扩张，藉以去除初步影像中细微的差值部分，产生二次 影像；使用三维的区域成长法去除该二次影像中非属缺损部位的不相连结的部分，以分别产生三次影像；以及，以人工擦除法去除该三次影像中非属该缺损部位的不相连结的部分，即产生该差值影像。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，当对各初步影像进行影像侵蚀与扩张时， 对该初步影像的上半部使用第一结构矩阵，进行影像侵蚀与扩张，对该初步影像的下半部 使用第二结构矩阵，进行影像侵蚀与扩张。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述的第一结构矩阵为5X 5矩阵，其矩阵 内容如下所示
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述的第二结构矩阵为3X 3矩阵，其矩阵 内容如下所示
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的差值影像是以行进方块法，建立对 应该缺损部位的初始三维模点坐标。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述的初始三维模点坐标以表面拉普拉 斯法进行表面平滑化处理，产生平滑的该三维模点坐标。
全文摘要
本发明公开了一种制作人工植入物的方法，该方法首先取得手术部位的术前三维体积影像与术后三维体积影像，据此各自分离出具有目标物的术前目标物影像及术后目标物影像，将术前目标物影像及术后目标物影像进行对位，产生对位影像，根据对位影像取得目标物的缺损部位的差值影像，再根据差值影像建立缺损部位的三维模点坐标，依据此三维模点坐标制作与缺损部位相同造型的人工植入物。
文档编号A61F2/28GK102038562SQ20091020654
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月14日 优先权日2009年10月14日
发明者卢家锋, 吴育德, 廖元麟, 李建德, 李石增 申请人:长庚大学