TWI718578B

TWI718578B - 植入物表面映射與映射展開方法

Info

Publication number: TWI718578B
Application number: TW108122843A
Authority: TW
Inventors: 陳怡文; 施政廷
Original assignee: 中國醫藥大學; 中國醫藥大學附設醫院
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-02-11
Also published as: TW202101475A

Abstract

一種植入物表面映射與映射展開方法，本發明所提供的植入物表面映射與映射展開技術，將選擇或定義之網格植入物幾合，擺放、旋轉於特定空間位置後，依據網格頂點空間座標，在電腦斷層、磁振造影或超音波等醫學影像中內插計算這些空間座標點的灰階值，並進行映射描繪在該植入物表面，此外，該植入物之不規則表面可進一步透過展開平面影像，以幫助了解其與解剖構造之接觸情形，若醫學影像預先轉換為其他解剖、生理、病理、功能性參數，則映射及展開之結果亦將以這些參數顯示，以進一步了解植入物與這些參數之間的關係。

Description

植入物表面映射與映射展開方法

本發明係關於一種植入物表面映射與展開方法，尤指一種在植入物表面產生具有醫學資訊的網格資訊的方法。

為了提昇各類手術的精準度，手術導航系統已廣泛應用於臨床醫療上，而常見的手術導航系統主要仍呈現二維斷層影像，但二維斷層影像難以涵蓋完整的植入物與受術者組織空間關係的立體資訊，因此，施術者為求更清楚了解完整的植入物植入於組織之三維結構狀態與關係，必須在術中引導手術導航系統產生各個不同位置的斷層影像，不僅增加複雜性與耗時，更可能導致精準度下降，且即便評估了各種不同位置的斷層影像仍然有遺漏的可能發生。除此之外，這些影像僅提供基本解剖結構資訊，無法提供輔助手術執行的額外生理資訊。除此之外，植入物植入受術者體內後經常需要評估其與周圍組織、骨骼之整合程度，以追蹤其功效與受術者安全，然而，此項過程多半需要逐張檢視二維斷層影像，缺乏能夠全面性檢視整合程度之手段。

另一方面，考量到目前手術導航系統的造價高昂且仍有遺漏盲點的問題，近年來衍生出手術導板技術，手術導板是一種輔助施術者能更為精準切割或植入等手術手段之輔助導板，其在設計上主要仍僅以骨骼、器官之解剖外觀進行，無法考量評估受術者手術部位的內部或周圍資訊。

有鑒於現有手術導航系統尚不足以全面且整合性地輔助手術的術前評估及手術進行時之導航，本發明係提出一種植入物表面映射方法，其步驟包含：產生植入物之網格數據，係取得一植入物並於其外表面產生一網格；將該網格設定於一座標空間中，並定義該網格之一個以上特徵點、網格單元之於該座標空間之座標；對應醫學資訊於該座標空間並計算特徵點或網格單元的醫學數值；及映射該醫學資訊於該特徵點或該網格單元。

進一步地，本發明也提供一種植入物表面映射展開方法，其步驟包含：產生植入物之網格數據，係取得一植入物並於其外表面產生一網格；將該網格設定於一座標空間中，並定義該網格之一個以上特徵點、網格單元之於該座標空間之座標；對應醫學資訊於該座標空間並計算特徵點或網格單元的醫學數值；映射該醫學資訊於該特徵點或該網格單元；及展開該網格而形成一二維影像。

其中，前述的醫學資訊較佳包含但不限定於骨面積分率、平面骨質密度、截面流量、流速、氣面積分率、平面含氣密度、組織影像或骨整合率。

一種植入物表面映射與展開之方法，其由一電腦所執行，該電腦具備演算與儲存能力，其步驟包含：該電腦讀取一植入物之電腦檔案並於其外表面產生一網格；該電腦將該網格設定於一座標空間中，並設定與定義該網格之網格單元於該座標空間之座標；該電腦讀入一醫學資訊檔案，該醫學資訊與該座標空間對應重疊後，計算每個該網格單元的醫學數值；該電腦將該醫學資訊映設於該座標對應的該網格單元；及該電腦展開該網格而形成一二維影像。

藉由上述說明可知，本發明的優點與特點包含：

1.本發明顯示植入物在特定空間擺放位置下與人體之接觸情形，依據使用之醫學影像資訊，可為解剖、生理、病理或功能性參數之接觸資訊，以幫助手術導板設計、術前規劃與手術執行方式選擇以及植入物與組織整合之評估，藉由醫學影像資訊的植入物映射及/或展開方法可有效克服目前手術導航系統的問題，並廣泛應用於外科中穿刺、植入、鑽入及切片等手術導航，亦可應用於插種治療、進階治療中，適用範疇包含手術導航、術前規畫、導板設計、植入物整合評估及插種、進階治療核種位置評估上，而手術導航系統現有技術不及本發明所提出之功能，因此極具競爭力。

2.本發明除了直接與手術導航系統整合外，亦可與成像設備、立體定位系統、手術機器人、導板設計、手術規劃軟體、插種與進階治療規劃系統及整合廠商鏈結。

3.本發明所提供的植入物表面映射與映射展開技術，將選擇或定義之網格植入物幾合，擺放、旋轉於特定空間位置後，依據網格頂點空間座標，在電腦斷層、磁振造影或超音波等醫學影像中內插計算這些空間座標點的灰階值，並進行映射描繪在該植入物表面，此外，該植入物之不規則表面可進一步透過展開平面影像，以幫助了解其與解剖構造之接觸情形，若醫學影像預先轉換為其他解剖、生理、病理、功能性參數，則映射及展開之結果亦將以這些參數顯示，以進一步了解植入物與這些參數之間的關係。

圖1a為本發明較佳實施例之內插資訊映射於植入物網格表面圖。

圖1b為本發明較佳實施例具有生理資訊之網格示意圖。

圖2為本發明較佳實施例之網格攤平演算示意圖。

圖3a為一骨釘網格化之未展開示意圖。

圖3b為一骨釘網格化之展開示意圖。

圖4為骨釘植入不同位置的展開與未展開的生理資訊影像示意圖。

本發明提出一種植入物表面映射與映射展開方法，其可透過電腦演算執行，該電腦具備演算、載入數據、資料儲存能力，其步驟如下：

Step 1.產生植入物之網格數據：

該植入物包含可能因為不同醫療需求而放置進入一生物體內的一植入物、一導板等植入物，該植入物可能是骨釘、假體、支架等。該植入物依據不同的醫學需求，其表面外觀型態不限定，包含但不限於曲面型態、螺旋型態、板片型態等。該植入物的外觀透過立體掃描、三維建模等方式，決定該植入物之外表面的一網格(MESH)，例如圖1a顯示本發明較佳實施例之骨釘完成網格分布之實施示意圖。

Step 2.定義網格空間特徵：

設定該網格於一座標空間中，取得該網格之一個以上之特徵點於該座標空間之一空間特徵。該特徵點可能包含該網格對應該植入物之外觀頂點、邊牆、底點...等。該特徵點可能是該植入物的該網格的每一網格單元於該座標空間的交點或者極限值等，藉以定義該植入物之複數個該網格單元於該座標空間的該空間特徵，該空間特徵可以座標數值、向量、面等。

Step 3.對應醫學資訊於該座標空間並計算特徵點的醫學數值：

將一醫學資訊對應置入該座標空間中，其中，該醫學資訊至少包含一生物影像，以及選自於一生理參數、一病理參數及一功能參數所組成群組的資訊。該生物影像可為電腦斷層掃描影像(CT)、核磁共振影像(MR)、超音波、X光立體模型影像等。該生物影像、該生理參數、該病理參數、該功能參數之內容分別對應該座標空間之該空間特徵。

計算每個特徵點之座標對應該生物影像、生理參數、病理參數及/或該功能參數的數值或資訊(該醫學資訊)，使該特徵點與該醫學資訊對應。其中，該醫學資訊可包含下列：以骨骼螺釘為例，該醫學資訊可為對應某些該特徵點/網格單元的骨面積分率、平面骨質密度等；以血管攝影之導引管為例，該醫學資訊可為對應某些該特徵點/網格單元之截面流量或流速等；以肺胸管為例，該醫學資訊可為對應某些該特徵點/網格單元的含氣面積分率、平面含氣密度；以進階治療為例，該醫學資訊可為對應該植入物插種接觸組織之對應特徵點/網格單元的組織影像；以人工膝關節為例，該植入物為一人工膝關節，該醫學資訊則為該人工膝關節表面所對應之該特徵點/網格單元可為對應某些該特徵點/網格單元與股骨整合率之數據。

前述骨體積分率(bone volume/total volume,BV/TV)及體積骨質密度(volumetric bone mineral density,vBMD)可以是斷層掃描影像(CT影像) 進一步轉換獲得。由於CT值係由衰減係數計算獲得，而衰減係數代表著組織對於X光的衰減能力，其與組織之物理密度成正比關係，如同多數骨質密度量測技術將骨骼簡化為皮質骨及骨髓兩組成，可藉由已知組合比例的皮質骨-骨髓等效假體做為參考標準，搭配定量式CT或Shih等人提出的雙組成模型(two-compartment model,TCM)即可直接將CT值轉換為骨體積分率(bone volume fraction,BV/TV)及體積骨質密度(volumetric bone mineral density,vBMD)，其中，以CT值轉換為骨骼生理參數為例，可使用Shih等人提出的TCM計算骨體積分率或體積骨質密度，其僅需單一個標準樣本做為參考，故可藉由上述步驟CT值轉換為骨骼生理參數，另外，一般科學研究或臨床實務多半將人類骨骼考慮為主要兩種組織組成，分別為骨元組織及骨髓，如同定量式CT(quantitative CT)，使用與兩種組織有類似光子衰減特性的材質按照不同比例均勻混合後(骨元組織可用磷酸氫二鉀或氫氧基磷灰石，骨髓組織則可用蒸餾水或二次水)，產生能夠模擬不同骨質密度的等效骨骼材質，由於該植入物之材質比例已知，CT值亦可直接CT掃描後計算獲得，因此僅需要將臨床CT影像上的CT值與這些等校假體的CT值比對並內插後，便可將CT值轉換為等效於骨骼材質的骨質密度。

Step 4.映射醫學資訊至網格單元/特徵點：

將頂點內插之結果映射標記於網格表面上，使每個網格單元對應包含醫學資訊。請參考圖1a、1b，其為內插醫學資訊於該網格之實施例，該植入物為一螺釘，其置入於人體後的生物影像如圖1a所示，透過前述的映射方法，將該些醫學資訊(此實施例為骨體積分率)映射於該網格表面。如圖4圖，其顯示三種螺釘於椎弓根路徑(pedicle trajectory,PT)及皮質骨路徑(cortical bone trajectory,CBT)之螺釘表面骨接觸面積(contact bone area,CBA)。立體模型圖顯示了脊椎及螺釘植入的方向。螺釘攤開前後表面描繪有骨面積分率之結果。

其中，前述步驟step3、step4演算時，取得三維的醫學資訊上面的座標，直接應射在網格的平面，由於網格與三維醫學資訊的對應關係不一定是可以完成直接一對一對應，某個網格可能對應一個以上的醫學資訊之一成像體素(voxel)。該體素所帶之灰階即為該座標點之訊號強度，因此，斷層影像均可視為三維矩形網格資料分布。

前述之該植入物如螺釘網格亦是由大量空間座標描述之該空間特徵(頂點，vertex)所形成，因此，當植體網格被擺放置於該特定位置，如螺釘依據斷層影像被放置到常見脊椎融合手術的植釘路徑上，如此一來影像體素與螺釘網格頂點之空間座標範圍將重疊，頂點空間位置應有的影像訊號強度便可透過週圍體素之訊號強度內插計算獲得，接著再將構成網格面(face)的三個頂點之訊號強度平均後描繪於該網格面上，如此便完成網格表面紋理描繪，使網格表面能夠帶有特定資訊，解決網格與三維醫學資訊對應問題。

利用前述的內叉與平均計算，使每一網格可包含多種醫學資訊，如MR影像的水分子訊號、CT影像之CT值或轉換獲得之體積骨質密度。搭配網格展開便可將植體與組織接觸情況顯示於二維平面網格上，如此將可大幅簡化植體植入路徑、植入位置選擇及安全性判斷。

此外，在搭配體積骨質密度的描繪下，更可了解螺釘之骨接觸量，進而評估該植入路徑之穩定性。

為確保內插資料的正確，本實施例使用三重內插(tricubic interpolation)計算，可透過Catmull-Rom interpolating curves達成，一維形式之公式如下：

其中，C(u)為內插結果，p _i-1,p _i,p _i+1,p _i+2為四個連續資料點。在三維上三重內插便是以相同計算方式各別對三個方向計算，首先在x方向上利用64個資料點進行16次內插，接著在y方向上利用x方向上內插的16個資料點在進行4次內插，最後在z方向上以這4個資料點進行一次內插，便可獲得三重內插的結果。圖4比較3支螺釘在相同路徑及植入深度下的接觸骨量差異，以了解螺紋設計與接觸骨量之關係。

Step 5.展開網格形成二維影像：

選定該網格之兩兩相鄰網格單元之間的縫線，將該網格展開為二維影像，以更直接觀察植入物與生物體之接觸部位的醫學資訊。

請參考圖1b，其為將前述圖1a該螺釘植入椎弓根與皮質骨之網格包含有醫學資訊映射之展開圖，透過網格之設計，不僅可以取得該植入物與人體接觸部位的關係，也可判斷該植入物於手術過程中所有可能對人體產生的影響，同時，也可直接分析該植入物於人體內的穩定性與適切性，且該網格更可增加導航系統運算速度並提昇手術精準度。

然而該植入物(或稱植體)其因為功能需求立體結構各有不同，但該些立體結構並不利於這些資訊的觀察(如圖1b所示)，需手動翻轉結構才能觀察到各個面向，必須透過本步驟展開才更便於觀察。

請配合請參考圖2、3a、3b，本步驟之較佳實施例可藉由一拓撲手術(topological surgery)網格展開攤平為二維網格分布資訊。在拓撲手術中，首先透過手動或自動定義的網格縫隙(seem)，接著以預先定義的順序如逆時針方向，沿著縫隙將立體網格的各個邊界進行編碼，最後依據各個邊界之原始維度及其相連關係，將所有三角網格依其順序平放而二為平面上，圖2右顯示了沿著a,b,c三個邊界分割網格後之攤平結果，如此一來複雜立體網格結構便改為平面網格，可有效提升描繪資料的可視性。依此，比較圖3a、b，本實施例將螺釘之最長網格路徑為縫隙，以前述方法將螺釘攤平，將未展開的螺釘網格(圖3a)形成展開的螺釘網格(圖3b)。

由前述的說明可知，本發明利用網格與特殊網格表面紋理描繪演算，可以快速且精確的確認植入物與人體組織之間的位置關係與實體接觸關係。如此，即可以透過二次照相，了解植入物實際與模擬的差異，屆此調整植入物的設計。本發明的應用多元，讓複雜表面例如摟空外觀的支架可以完成投影，且更整合不同解析度的醫療資訊，得用於重新設計調整植入物，調整局部材質的特徵，藉以提昇與組織的結合關係與細胞成長。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並非用以限定本發明主張的權利範圍，凡其它未脫離本發明所揭示的精神所完成的等效改變或修飾，均應包括在本發明的申請專利範圍內。

Claims

一種植入物表面映射與展開方法，其步驟包含：產生植入物之網格數據，係取得一植入物並於其外表面產生一網格；將該網格設定於一座標空間中，並定義該網格之一個以上特徵點、網格單元之於該座標空間之座標；對應醫學資訊於該座標空間並計算特徵點或網格單元的醫學數值；映射該醫學資訊於該特徵點或該網格單元；及將在三維空間的植入物之該網格定義網格之縫隙，並沿著縫隙將該網格之邊界予以編碼並依照一定順序以該編碼展開在三維空間之網格而為二維平面影像。
如申請專利範圍第1項之植入物表面映射與展開方法，該醫學資訊包含骨面積分率、平面骨質密度、截面流量、流速、氣面積分率、平面含氣密度、組織影像或股骨整合率。
如申請專利範圍第1項之植入物表面映射與展開方法，該對應醫學資訊於該座標空間並計算特徵點或網格單元的醫學數值步驟中，係使用內插與平均法，將鄰近的醫學資訊座標的數值平均對應於關連的網格之特定網格單元中。
一種植入物表面映射與展開之方法，其由一電腦所執行，該電腦具備演算與儲存能力，其步驟包含：該電腦讀取一植入物之電腦檔案並於其外表面產生一網格；該電腦將該網格設定於一座標空間中，並設定與定義該網格之網格單元於該座標空間之座標；該電腦讀入一醫學資訊檔案，該醫學資訊與該座標空間對應重疊後，計算每個該網格單元的醫學數值；該電腦將該醫學資訊映設於該座標對應的該網格單元；及該電腦將在三維空間的植入物之該網格定義網格之縫隙，並沿著縫隙將該網格之邊界予以編碼並依照一定順序以該編碼展開在三維空間之網格而為二維平面影像。
如申請專利範圍第4項之植入物表面映射與展開方法，該電腦取與特定該網格單元分別座標局部重疊對應之複數個醫學資訊，以內插後取取得平均數值方式映射該網格單元的醫學資訊。