研究方法

本研究透過醫學影像軟體Amira

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去進行影像處理流程，如圖4-1 所示，並且利用有限元素分析軟體ANSYS

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去進行活體頭骨的模態分 析以及調和外力分析。模態分析主要是探討頭骨的自然振動頻率與振 動模態。調和外力分析主要是探討於頭骨乳突部上各點區域面積上施 予聲壓 20dB-SPL(0.0002N/m

²

)、70dB-SPL(0.0632N/m

²

)及由 BAHA 所產生的振動力約為550 克(5.39N)，去檢視頻率與振幅響應，並且不 考慮軟組織部分，而是直接將聲壓施加予骨頭上。

由長庚醫院取得病患電腦斷層掃描影像資料

透過醫學軟體AMIRA 去重建頭骨 3D 立體影像

將重建完頭骨模型進行簡化及平滑化處理動作

輸出STL 檔案匯入 CAD 軟體檢視破裂面

有破裂面產生重回AMIRA 修改無破裂面則匯出 SAT 檔

透過有限元素軟體ANSYS 建立有限元素模型

圖4-1 頭骨影像處理流程

在影像處理中由長庚醫院透過電腦斷層掃描而擷取病患頭骨之 CT 影像圖，如圖 4-2 所示，病患為 39 歲女性患者，左右耳聽力皆為 正常，但有耳鳴現象的產生，而影像部分總共擷取797 張 CT 影像，

每張CT 影像的厚度為 0.3mm，影像解析度為 512×512 畫素組成，每 格畫素大小為 0.406mm×0.406mm，使用影像處理分割把所需部位用 brush 和 Magic Wand 圈選出，在應用雜訊去除、影像強化等影像處理 技術，先找出頭骨邊界，才可以依原樣重建出其空間分佈模型來，再 透過 Surface Gen 的計算工具將所圈選出 2-D 截面去建立起 3D 立體 模組，由圖4-3 所示。在重建出 3D 立體模型後，因為模型的點(points) 跟面(surface)過於龐大在往後分析計算方面上，將會花費過多的時 間，所以透過Amira

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裡的Simplifier 功能，去做模型的簡化動作，由 圖4-4 所示，縮減後的體積僅與原來體積誤差率在 0.95%以內。

再透過Smooth Surface 去做表面平滑化的處理技術，避免重建出 來的頭骨會有奇異點的發生，並且在平滑化處理後能讓重建出的頭骨 更接近活體人類的骨頭，如圖 4-5 所示，平滑化處理後的體積僅與原 來體積誤差率在 0.53%以內。由 CT 影像之輪廓進行 3D 重建取得所 需邊界後，在進行三維幾何外形計算，則需將各斷面(slice)之曲線轉 換為曲面及結合各斷面間的間距，以計算頭骨之3D 幾何外形尺寸，

如表 4-1 所示為頭骨模型之幾何外型尺寸，最候在將所重建出的 3D

立體影像模組經由 CAD 軟體將 STL 格式轉換輸出為 SAT 格式之圖 檔，如圖4-6 所示，匯入於有限元素分析軟體 ANSYS

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中。

在有限元素分析方面，頭骨是採用 Solid92 10-Node 四面體之三 角錐元素，並以自由網格方式建立頭骨之有限元素模型，如圖 4-7 所 示 。 在 材 料 參 數 方 面 給 予 楊 式 係 數 為 1.5×10

⁴

(N/mm

²

) ， 密 度 為 3×10

^-3

(kg/mm

³

)，卜松比為 0.3[17-18]。頭骨總共具備了 11,873 個元 素及21,962 個節點數。在模態分析方面將頭骨採取自由邊界(free-free) 條件，以Block Lanczos 求解法，求取模態解，目的在於了解頭骨在 125Hz、250Hz、500Hz、750Hz、1kHz、2kHz、3kHz、4kHz、5kHz、

6kHz、7kHz 及 8kHz 這 12 個頻率下的自由振動動態特性。其中，該 頻率係為臨床聽力檢查時所採用之標準音頻。

在調和外力分析方面，以全解法(full method)求解，於耳道處建 立一區域座標系統，此區域座標系統是根據所建出之顳骨模型去定義 耳道表面中心處之區域座標，並在耳道水平處定義為 0 度，將探討在 頭骨乳突部表面上的部分，並觀察聲壓傳入近耳耳蝸中及遠耳耳蝸中 的反應，如圖4-8 所示為近耳及遠耳示意圖，圖 4-9 所示為頭骨近耳 及遠耳中耳蝸位置圖，圖 4-10 為聲壓傳入近耳及遠耳中所觀察耳蝸 的部位。頭骨乳突部表面將分為上、中、下三部位做探討，上部位則 是取位於耳道15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域；中部位則

是取位於耳道 0 度時距離為 35mm、40mm、45mm 區域；下部位則 是取位於耳道-15 度時距離為 30mm、35mm、40mm 區域，如圖 4-11

所示，分別給予這些區域的聲壓值為 20dB-SPL、70 dB-SPL，及由 BAHA 所產生的振動力約為 550 克，去檢視在 12 個頻率下的頻率與 振福響應。

圖4-2 頭骨 CT 影像圖

圖4-3 頭骨 3D 立體影像圖

圖4-4 頭骨簡化後立體影像圖

圖4-5 頭骨平滑化處理後立體影像圖

表4-1 頭骨模型之幾何外型尺寸 面積

(mm

²

)

體積 (mm

³

)

面 點 與原體積比較 誤差率 原幾何外型

尺寸 212,275 643,311 4,300,916 2,150,417 簡化後幾何

外型尺寸 181,526 637,229 5,998 2,969 0.95%

平滑化處理 後幾何外型 尺寸

176,089 639,983 5,998 2,969 0.53%

圖4-6 頭骨 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在

圖4-7 頭骨之有限元素模型

圖4-8 近耳及遠耳示意圖

圖4-9 頭骨近耳及遠耳中耳蝸位置圖

圖 4-10 聲壓傳入(a)近耳(b)遠耳中所觀察耳蝸的部位 (b)

(a)

圖 4 域位置

15

^。

-15

^。

-11 位於頭骨乳突部上所施予聲壓的區

在文檔中 中 華 大 學 (頁 68-79)