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 3-1 所示，並且利用有限元素分析軟體ANSYS

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去進行活體顳骨的模態分 析以及調和外力分析[15-16]。模態分析主要是探討乳突部顳骨的自然 振動頻率與振動模態。調和外力分析主要是探討於顳骨乳突部上各點 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 去重建顳骨 3D 立體影像

將重建完顳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3-1 顳骨影像處理流程

在影像處理中由長庚醫院透過電腦斷層掃描而擷取病患顳骨之 CT 影像圖，如圖 3-2 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 影像包 含整顆頭骨部分，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，先找出顳骨邊界，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 3-3 所示。在重建出 3D 立體模型 後，因為模型的點(point)和面(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3-4 所示，縮減後的體積僅與原來體積誤差 率在0.58%以內。

再透過Smooth Surface 去做表面平滑化的處理技術，避免重建出 來的顳骨會有奇異點的發生，並且在平滑化處理後能讓重建出的乳突 部更接近活體人類的骨頭，如圖3-5 所示，平滑化處理後的體積僅與 原來體積誤差率在 0.62%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，以計算顳骨之 3D 幾何外形尺

寸，如表3-1 所示為顳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3-6 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，顳骨是採用 Solid92 10-Node 四面體之三 角錐元素，並以自由網格方式建立顳骨之有限元素模型，如圖 3-7 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]。顳骨總共具備了 8,623 個元素 及 14,600 個節點數。在模態分析方面將顳骨採取自由邊界(free-free) 條件，以Block Lanczos 求解法，求取模態解，目的在於了解顳骨在 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，將顳骨相鄰於各骨邊界上，固定 X、Y、

Z 三方向的自由度，如圖 3-8 所示，並以全解法(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耳道表面中心 處去定義區域座標，並在耳道水平處定義為 0 度，將探討在顳骨乳突 部表面上的部分，以及觀察聲音傳入近耳中耳蝸的反應，如圖 3-9 所 示為近耳中耳蝸位置，圖3-10 為聲壓傳入近耳中所觀察耳蝸的部位。

顳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 3-11 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3-2 顳骨 CT 影像圖

圖3-3 顳骨 3D 立體影像圖

圖3-4 顳骨簡化後立體影像圖

圖3-5 顳骨平滑化處理後立體影像圖

表3-1 顳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 18,065 37,700 383,378 191,692 簡化後幾何

外型尺寸 15,452 37,481 3,000 1,498 0.58%

平滑化處理 後幾何外型 尺寸

14,739 37,466 3,000 1,498 0.62%

圖3-6 顳骨 3D 模型透過 CAD 軟體檢視有無破裂面存在

圖3-7 乳突部之有限元素模型

圖3-8 顳骨相鄰各骨邊界固定三方向自由度

圖3-9 位於顳骨近耳中耳蝸位置圖

圖 3-10 聲壓傳入近耳中所觀察耳蝸的部位

15

^。

-15

^。

圖3-11 位於顳骨乳突部上所施予聲壓的區域位置

在文檔中 中 華 大 學 (頁 43-54)