基於 CT 影像進行患者特異性顱縫早閉矯正的計算模型

概述

人字形顱縫早閉（LC）是一種罕見的非綜合徵性顱縫早閉，其特徵是頭後部的人字縫在出生時即融合，雖然可以選擇進行彈簧輔助顱骨成形手術，但美觀效果不佳。為了解決這個問題，研究人員開發了 LC 顱骨的參數化有限元 (FE) 模型，以最佳化未來的彈簧手術。

在 Simpleware 軟體中根據三名接受彈簧矯正患者的術前 CT 數據，重建出不同的顱骨幾何形狀，模擬比較術前 CT 影像與手術中的顱骨生長情形，並在虛擬環境中重現此過程，這種方法可能有助於改善未來的 LC 手術。

亮點

Simpleware 軟體根據 CT 影像建立有限元模型，協助更好地了解顱縫早閉治療措施
在 Simpleware CAD 中比較顱骨生長的表面偏差
模擬比較術前 CT 影像、手術介入以及術後治療
改善未來外科實踐

數據採集與重建

三名因顱骨形狀異常而在大奧蒙德街醫院顱頷面外科接受彈簧輔助手術的 LC 患者，在手術前後均接受了 CT 掃描，將 CT 影像匯入 Simpleware ScanIP 軟體，重建兩個階段的顱骨，進行分割和處理以識別顱骨到上顎骨的骨骼和骨縫結構。

圖：使用 Simpleware 軟體從 CT 影像重建患者術前術後顱骨模型。

網格劃分以進行模擬

使用結構 3D 四面體單元在 Simpleware FE 中產生頭骨的有限元 (FE) 模型，並針對不同解剖區域的適當材料屬性進行建模。在對顱骨模型進行截骨之前，在 MSC Marc 中使用熱膨脹係數近似生長，模擬術前影像和手術之間的顱骨生長，顱內容量（ICV）被用作代表不同階段顱骨大小的參數，包括在 Simpleware ScanIP 中透過選擇顱頂內表面進行術前 CT 重建。

通過在Simpleware ScanIP 中追蹤手術保留的可見痕跡估算術中ICV，以此複製手術時的顱骨截骨，然後重新劃分截骨後的顱骨幾何形狀網格，並使用 MSC Marc 中的彈簧/緩衝器連接元件模擬彈簧植入，以顯示手術和術後 CT 掃描之間的差異。

圖：模擬彈簧輔助顱骨擴張與截骨的有限元 FE 模型。

表面偏差分析

使用不受手術影響的前鼻棘點和額顴縫上的標誌點獲得體積配準後，使用 Simpleware CAD 對擴展的 FE 顱骨模型和術後 CT 顱骨重建之間進行表面偏差分析，然後使用熱有限元模型迭代執行模擬，透過調整參數以考慮每個模型中整個顱骨的平均負和正表面偏差。

圖：有限元模型和根據 CT 影像重建的術後顱骨模型之間的表面偏差。

結果

重建的顱骨模型顯示了術前 CT 時顱內腔的形狀，對三名患者進行比較，有限元模型和 CT 術後顱骨模型之間的分析顯示，額骨和顳骨的表面偏差率相對較低，而由彈簧擴張的後顱骨表面偏差則增加。

圖：彈簧輔助顱骨成形術和術後顱骨生長的顱骨模型的位移圖

結論

這項研究能夠根據機械效應、比較術前 CT 影像、手術介入和術後介入來探討顱縫早閉中顱骨生長模式的複雜性，使用 CT 影像的術後重建來驗證模擬結果，所獲得的模擬結果表明，手術後顱骨的最終形狀取決於所進行的截骨術，相對較長的切口主要導致顱骨鉸接和擴張，而最小的切口則允許截骨邊緣之間的間隙擴大，因此根據患者的具體情況了解截骨的大小和位置十分重要。

未來的研究可以根據年齡和骨形成等因素，開發更複雜的顱骨模型。該專案展示了使用參數有限元素模型來模擬彈簧輔助顱骨成形術矯正的 LC 手術結果的價值，透過複製這些過程，可以調整手術計劃的參數，對較大群體的研究或許能夠讓患者使用該模型作為計劃工具的一組特定值。基於此模型，未來使用參數有限元素模型對彈簧類型和位置進行研究有助於最佳化 LC 手術矯正的功能和美觀效果。

參考資料