TW201826235A - 以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法及其系統 - Google Patents
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Abstract
本發明係一種以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法及其系統，其係於取得一生物立體影像並輸入一組待植體參數後，於該生物立體影像中設定一標的位置及一起始位置，再於該生物立體影像中，依據該組待植體參數、該標的位置及該起始位置，計算出待植體植入生物體後，待植體與生物體接觸面的一空間座標資訊，並依據該組待植體參數及該空間座標資訊，於生物體中重新取樣，以獲得待植體與生物體接觸面的一組生理資訊，藉此，執行手術的醫師即可參考藉由上述模擬及提供的生理資訊評估待植體植入生物體後的影響，提升手術品質及效果。
Description
本發明係關於一種手術模擬方法及系統，尤指一種以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法及其系統。
現今的醫學手術中，有許多涉及將植體（如骨釘或導管等）植入人體的手術，其手術品質高度仰賴於電腦斷層掃描（Computed Tomography）及X光攝影的協助，以脊椎常見手術為例，脊椎融合術為一項臨床常見的脊椎固定、矯正手術，多半用以處置脊椎後彎、脊椎側彎及退化性椎間盤之疾病，以減少異常的椎體移動、壓迫進而改善病患背痛或神經功能缺損的情況，而在脊椎融合術中，骨釘必須沿著椎弓根鑽入脊椎，接著透過固定或拉正骨釘達成脊椎矯正之目的，而此手術中，骨釘所穿經路徑以及骨釘與脊椎的接觸面的骨體積分率及體積骨質密度都會直接影響手術的品質及效果，因此，骨釘鑽入的位置、角度便在此手術中扮演著舉足輕重的角色，而現今臨床上多半只能透過電腦斷層掃描或透視X光攝影（fluoroscopy）幫助定位及導引，醫師必須憑本身經驗進行術前分析，以決定骨釘鑽入位置及角度，然而，透視攝影之影像為二維投影平面，難以從影像中區別解剖構造之深度位置，且此種手術對於人體組織有一定程度的破壞性，一旦術後評估手術的效果不佳，也難以重新進行手術。
是以，現今醫學技術中，於進行上述手術時，醫師僅能本身醫學經驗及患者斷層掃描或X光攝影的影像為依據，難以於術前仔細評估出植體行經路徑及穿刺後的空間分布及生理參數，不僅為術前評估的主要困難點之一，亦為手術執行時的一大障礙。
有鑒於現有斷層掃描及X光攝影尚不足以輔助需使用植體之手術的術前評估及手術進行時之導航，本發明係提出一種以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法及其系統。
為達上述目的，係令該以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法包含：
取得一生物立體影像，並輸入一組待植體參數；
於該生物立體影像中設定一標的位置及一起始位置；
於該生物立體影像中，依據該組待植體參數、該標的位置及該起始位置，計算出待植體植入生物體後，待植體與生物體接觸面的一空間座標資訊；
重新計算生理參數，係依據該空間座標資訊，於生物體中取得對應該空間座標資訊的生理資訊，以供評估待植體植入生物體後的影響。
本發明以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法中，可於將待植體植入生物體前，先模擬出待植體植入的位置以及植入後與生物體接觸面的生理資訊，手術醫師可藉此評估植體植入路徑是否可達到預期的治療效果，並可藉此評估植體是否穿刺重要器官或組織，得以提升手術品質及治療效果，且避免傷及生物體內重要器官及組織。
為達上述目的，係令該以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬系統包含：
一生物立體影像擷取設備，係用以取得一生物立體影像，實施上可利用電腦斷層掃描、Ｘ光立體影像、超音波或核磁共振等技術取得；
一定位掃描裝置，係用以追蹤一待植體位置，以標定一起始位置；
一輸入單元，係用以輸入一組待植體參數及一標的位置；
一處理器，係與該生物立體影像擷取設備、該定位掃描裝置、該輸入單元連接，於接收該生物立體影像、該待植體位置、該組待植體參數、該標的位置及該起始位置後，計算待植體與生物體接觸面的一組生理資訊，並輸出；
一顯示器，係與該處理器連接，以顯示該組生理資訊。
為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如下。
請參閱圖1，本發明以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法包含：
取得一生物立體影像，並輸入一組待植體參數，該生物立體影像可為電腦斷層掃描影像、核磁共振影像、X光立體模型影像等，該組待值體參數可包含待值體長度、體積、立體影像、重量、密度、重量分布、材質等；
於該生物立體影像中設定一標的位置（植體目標位置）及一起始位置（植體起始位置），於本實施例中，係以一定位掃描裝置追蹤一植體，例如以紅外線或雷射立體定位技術對待植體進行定位，使用者先以該待植體對該定位掃描裝置進行登錄，而取得該組待植體參數（如長度、半徑、外型等），再於生物體中移動該待植體以標定該起始位置，該標的位置可於起始位置確定後，以一輸入單元輸入標的位置，作為待值體欲到達生物體內的位置，亦可於起始位置確定後，依據該組待值體參數（長度）判斷該標的位置，確定起始位置及標的位置後，即可確定待值體植入生物體後經過的路徑以及位於生物體中的位置；
於該生物立體影像中，依據該組待植體參數、該標的位置及該起始位置，計算出待植體植入生物體後，待植體與生物體接觸面的一空間座標資訊；
重新計算生理參數，係依據該空間座標資訊，於該生物體中取得對應該空間座標資訊的生理資訊，以供評估待植體植入生物體後的影響，於本實施例中，取得生理資訊之步驟，需視待值體參數中的材質不同而有不同的處理方式，其詳細於後說明。
由於植體的植入生物體的手術可分為剛性破壞及軟性破壞兩種，本發明係設定一軟性破壞模式及一剛性破壞模式，可供使用者於設定待植體參數時選擇，而使用不同材質的待植體，必須配合以不同的方式計算待植體與生物體的接觸面以及取得的對應的生理資訊，其中，如圖2a及圖2c所示，剛性破壞將使生物體在原本空間位置的組織消失而被待植體取代，因此，要預估待植體與生物體的接觸面，只需要簡單以待植體直接取代對應空間的生物體後進行取樣，即可取得該空間座標資訊並產生對應的生理資訊，而如圖2a及圖2b所示，軟性破壞代表組織是被手術器具切開或刺穿後，受力而被往旁邊推擠，此時，待植體與生物體內組織的接觸面是被推開的組織，因此需要先依據該待植體參數計算生物立體影像被推擠後產生的形變再進行取樣，以取得該空間座標資訊及對應的生理資訊。
請進一步參閱圖3a，係提供一種以骨釘為例的實施態樣，於執行上述標定標的位置及起始位置之步驟後，即於該生物立體影像中，顯示出一虛擬待植體，並計算該虛擬待植體與生物體接觸面的該空間座標資訊，如此即可預知待植體植入後將與生物體的接觸面，而於上述重新計算生理參數之步驟，係以電腦斷層掃描（或其他如核磁共振或紅外線裝置）於生物體中對應該空間座標資訊的位置進行重新取樣，取得圖4b所示對應該空間座標資訊之生理資訊（圖3b顯示為CT影像），而依據CT影像可進一步轉換為圖3c所示之骨體積分率（bone volume/total volume, BV/TV）及圖3d所示之體積骨質密度（volumetric bone mineral density, vBMD）。
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，由於這些假體的混合比例已知，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。
藉由上述步驟所得到之生理資訊，即可供醫師評估該骨釘所接觸到的骨骼量，以進一步評估該骨釘之力學因素及穩固性。除此之外，骨骼中骨小梁（trabeculae）數量將與植入骨釘之穩固性亦有著顯著的關聯性，此部分可藉由屍骨建立骨體積分率與骨釘穩固性間的力學關係函數，接著將由接觸面CT影像計算獲得之平均骨體積分率/體積骨質密度轉換為在此植入路徑下骨釘應有的穩固性，以供作臨床植入路徑評估之用。
再請進一步配合參閱圖4a~4b，當使用者操作輸入裝置使上述虛擬待植體於生物體中移動時，虛擬待植體與生物體的接觸面將不斷改變，此時可持續追蹤新的空間座標資訊，並更新對應新空間座標資訊的生理資訊（圖中以CT影像為例），醫師可藉此觀察植入角度微調後代植體與生物體接觸的狀況。
本發明亦可用於導管植入臟器或切片穿刺的手術中，於此實施例中，可於擷取該生物立體影像（如CT影像）時，使用對比劑使血管顯影，在接觸面CT影像上便可顯現出血管之路徑等生理參數，使用顯影劑假體搭配雙組成模型亦可了解這些血管的血流量，如此便可了解導管是否接觸或穿過重要血管，以切片為穿刺目標來說，若穿刺過程不希望穿過重要血管，則僅需要了解導管及血管位置即可。若有意進行血管穿刺，如血管攝影(angiography)，則上述步驟可定位找出血管的位置，幫助血管穿刺。在肝臟移植捐獻者上，則可在開腹前依據血管的分布幫助確認分割位置。
再請進一步參閱圖5a及圖5b，係以肝臟穿刺為例，於本實施例中，係於擷取該生物立體影像（如CT影像）時，於生物體靜脈注射顯影劑，再擷取其肝臟動脈CT影像，圖5a顯示穿刺針位於生物體內的空間座標位置，圖5b則顯示該穿刺針與生物體接觸面的CT影像之生理資訊，醫師可得知穿刺路徑經過皮膚、脂肪、肌肉、肋骨、肝臟及顯影之肝動脈以及其分部及比例，藉此得以評估穿刺路徑是否恰當。
上述生物立體影像可為CT影像、MRI影像或X光立體影像等，可依據手術需求選擇，或者以多種影像綜合評估，其中若使用MRI影像，則可依據MRI成像使用之脈衝序列所產生之特定影像訊號，例如擴散加權影像、彈性係數影像及MR血管成像，描繪出不同生理參數之接觸面影像，以供臨床進行如導管是否放置於腦出血、梗塞位置，骨釘是否觸及脊神經、椎動脈等評估。
於完成植入路徑評估後，為進一步追蹤待值體植入路徑是否遵循上述規劃出的路徑，可使用定位掃描裝置對手術器具（待植體）進行定位，本實施例中，係以完整掃描整個植體或捕捉植體上的定位點(紅點)的方式來達成，如此一來系統便可透過定位掃描裝置追蹤該植體植入生物體後之空間位置，搭配預先C-arm或O-arm CT掃描且完成定位的CT影像，便可將進入掃描成像範圍中的植體描繪於影像中，如此一來施術者便可透過觀察影像中器具的位置來即時化的了解其與人體解剖構造間的相對位置。。
再請進一步參閱圖6，為實現上述以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法，本發明用以提供執行上述方法之系統，其包含：
一生物立體影像擷取設備10，係用以取得一生物立體影像，實施上可利用電腦斷層掃描或核磁共振等技術取得；
一定位掃描裝置20，係用以追蹤一待植體位置，以標定一起始位置，於本實施例中，其可為紅外線或雷射立體定位設備；
一輸入單元30，係用以輸入一組待植體參數及一標的位置；
一處理器40，係與該生物立體影像擷取設備10、該定位掃描裝置20、該輸入單元30連接，於接收該生物立體影像、該待植體位置、該組待植體參數、該標的位置及該起始位置後，計算待植體與生物體接觸面的一組生理資訊，並輸出；
一顯示器50，係與該處理器連接，以顯示該組生理資訊。
上述以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法及系統應用於在術中利用移動式電腦斷層掃描儀（portablecomputed tomography, portable CT）或術中CT（intraoperative CT），取得病患仰臥或俯臥於手術檯上的CT影像，並以紅外線或雷射立體定位技術對手術工具進行定位並登錄（registration）於導航系統中，其中，各式手術器具（植體）的外形可於術前登錄在導航系統中，亦可在器具使用當下，使用導航系統的紅外線定位裝置或雷射立體定位技術，直接掃描、定位該器具並登綠於系統中，如此一來導航系統便了解該器具的外形並持續追蹤其空間座標位置及方向，本發明係以此器具的定位資訊產生取樣接觸面影像所需的系統向量，並可利用其外形資訊產生接觸面影像的取樣空間座標資訊，如此一來，醫師在實際進行鑽孔、打釘或置入導管前，可藉由上述步驟評估其登錄之手術工具在該位置、角度下，工具與病患體內解剖構造的相對位置是否符合預期，同時可於手術進行中監測置入路徑、方向是否符合預期，藉此，於脊椎融合術中，即可提升植釘的準確性、縮短手術及麻醉時間、縮小創傷口大小及其縮短恢復時間，改善手術品質，除此之外，亦可應用於導管及穿刺手術，可普遍適用於大部分臨床上常見手術，以提升手術品質及治療效果，並可避免傷及生物體內重要器官及組織。
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。
10‧‧‧生物立體影像擷取設備
20‧‧‧定位掃描裝置
30‧‧‧輸入單元
40‧‧‧處理器
50‧‧‧顯示器
圖1：為本發明步驟流程圖。 圖2a~2c：為本發明於二種操作模式計算生理資訊之示意圖。 圖3a：為圖1一步驟計算一空間座標資訊圖。 圖3b~3d：為圖1一步驟產生之一組生理資訊圖。 圖4a、4b：為圖1一步驟計算另一空間座標資訊及生理資訊圖。 圖5a：為圖1一步驟產生之另一空間座標資訊圖。 圖5b：為圖1一步驟產生之另一生理資訊圖。 圖6：為本發明系統之方塊示意圖。
Claims (7)
- 一種以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法，其包含： 取得一生物立體影像，並輸入一組待植體參數； 於該生物立體影像中設定一標的位置及一起始位置； 於該生物立體影像中，依據該組待植體參數、該標的位置及該起始位置，計算出待植體植入生物體後，待植體與生物體接觸面的一空間座標資訊； 重新計算生理參數，係依據該空間座標資訊，於生物體中取得對應該空間座標資訊的一組生理資訊，以供評估待植體植入生物體後的影響。
- 如請求項1所述的以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法，進一步於待植體參數中設定一剛性破壞模式及一軟性破壞模式： 若設定為剛性破壞模式，係以待植體取代對應空間的生物體後進行取樣，以取得該的空間座標資訊及該組生理資訊； 若設定待值體植入為軟性破壞者，則先依據該組待值體參數計算出生物立體影像產生的形變，再對對應空間的生物體進行取樣，以取得該的空間座標資訊及該組生理資訊。
- 如請求項1或2所述的以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法，係依據空間座標資訊於生物體對應位置取得一電腦斷層掃描之生理資訊，並進一步依據電腦斷層掃描之生理資訊轉換出一骨體積分率之生理資訊及一體積骨質密度之生理資訊。
- 如請求項1或2所述的以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬方法，係進一步以一定位掃描裝置對待植體進行定位。
- 一種以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬系統，其包含有： 一生物立體影像擷取設備，係用以取得一生物立體影像 一定位掃描裝置，係用以追蹤一待植體位置，以標定一起始位置； 一輸入單元，係用以輸入一組待植體參數及一標的位置； 一處理器，係與該生物立體影像擷取設備、該定位掃描裝置、該輸入單元連接，於接收該生物立體影像、該待植體位置、該組待植體參數、該標的位置及該起始位置後，計算待植體與生物體接觸面的一組生理資訊，並輸出； 一顯示器，係與該處理器連接，以顯示該組生理資訊。
- 如請求項7所述的以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬系統，該生物立體影像擷取設備為電腦斷層掃描、X光立體影像、超音波或核磁共振設備。
- 如請求項7所述的以斷層影像為基礎之手術探針導航模擬系統，該定位掃描裝置為紅外線或雷射立體定位設備。
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