TW201917611A - 人體膝關節修復手術之術前規劃方法 - Google Patents

Abstract

一種人體膝關節修復手術之術前規劃方法，主要係於一電腦上進行，該方法包含有下列步驟：(A)取得下肢骨骼之數位模型；(B)取得數位軸線；(C)截骨模擬；(D)人工關節裝配；藉此，得以藉由電腦來輔助醫師於人體膝關節修復手術前，模擬對硬骨裁切的尺寸，以及模擬人工關節裝配於人體膝關節上的狀態。

Description

人體膝關節修復手術之術前規劃方法

本發明係與手術術前規劃有關，特別是指一種人體膝關節修復手術之術前規劃方法。

按，人類於成年後，身體自行修復的能力便逐漸下降，長期活動而產生關節部位的摩擦，容易產生關節病痛或外力使關節受損的問題，其中，人下肢的膝關節承受重量與摩擦最多的部位，關節磨損而產生長久且嚴重的疼痛感，造成生活上極大的不便，因此，會需要進行人工關節置換手術來解決此問題。

然而，進行人工關節手術時，醫師會針對硬骨進行修整再裝配人工關節，若於評估修整時產生誤差，會使人工關節與患者骨骼的貼合性不佳，造成患者於手術後的一段時間內，容易出現不適的問題。然而，手術實際切除骨骼後亦不可能重來，因此，為了降低上述情況的發生，相關領域業者便針對術前規劃的模擬軟體進行開發，其希望藉由術前模擬方式，可以協助醫師能於手術前進行精確地硬骨修整計算，使患者於置換人工關節後的貼合性較佳，降低術後不適的問題。

請參閱如日本第JP2003144454(A)號專利，提供一種關節置換輔助計算方法，主要係利用患者骨骼的X光圖像(正面以及側面)，轉換後得到近似患者骨骼的三維座標，藉此作為醫師於術前對硬骨修整的模擬資料。

但本申請人認為，骨骼實際上是為三維結構，而該日本案係藉由二維的X光圖像來得到患者骨骼的三維座標，如該日本案圖8中所示，骨頭部位的中心點座標54係藉由骨頭部位上三個點51、52以及53的座標換算後取得，但實際上骨頭部位係為三維的球體而不是二維的圓形，因此，由上述該案的方式所取得之中心點座標，僅係一個圓的平面中心點，並不是一個球體的球中心，這在協助醫師判斷硬骨修整的計算中，仍會有些微的誤差。

本發明之主要目的乃在於提供一種人體膝關節修復手術之術前規劃方法，其藉由電腦來輔助醫師於人體膝關節修復手術前，模擬對硬骨裁切的尺寸。

本發明之另一主要目的乃在於提供一種人體膝關節修復手術之術前規劃方法，其藉由電腦來輔助醫師於人體膝關節修復手術前，模擬人工關節裝配於人體膝關節上的狀態。

為了達成上述之目的，本發明提供之一種人體膝關節修復手術之術前規劃方法，主要係於一電腦上進行，該電腦具有一螢幕以及顯示於螢幕上的一操作介面，該方法包含有下列步驟：

(A) 取得下肢骨骼之數位模型：藉由掃描的方式或自一資料庫中取得一下肢骨骼之數位模型，並顯示於該操作介面， 該下肢骨骼之數位模型對應於一患者的單側下肢骨骼，該下肢骨骼之數位模型包含一數位股骨模型與一數位脛骨模型，該數位股骨模型之底部具有一上膝關節連接端，該數位脛骨模型之頂部具有一下膝關節連接端。

(B)取得數位軸線：藉由該操作介面對該數位股骨模型規劃一數位股骨機械軸線、一數位股骨解剖軸線，以及對該數位脛骨模型規劃一數位脛骨機械軸線，並將該數位股骨機械軸線、該數位股骨解剖軸線以及該數位脛骨機械軸線顯示於該操作介面；藉由該操作介面取得該數位股骨機械軸線與該數位股骨解剖軸線之間的一角度差，並於該操作介面輸入一下肢股脛角將該數位股骨機械軸線與該數位脛骨機械軸線對齊為一直線，藉此將該數位脛骨模型調整至正確的角度。

(C)截骨模擬：由一操作者決定欲對該數位股骨機械模型裁切的大小，並藉由該操作介面輸入一第一截骨尺寸，該第一截骨尺寸經該電腦運算後取得對應該上膝關節連接端的一股骨截面並顯示出來，以及由該操作者決定欲對該數位脛骨模型進行裁切的大小，並藉由該操作介面輸入一第二截骨尺寸，該第二截骨尺寸經該電腦運算後取得對應於該下膝關節連接端的一脛骨截面並顯示出來，其中，該股骨截面係與該數位股骨機械軸線呈垂直，而該脛骨截面係與該數位脛骨機械軸線呈垂直。

(D)人工關節裝配：藉由該操作介面，於一人工關節資料庫中選取對應於該股骨截面的一數位股骨人工關節部件，並將該數位股骨人工關節部件依該股骨截面模擬裝配於該數位股骨模型，以及於該人工關節資料庫中選取對應於該脛骨截面的一數位脛骨人工關節部件，並將該數位脛骨人工關節部件依該脛骨截面模擬裝配於該數位股骨模型，再藉由該操作介面將完成模擬裝配的該數位股骨模型與該數位脛骨模型進行模擬結合。

藉此，本發明得以藉由電腦來輔助醫師於人體膝關節修復手術前，模擬對硬骨裁切的尺寸。

以及，本發明得以藉由電腦來輔助醫師於人體膝關節修復手術前，模擬人工關節裝配於人體膝關節上的狀態。

為了詳細說明本發明之技術特點所在，茲舉以下一實施例並配合圖式說明如後，其中：

如第1-6圖所示，本發明一實施例提供之一種人體膝關節修復手術之術前規劃方法10，主要係於一電腦上進行(圖未示)，該電腦具有一螢幕(圖未示)以及顯示於螢幕上的一操作介面100，該方法10包含有下列步驟：

(A)取得下肢骨骼之數位模型：藉由一資料庫(圖未示)中取得二下肢骨骼之數位模型12，並顯示於該操作介面100，該二下肢骨骼之數位模型12對應於一患者的兩側下肢骨骼14，各該下肢骨骼之數位模型12包含一數位股骨模型13與一數位脛骨模型15，各該數位股骨模型13之底部具有一上膝關節連接端131，各該數位脛骨模型15之頂部具有一下膝關節連接端151。於本實施例中，該資料庫中取得該下肢骨骼之數位模型12係來自於電腦斷層掃描資料庫(computed tomography, CT)。於其餘實施例中，該資料庫中取得該下肢骨骼之數位模型12亦可為患者於電腦斷層掃描的結果；由此可知，該資料庫的資料來源並非一定要於電腦斷層掃描資料庫中取得，故該資料庫應不僅以本實施例為限；另外，亦可由該資料庫中僅取得一該下肢骨骼之數位模型12，該下肢骨骼之數位模型12係對應該患者的單側下肢骨骼14，並非一定要由該資料庫中取得患者的兩側該下肢骨骼14。因此，不論是單側或兩側該下肢骨骼14的操作，皆應屬本專利欲保護的範疇。

然而，雖然本實施例中係以該資料庫中取得該二下肢骨骼之數位模型12為例，但由於操作時係先對一側的該下肢骨骼之數位模型12進行規劃，接著，再對另一側的該下肢骨骼之數位模型12進行規劃，此舉僅係進行兩次相同的操作模式，因此，為了便於說明，以下說明僅以一側該下肢骨骼14的操作進行說明。

(B)取得數位軸線：藉由該操作介面100對該數位股骨模型13規劃一數位股骨機械軸線133、一數位股骨解剖軸線136，以及對該數位脛骨模型15規劃一數位脛骨機械軸線153，並將該數位股骨機械軸線133、該數位股骨解剖軸線136以及該數位脛骨機械軸線153顯示於該操作介面100；藉由該操作介面100取得該數位股骨機械軸線133與該數位股骨解剖軸線股骨136之間的一角度差11，並於該操作介面100輸入一下肢股脛角17將該數位股骨機械軸線133與該數位脛骨機械軸線153對齊為一直線，藉此將該數位脛骨模型15調整至正確的角度。其中，該數位股骨機械軸線133的規劃，係於該數位股骨模型13之股骨球頭分布複數種子點135，並以擬合球體法演算後取得一股骨頭球心137，再於該數位股骨模型13之底部取得一表面中心點139，最後，將該股骨頭球心137與該表面中心點139相連即取得該數位股骨模型13的該數位股骨機械軸線133。該數位股骨解剖軸線136的規劃，係於該數位股骨模型13全長的1/2處取得一第二截面中心138，將該第二截面中心138與該表面中心點139相連並延伸即可得到該數位股骨模型13的該數位股骨解剖軸線136，然後，該數位股骨解剖軸線136亦可於評估實際手術後與該方法10所規劃的結果是否有產生誤差。該數位脛骨機械軸線153的規劃，係於該數位脛骨模型15全長的1/6與5/6處分別取得一第一截面中心155後，再連接各該第一截面中心155並延伸即可得到該數位脛骨模型15的該數位脛骨機械軸線153。

(C)截骨模擬：由一操作者(圖中未示)決定欲對該數位股骨模型13裁切的大小，並藉由該操作介面100輸入一第一截骨尺寸21，該第一截骨尺寸21經該電腦運算後取得對應於該上膝關節連接端131的一股骨截面132並顯示出來，以及由該操作者決定欲對該數位脛骨模型15進行裁切的大小，並藉由該操作介面100輸入一第二截骨尺寸23，該第二截骨尺寸23經該電腦運算後取得對應於該下膝關節連接端151的一脛骨截面152並顯示出來，其中，該股骨截面132係與該數位股骨機械軸線133呈垂直，而該脛骨截面152係與該數位脛骨機械軸線153呈垂直。

(D)人工關節裝配：藉由該操作介面100，於一人工關節資料庫31中選取對應於該股骨截面132的一數位股骨人工關節部件134，並將該數位股骨人工關節部件134依該股骨截面132模擬裝配於該數位股骨模型13，以及於該人工關節資料庫31中選取對應於該脛骨截面152的一數位脛骨人工關節部件154，並將該數位脛骨人工關節部件154依該脛骨截面152模擬裝配於該數位脛骨模型15，再藉由該操作介面100將完成模擬裝配的該數位股骨模型13與該數位脛骨模型15進行模擬結合。於本實施例中，該數位股骨人工關節部件134與該數位脛骨人工關節部件154對該股骨截面132與該脛骨截面152之配對係由人工方式進行配對；於其餘實施例中，該數位股骨人工關節部件134與該數位脛骨人工關節部件154對該股骨截面132與該脛骨截面152之配對亦可藉由該電腦比對的方式進行配對。因此，該數位股骨人工關節部件134與該數位脛骨人工關節部件154對股骨截面132與該脛骨截面152之配對方式，應不僅以本實施例為限。

於本實施例中，更包含有步驟(E)-顯示模擬資料：於該螢幕上顯示一數值41(請參閱第6圖)，該數值41包含該第一截骨尺寸21以及該第二截骨尺寸23；藉此，可便於該操作者於所決定的該第一截骨尺寸21與該第二截骨尺寸23進行紀錄。但，若該操作者於決定該第一截骨尺寸21或該第二截骨尺寸23時，可自行記錄尺寸(如：手寫紀錄)，便可於沒有步驟(E)的狀況下仍能夠完成本發明所欲達成之目的，故步驟(E)並非欲達成本發明目的之必要條件。

據此，本發明得以藉由電腦來輔助醫師於人體膝關節修復手術前，模擬對硬骨裁切的尺寸。

以及，本發明得以藉由該電腦來輔助醫師於人體膝關節修復手術前，模擬人工關節裝配於人體膝關節上的狀態。

10‧‧‧人體膝關節修復手術之術前規劃方法

11‧‧‧角度差

12‧‧‧下肢骨骼之數位模型

13‧‧‧數位股骨模型

131‧‧‧上膝關節連接端

132‧‧‧股骨截面

133‧‧‧數位股骨機械軸線

134‧‧‧數位股骨人工關節部件

135‧‧‧種子點

136‧‧‧數位股骨解剖軸線

137‧‧‧股骨頭球心

138‧‧‧第二截面中心

139‧‧‧表面中心點

14‧‧‧下肢骨骼

15‧‧‧數位脛骨模型

151‧‧‧下膝關節連接端

152‧‧‧脛骨截面

153‧‧‧數位脛骨機械軸線

154‧‧‧數位脛骨人工關節部件

155‧‧‧第一截面中心

17‧‧‧下肢股脛角

21‧‧‧第一截骨尺寸

23‧‧‧第二截骨尺寸

31‧‧‧人工關節資料庫

41‧‧‧數值

100‧‧‧操作介面

第1圖係本發明一實施例之方塊圖。 第2圖係本發明一實施例之操作介面示意圖，顯示患者之下肢骨骼數位模型，且數位脛骨模型尚未進行調整的狀態。 第3圖係本發明一實施例之操作介面示意圖，顯示規劃數位股骨機械軸線、股骨解剖學軸線以及股骨截面的狀態。 第4圖係本發明一實施例之操作介面示意圖，顯示規劃數位脛骨機械軸線以及脛骨截面的狀態。 第5圖係本發明一實施例之操作介面示意圖，顯示患者之下肢骨骼數位模型，且數位脛骨模型為調整成正確角度的狀態。 第6圖係本發明一實施例之操作介面示意圖，顯示數位股骨人工關節部件模擬裝配於數位股骨模型，而數位脛骨人工關節部件模擬裝配於該數位脛骨模型的狀態。

Claims (3)

1. 一種人體膝關節修復手術之術前規劃方法，主要係於一電腦上進行，該電腦具有一螢幕以及顯示於螢幕上的一操作介面，該方法包含有下列步驟： (A)取得下肢骨骼之數位模型：藉由掃描的方式或自一資料庫中取得一下肢骨骼之數位模型，並顯示於該操作介面，該下肢骨骼之數位模型對應於一患者的單側下肢骨骼，該下肢骨骼之數位模型包含一數位股骨模型與一數位脛骨模型，該數位股骨模型之底部具有一上膝關節連接端，該數位脛骨模型之頂部具有一下膝關節連接端； (B) 取得數位軸線：藉由該操作介面對該數位股骨模型規劃一數位股骨機械軸線、一數位股骨解剖軸線，以及對該數位脛骨模型規劃一數位脛骨機械軸線，並將該數位股骨機械軸線、該數位股骨解剖軸線以及該數位脛骨機械軸線顯示於該操作介面；藉由該操作介面取得該數位股骨機械軸線與該股骨解剖軸線之間的一角度差，並於該操作介面輸入一下肢股脛角將該數位股骨機械軸線與該數位脛骨機械軸線對齊為一直線，藉此將該數位脛骨模型調整至正確的角度； (C) 截骨模擬：由一操作者決定欲對該數位股骨模型裁切的大小，並藉由該操作介面輸入一第一截骨尺寸，該第一截骨尺寸經該電腦運算後取得對應於該上膝關節連接端的一股骨截面並顯示出來，以及由該操作者決定欲對該數位脛骨模型進行裁切的大小，並藉由該操作介面輸入一第二截骨尺寸，該第二截骨尺寸經該電腦運算後取得對應於該下膝關節連接端的一脛骨截面並顯示出來，其中，該股骨截面係與該數位股骨機械軸線呈垂直，而該脛骨截面係與該數位脛骨機械軸線呈垂直； (D)人工關節裝配：藉由該操作介面，於一人工關節資料庫中選取對應於該股骨截面的一數位股骨人工關節部件，並將該數位股骨人工關節部件依該股骨截面模擬裝配於該數位股骨模型，以及於該人工關節資料庫中選取對應於該脛骨截面的一數位脛骨人工關節部件，並將該數位脛骨人工關節部件依該脛骨截面模擬裝配於該數位股骨模型，再藉由該操作介面將完成模擬裝配的該數位股骨模型與該數位脛骨模型進行模擬結合。
2. 依據申請專利範圍第1項之人體膝關節修復手術之術前規劃方法，其中：於步驟(D)中，該股骨人工關節部件與該脛骨人工關節部件對該股骨截面與該脛骨截面之配對係由人工方式進行配對。
3. 依據申請專利範圍第1項之人體膝關節修復手術之術前規劃方法，其中更包含有：步驟-(E)顯示模擬資料：於該螢幕上顯示一數值，該數值包含該第一截骨尺寸以及該第二截骨尺寸。