TW202408432A - 設計手術器械的方法 - Google Patents
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Abstract
一種設計手術器械的方法適用於一處理單元、對應一個案的一骨骼影像資料、及一預定手術器械,並包含:藉由該處理單元獲取一個三維骨骼模型及一個三維手術器械模型;藉由該處理單元利用一感測器模擬量測該三維手術器械模型作用在該三維骨骼模型的一量測結果;該處理單元根據該量測結果,產生包含對應該量測結果的一調節範圍的一客製化手術器械(PSI)資料,該客製化手術器械資料對應一客製化手術器械,且該客製化手術器械是對應該預定手術器械並具有對應該調節範圍的位置變化。
Description
本發明是有關於一種設計器械的方法,特別是指一種藉由感測器來實施的設計手術器械的方法。
退化性膝關節是全世界最常見的關節疾病,且當達到重度合併變形的情況時,就必須進行全人工膝關節置換手術(Total knee arthroplasty,TKA)。現有的全人工膝關節置換手術已經過多次的改良和臨床測試,但其術後滿意度仍約在百分之八十左右。尤其這些技術共有的對齊方法也許會加劇某些患者的不滿,原因是對齊後過度矯正患者的關節線造成軟組織受力不均或為了平衡關節受力破壞軟組織。除軟組織平衡外,截骨矯正手術、人工韌帶置換等需要定位手術器械的相關手術都可能因為術前影像和術中實際狀況有誤差,或錯估症狀的嚴重性,導致術前的規劃需要臨時微調,使得需要術中緊急調整定位或切鋸位置與角度,因此增加手術時間與風險。
膝關節植入物的正確對準對於恢復功能和最大限度地延長使用壽命至關重要,不正確的對齊會引起早期鬆動而導致塑膠墊片磨損加速及周圍軟組織的疼痛。目前人工膝關節採用機械軸對準是當前廣泛接受的方法,其利用3D列印技術和電腦輔助術前規劃,可以製作客製化手術導引板以精準定位切骨。但當腔骨關節線處於內翻時,通過垂直於機械軸的骨頭切割,會過度切除了外側,而導致內翻鬆弛。臨床常通過軟組織的內側釋放來補償,然而,放鬆破壞韌帶的步驟往往會造成術後功能產生有害影響。因此,如何設計現有的全人工膝關節置換手術或其他種類手術的手術器械以改善術後滿意度便成為一個待解決的問題。
因此,本發明的目的,即在提供一種改善現有技術之缺點的設計手術器械的方法。
於是,本發明之一觀點,提供一種設計手術器械的方法,適用於一處理單元、對應一個案的一骨骼影像資料、及一預定手術器械,並包含步驟(A)~ (C)。
於步驟(A),藉由該處理單元根據該骨骼影像資料,產生一個三維骨骼模型,並獲取對應該預定手術器械的一個三維手術器械模型。
於步驟(B),藉由該處理單元利用一感測器模擬量測該三維手術器械模型作用在該三維骨骼模型的一量測結果。
於步驟(C),藉由該處理單元根據該量測結果,產生包含對應該量測結果的一調節範圍的一客製化手術器械(Patient specific instrumentation,PSI)資料。該客製化手術器械資料對應一客製化手術器械,且該客製化手術器械是對應該預定手術器械並具有對應該調節範圍的位置變化。
在一些實施態樣中,其中,在步驟(B)中,該感測器是在該三維骨骼模型的一第一位置及一第二位置作量測以獲得該量測結果。在步驟(C)中,該客製化手術器械資料的該調節範圍是對應該客製化手術器械所包含的多個固定孔位,該等固定孔位能夠使得該三維骨骼模型的該量測結果符合一預定量測區間。
在一些實施態樣中,其中,在步驟(B)中,該感測器是一壓力感測器。在步驟(C)中,該預定量測區間是在該第一位置及該第二位置的壓力相對平衡的該量測結果。
在一些實施態樣中,其中,在步驟(C)中,該客製化手術器械資料所對應的該客製化手術器械包括一本體,及可相對該本體擺動的一擺臂,該擺臂包括該等固定孔位。
在另一些實施態樣中,其中,在步驟(B)中,該感測器是一距離感測器,且是該三維骨骼模型分別在一第一位置及一第二位置作量測而獲得該量測結果。在步驟(C)中,該客製化手術器械資料的該調節範圍使得該客製化手術器械作用於該三維骨骼模型分別在該第一位置及該第二位置。
在一些實施態樣中,其中,在步驟(C)中,該客製化手術器械資料所對應的該客製化手術器械具有一本體、對應該三維骨骼模型在該第一位置的多個定位件、及可沿該本體作動使得該三維骨骼模型在該第二位置的一操作件。
在另一些實施態樣中,其中,在步驟(B)中,該感測器是一拉力感測器,以模擬量測該三維骨骼模型所要鑽出的孔洞分別在一第一位置及一第二位置時的拉力大小。在步驟(C)中,該客製化手術器械資料的該調節範圍使得該客製化手術器械作用於該三維骨骼模型的孔洞分別在該第一位置及該第二位置。
在一些實施態樣中,其中,在步驟(C)中,該客製化手術器械包括一本體、分別由該本體的兩端向該三維骨骼模型延伸的兩個支撐臂、及一萬向接頭。該等支撐臂的末端分別具有與該三維骨骼模型接觸的一第一固定件及一第二固定件,該第一固定件及該第二固定件的連線偏移量對應該調節範圍及該拉力感測器所量測的拉力變化。
本發明的功效在於:藉由該處理單元根據該感測器量測該三維骨骼模型所獲得的該量測結果決定該客製化手術器械資料的該調整範圍,且該調整範圍使得所設計出的該客製化手術器械在該三維骨骼模型中提供位置的變化,而能夠改善現有技術的缺點。
在本發明被詳細描述之前,應當注意在以下的說明內容中,類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1與圖2,本發明設計手術器械的方法之一第一實施例,適用於一處理單元、對應一個案的一骨骼影像資料、及一預定手術器械,並包含步驟S1~S3。該處理單元例如是一電腦設備的處理器(CPU)。在本實施例中,該個案例如是一退化性關節炎的患者,並欲進行關節置換術,該骨骼影像資料是該個案的一股骨與一脛骨的醫療影像,如二維的電腦斷層掃描(CT)影像。該預定手術器械將考量個案切骨位置、植入物與配合該植入物之切引器,並依據切引器設置位置規劃其固定位置。
於步驟S1,藉由該處理單元根據該骨骼影像資料,例如每一個二維影像的位置,產生一個三維骨骼模型,或者,該骨骼影像資料是一種三維的醫療影像,而能直接被轉換為該三維骨骼模型。該處理單元還獲取對應該預定手術器械的一個三維手術器械模型,例如讀取已有的資料。接著,執行步驟S2。
於步驟S2,藉由該處理單元利用一感測器模擬量測該三維手術器械模型作用在該三維骨骼模型的一量測結果。更詳細地說,該感測器是一壓力感測器,例如是利用一種薄膜式的壓力感測元件。該壓力感測器是在該三維骨骼模型的一第一位置(即對應該股骨與該脛骨之間的內側)及一第二位置(即對應該股骨與該脛骨之間的外側)作量測以獲得該量測結果。接著,執行步驟S3。
於步驟S3,藉由該處理單元根據該量測結果,產生包含對應該量測結果的一調節範圍的一客製化手術器械(Patient specific instrumentation,PSI)資料。該客製化手術器械資料對應一客製化手術器械,且該客製化手術器械是對應該預定手術器械並具有對應該調節範圍的位置變化。在本實施例中,該客製化手術器械資料所對應的該客製化手術器械包括一本體11,及可相對該本體11擺動的一擺臂12,該擺臂12包括多個固定孔位13。該客製化手術器械資料的該調節範圍是對應該客製化手術器械所包含的該等固定孔位13,該等固定孔位13之其中兩者是用於設置兩個定位銷(Pin)。該等固定孔位13與該擺臂12的擺動範圍能夠使得該三維骨骼模型的該量測結果符合一預定量測區間。且該預定量測區間是在該第一位置及該第二位置的壓力相對平衡的該量測結果,也就是內側與外側的壓力相對平衡的結果。另外要補充說明的是:在其他的實施例中,該擺臂12也可以是相對該本體11不能擺動,而是藉由選擇該等固定孔位13之其中兩者使得該三維骨骼模型的該量測結果符合該預定量測區間。或者,該等固定孔位13的數量是兩個,且是藉由該擺臂12的擺動範圍使得該三維骨骼模型的該量測結果符合該預定量測區間。
參閱圖1與圖3,本發明設計手術器械的方法之一第二實施例,大致上與該第一實施例相似,不同的地方在於:步驟S2與S3的部分內容,且該骨骼影像資料是該個案的兩個截骨81、82的醫療影像。該預定手術器械是應用於例如骨頭變形或骨折癒合不良畸形時所執行的截骨矯正手術之用。
於步驟S2,該感測器是一距離感測器,例如是一種紅外線測距儀。該處理單元是利用該感測器模擬量測該三維骨骼模型分別在另一第一位置及另一第二位置而獲得該量測結果,也就是說,該感測器是用於量測該三維骨骼模型的該兩個截骨81、82之間的距離。
於步驟S3,該客製化手術器械資料所對應的該客製化手術器械具有一本體21、對應該三維骨骼模型在該第一位置的多個定位件(圖未示)、及可沿該本體21作動使得該三維骨骼模型在該第二位置的一操作件22。每一該定位件是一定位銷(Pin),以用於插設於該本體21的一固定孔位23。該操作件22例如是一套環。該客製化手術器械資料的該調節範圍使得該客製化手術器械作用於該三維骨骼模型分別在該第一位置及該第二位置。舉例來說,圖4所示的是該三維骨骼模型在該第一位置,即對應的該兩個截骨81、82保持分開的狀態。當該操作件沿該本體21而朝向該三維骨骼模型移動而靠近時,該本體21的一具有彈性材質的部分受到該操作件的壓力而形變,使得該兩個截骨81、82被壓緊而呈無空隙的狀態,即該三維骨骼模型所在的該第二位置。
參閱圖1與圖4,本發明設計手術器械的方法之一第三實施例,大致上與該第一實施例相似,不同的地方在於:步驟S2與S3的部分內容,且該骨骼影像資料是該個案的股骨的醫療影像。該預定手術器械是應用於例如人工韌帶重建時操進行股骨鑽孔之用。
於步驟S2,該感測器是一拉力感測器,以模擬量測該三維骨骼模型所要鑽出的孔洞分別在另一第一位置及另一第二位置時的拉力大小。
於步驟S3,該客製化手術器械資料所對應的該客製化手術器械包括一本體31、分別由該本體31的兩端向該三維骨骼模型延伸的兩個支撐臂32、33、及一萬向接頭36。該等支撐臂32、33的末端分別具有與該三維骨骼模型接觸的一第一固定件34及一第二固定件35。該客製化手術器械資料的該調節範圍使得該客製化手術器械作用於該三維骨骼模型的孔洞分別在該第一位置及該第二位置。舉例來說,對應在該第一位置的孔洞是一導引孔37,而對應在該第二位置的孔洞是另一導引孔38或另一導引孔39。也就是說,該第一固定件及該第二固定件的連線偏移量對應該調節範圍及該拉力感測器所量測的拉力變化。藉由該萬向接頭36的調整,能夠改變該第一固定件34及該第二固定件35的連線偏移量,使得該股骨的孔洞位置能夠與另一脛骨上所需要的孔洞(如對應該等導引孔37~39之其中一者)位置相配合。
綜上所述,藉由該處理單元根據每一種感測器對該三維骨骼模型模擬量測所獲得的該量測結果,產生包含該調整範圍的該客製化手術器械資料,使得對應的該客製化手術器械能夠相對於該預定手術器械具有對應該調節範圍的位置變化。也就是在設計的過程中,先於電腦模擬估算各個單元之間可能的微調範圍後,再將其調整的範圍預先設計於手術器械的調整機構,使得設計出的客製化手術器械在手術中藉由感測器的量測結果,能夠及時調整較佳的調節位置。因此,根據該客製化手術器械資料能夠設計出改善現有技術缺點的客製化手術器械,故確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者,僅為本發明的實施例而已,當不能以此限定本發明實施的範圍,凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
S1~S3:步驟
11:本體
12:擺臂
13:固定孔位
21:本體
22:操作件
23:固定孔位
31:本體
32、33:支撐臂
34:第一固定件
35:第二固定件
36:萬向接頭
37、38、39:導引孔
81、82:截骨
本發明的其他的特徵及功效,將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現,其中:
圖1是一流程圖,說明本發明設計手術器械的方法的一第一實施例;
圖2是一立體圖,說明該第一實施例所對應的一客製化手術器械;
圖3是一立體圖,說明一第二實施例所對應的另一客製化手術器械;及
圖4是一立體圖,說明一第三實施例所對應的另一客製化手術器械。
S1~S3:步驟
Claims (8)
- 一種設計手術器械的方法,適用於一處理單元、對應一個案的一骨骼影像資料、及一預定手術器械,並包含: (A)藉由該處理單元根據該骨骼影像資料,產生一個三維骨骼模型,並獲取對應該預定手術器械的一個三維手術器械模型; (B)藉由該處理單元利用一感測器模擬量測該三維手術器械模型作用在該三維骨骼模型的一量測結果;及 (C)藉由該處理單元根據該量測結果,產生包含對應該量測結果的一調節範圍的一客製化手術器械(Patient specific instrumentation,PSI)資料,該客製化手術器械資料對應一客製化手術器械,且該客製化手術器械是對應該預定手術器械並具有對應該調節範圍的位置變化。
- 如請求項1所述的設計手術器械的方法,其中,在步驟(B)中,該感測器是在該三維骨骼模型的一第一位置及一第二位置作量測以獲得該量測結果,在步驟(C)中,該客製化手術器械資料的該調節範圍是對應該客製化手術器械所包含的多個固定孔位,該等固定孔位能夠使得該三維骨骼模型的該量測結果符合一預定量測區間。
- 如請求項2所述的設計手術器械的方法,其中,在步驟(B)中,該感測器是一壓力感測器,在步驟(C)中,該預定量測區間是在該第一位置及該第二位置的壓力相對平衡的該量測結果。
- 如請求項3所述的設計手術器械的方法,其中,在步驟(C)中,該客製化手術器械資料所對應的該客製化手術器械包括一本體,及可相對該本體擺動的一擺臂,該擺臂包括該等固定孔位。
- 如請求項1所述的設計手術器械的方法,其中,在步驟(B)中,該感測器是一距離感測器,且是該三維骨骼模型分別在一第一位置及一第二位置作量測而獲得該量測結果,在步驟(C)中,該客製化手術器械資料的該調節範圍使得該客製化手術器械作用於該三維骨骼模型分別在該第一位置及該第二位置。
- 如請求項5所述的設計手術器械的方法,其中,在步驟(C)中,該客製化手術器械資料所對應的該客製化手術器械具有一本體、對應該三維骨骼模型在該第一位置的多個定位件、及可沿該本體作動使得該三維骨骼模型在該第二位置的一操作件。
- 如請求項1所述的設計手術器械的方法,其中,在步驟(B)中,該感測器是一拉力感測器,以模擬量測該三維骨骼模型所要鑽出的孔洞分別在一第一位置及一第二位置時的拉力大小,在步驟(C)中,該客製化手術器械資料的該調節範圍使得該客製化手術器械作用於該三維骨骼模型的孔洞分別在該第一位置及該第二位置。
- 如請求項7所述的設計手術器械的方法,其中,在步驟(C)中,該客製化手術器械包括一本體、分別由該本體的兩端向該三維骨骼模型延伸的兩個支撐臂、及一萬向接頭,該等支撐臂的末端分別具有與該三維骨骼模型接觸的一第一固定件及一第二固定件,該第一固定件及該第二固定件的連線偏移量對應該調節範圍及該拉力感測器所量測的拉力變化。
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