TWI394554B - Multi - media Full - size Stereoscopic Bone Surgery Preoperative Planning System - Google Patents

Description

多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統

本發明是有關於一種手術術前規劃系統，特別是指一種多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統。

傳統的足部骨科手術，醫師是藉由目視病患骨骼的X光照片或斷層掃描影像後，再以自身的醫學解剖知識與臨床手術經驗來進行評估規劃。但由於平面影像不易產生空間感，且手術進行中也缺乏精確的器械導引輔助，因此，難以有精確的依據來進行手術前規劃路徑之操作，而造成手術品質不易掌握，且無法確保病患手術後的效果是否低風險。

此外，傳統的醫學院學生或實習醫生以往只能僅藉著教科書上的平面圖示與文字說明，來作為平時非臨床手術訓練的依據，因此，此方式全憑醫學院學生或實習醫生自身對於三度空間的想像力，將書中平面型態的圖示在腦海中演繹為三度空間的立體型態來預測手術後的結果。

雖然，目前已有利用快速成型技術來讓學習者(如醫學院學生或實習醫生等)得到實體物的模擬及感知構造的真實感，然而，如此利用快速成型製成的生成模型，一方面只有單一次數的使用功能；另一方面由於快速成型的生成模型價格昂貴，不適於大量使用，而減少了手術醫師對於不熟悉或複雜之病例的試誤實驗機會；再加上，若欲生成模型是骨骼結構較為複雜時，如足部之骨骼，也就更不易成 型。

因此，如何能開發出一套成本較為低廉、可重複操作使用且具有三度空間模擬功能的手術術前規劃系統，便成為相關業者所欲努力研究的方向。

因此，本發明之目的，即在提供一種能預先模擬足部骨塊手術前、後情況評估的多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統。

於是，本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，適用於對一足部骨塊進行術前規劃，該系統包含：一足部骨塊足底壓力比對模組、一影像建立模組，及一評估模擬模組。

該足部骨塊足底壓力比對模組內建一正常骨塊壓力平均數據，並於量測該足部骨塊後進行比對，若有差異，即表示須對該足部骨塊進行規劃手術，且於比對差異處顯示至少一差異標示。

該影像建立模組具有一影像擷取單元及一影像轉換單元。該影像擷取單元針對該足部骨塊進行掃描，並擷取出一掃描影像，再藉由該影像轉換單元將該掃描影像轉換成一立體影像。

該評估模擬模組用來對該立體影像進行一模擬處理作業。

本發明之功效在於，透過該足部骨塊足底壓力比對模組之量測評估及該影像建立模組對該足部骨塊所進行之影 像擷取，並利用該評估模擬模組對該足部骨塊手術進行術前之模擬規劃，以利手術執行者能更精確地掌握述前的評估，減少術前規劃與術後結果之落差。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1至圖3及附件1至附件3，本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統1的較佳實施例，適用於對一病患2之一患部骨塊21進行術前規劃，該系統1包含：一足部骨塊足底壓力比對模組10、一影像建立模組11、一評估模擬模組12、一顯示模組13、一資料庫14，及一多媒體模組15。

首先，該病患2躺於一可傾斜升降之診療檯4上，並將該診療架4傾斜抬升為如圖1中A之狀態後，在藉由該足部骨塊足底壓力比對模組10來對該病患2進行其足部骨塊21的受力量測。

而上述之足部骨塊足底壓力比對模組10內建一正常骨塊壓力平均數據，於量測該患部骨塊21後進行比對，若有差異，即表示須對該足部骨塊21進行規劃手術，並於比對差異處顯示至少一異常標示101。在本較佳實施例中，前述之正常骨塊壓力平均數據為一百分比數值，而該差異標示101之表示方式為一如圖2所示之陰影表現，然而在實際應用中，該正常骨塊壓力平均數據可不為百分比數值，而為 一數量值，且該差異標示101也可以是以色差或其他相關領域易於思及而變化應用之標示手法，故在此應不以此較佳實施例為限。

然而，在此再對上述之足部骨塊足底壓力比對模組10作更進一步的功能補充說明，由於病患2因為其中有一腳(在本較佳實施例中假設為左腳)患有跟骨骨塊21塌陷的疾病，導致於日常行走時因該腳疼痛不堪而不敢施力，致使將全身的壓力施於另一腳上，如此步態之異常，往往造成另一腳的承受壓力過大，使得雙腳足底壓力產生不平均的情況，並藉由該足部骨塊足底壓力比對模組10量測後，呈現如圖2所示，於左腳掌上產生兩處異常標示101，以顯示該足部骨塊21上所受壓力不平均之異常地帶，進而表示該足部骨塊21受力異常而須進行手術。

接著，於完成前述病患2之足部骨塊21壓力量測後，即將此診療檯4調整回如圖1中B之水平狀態，以利對該病患2之足部骨塊21進行下列後續的掃描作業。

該影像建立模組11具有一影像擷取單元111及一影像轉換單元112，該影像擷取單元111針對該足部骨塊21進行掃描，並擷取出一掃描影像31(見附件1)，再藉由該影像轉換單元112將該掃描影像31轉換成一立體影像32(見附件2)。

值得一提的是，上述之影像擷取單元111為一斷層掃描裝置，而該掃描影像31就是經由此斷層掃描裝置所得出之格式為符合醫療數位影像通訊協定(Digital Image Communication in Medicine，DICOM)的圖檔，接著，該影像轉換單元112再運用逆向工程技術(Reverse Engineering Technology)來對該掃描影像31進行立體轉換，而產生出該立體影像32；此外，於相關領域之操作實務上，該立體影像32還可再透過適當的閥值設定，而進一步地取出所預先選定的立體局部影像33(見附件2)。

該評估模擬模組12是運用相關影像處理技術及逆向工程技術來對該立體影像32進行一模擬處理作業，而該模擬處理作業即包括現行影像編輯之相關處理技法，如對該立體影像32上之物件(足部骨塊21)進行定位、切割、位移、旋轉、量測、標線、著色、接合及其他影像編輯指令等。

該顯示模組13用來呈現該掃描影像31、該立體影像32及該模擬處理作業。在本較佳實施例中，該顯示模組13於實際應用上即為現今具有顯示功能的螢幕(傳統映像管螢幕或液晶螢幕等)與其相關用來驅動該螢幕的驅動程式。

該資料庫14用來儲存該立體影像32，且在本較佳實施例中，該資料庫14所收集之歷次相關臨床案例影像資料31(見附件3)，可做為外科醫師的學習、訓練及研究之樣本用途。

該多媒體模組15於該評估模擬模組12進行該模擬處理作業時，產生一提示效果，例如，將該足部骨塊21之相關資訊(長度、寬度、角度或方位等)以文字敘述表示，再以動態畫面示範來顯示對該足部骨塊21所進行處理之變化流程，或是以語音說明的方式解說該足部骨塊21於模擬術前 與術後的差異處等，而增添示範教學之效果。

在各類足部骨塊手術中，跟骨截骨手術是屬於極為複雜，難度極高的手術類型，故以下將探討如何利用本發明「多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統1」來輔助進行此項手術，以克服習知手術方法之缺失。

於進行相關應用說明前，先在此簡單介紹何謂「跟骨截骨手術」，跟骨疲勞性骨折是跟骨骨折中常見的疾病之一，此乃因為跟骨的關節面由於姿勢不良、外力造成或骨質疏鬆等因素而逐漸塌陷，故它是屬於慢性骨折，因此，等到病患2感到不適而疼痛才就醫時，往往該關節面早已對於此塌陷處自行進行癒合，而不適用一般於外科手術上的「骨釘牽引復位術」，但是，此自身癒合通常是癒合不完備或是癒合位置已錯位，所以於外科手術範疇中，主要治療方式就是採用「跟骨截骨術」。

前述之跟骨截骨手術的操作方法是在跟骨適當位置將跟骨切為兩塊，再將跟骨的後方骨塊向下移動適當的位移量，重新回覆正常的伯勒氏角(正常人跟骨的伯勒氏角約為25°~40°)，最後再以骨釘固定。

然而，在進行跟骨截骨手術時，因為於手術進行時不易觀察到骨骼的全貌，而難以掌握截骨之最適當的切割路徑及正確的位移量，故往往容易導致手術失敗，因此，若利用本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，即可精確地透過其所產生之立體影像來進行術前的規劃及術後風險的評估，而使此跟骨截骨手術更為完美。

接下來即針對利用本發明「多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統1」運用於「跟骨截骨手術」來做進一步地說明：

首先，利用斷層掃描裝置(即本較佳實施例中的影像擷取單元111)對病患2之患部骨塊21進行1厘米切片距離(1 mm slice distance)的斷層掃描，並將所產生出的掃描影像31透過該影像轉換單元112處理而匯出成立體影像32。

接著，進一步地藉由對該影像轉換單元112的閥值微調，而將所須進行規劃分析的跟骨骨塊21分離出，並得出其立體局部影像33，以利後續手術模擬作業及術後的觀察評估。

然後，使用該評估模擬模組12來對前述之跟骨骨塊21進行定位，也就是放置兩條標線於跟骨後關節面頂點與跟骨前後兩端頂點上，並透過該評估模擬模組12來量測此二標線間之夾角(此夾角即為伯勒氏角)，假設經量測分析後，該病患2之跟骨骨塊21的伯勒氏角為3.7°(如附件4所示)，此數值與一般正常人跟骨的伯勒氏角25°~40°具有相當大的偏差。

因此，接下來便在該跟骨骨塊21的立體影像32上放置新的標線來規劃截骨手術的切割路徑；值得注意的是，前述之切割路徑不能傷害到病患2的跟骨關節面及跟骨底部的韌帶交接處，所以，在運用該評估模擬模組12輔助模擬切割手術時，本次規劃的切割路徑須由跟骨關節面後方斜切21.7°(如附件5所示)，以避開跟骨關節面及韌帶交接 處。

最後，當臨床醫師經由本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統1之術前規劃評估，並於該系統1上取得該足部骨塊21相關的必要實用數據，如前述的斜切角度後，即可進行後續的真實手術：

首先，沿著跟骨上緣置一鋼針定位，並置另一鋼針於跟骨後緣，再用另一鋼針定位斜切角度(即前述所評估的21.7°)。

接著，利用切割工具沿著先前於系統1上所規劃之路徑進行跟骨切割，以確保在切割過程中不會發生失誤。

然後，臨床醫師再根據其外科手術經驗，於跟骨切割後，將跟骨骨塊向下位移1.3公分後，再將跟骨上緣的鋼針打入跟骨以固定位移的跟骨。

再來，將已鎖上螺絲釘之病患2跟骨X光圖與本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統1之模擬結果進行比對，經比對結果顯示，上述之手術結果與採用本系統1之術前規劃成果相同。

最後，參閱圖1至圖3，藉由該足部骨塊足底壓力比對模組10測量病患2術後的足底壓力，並與其術前所測之足底壓力進行比對，發現病患2於進行前述之足部跟骨截骨矯正手術後，可明顯由術後的足部壓力測量結果得知，其雙腳足底壓力如圖3所示受力平均，而未再出現如圖2之左腳上所產生的異常標示101，由此可知，病患2原來的左腳步態已經回復到正常健康狀態。

值得注意的是，在本較佳實施例中是以如何利用本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統1來輔助臨床醫師進行跟骨截骨手術為例，然而，於實際應用上，也可用來針對其他類型的足部骨塊21進行術前規劃評估模擬，故在此不應僅以本較佳實施例所揭露之例為限。

歸納上述，本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統1，藉由該足部骨塊足底壓力比對模組10、影像建立模組11及該評估模擬模組12之整合，實現了以三度空間之立體影像32的呈現，來輔助臨床醫師於術前規劃評估的功效，而讓臨床醫師於手術進行前能更瞭解病患2的患部骨塊21狀況，提升手術之精準度而減少病患2傷口的開放程度；此外，再透過資料庫14對每次術前評估規劃之相關立體影像32的儲存收集建檔，以建立完整的臨床案例，除了能供臨床醫師診斷與研究外，亦可供實習醫生訓練及學習之用途，所以確實能夠達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統

10‧‧‧足部骨塊足底壓力比對模組

101‧‧‧異常標示

11‧‧‧影像建立模組

111‧‧‧影像擷取單元

112‧‧‧影像轉換單元

12‧‧‧評估模擬模組

13‧‧‧顯示模組

14‧‧‧資料庫

15‧‧‧多媒體模組

2‧‧‧病患

21‧‧‧足部骨塊

31‧‧‧掃描影像

32‧‧‧立體影像

33‧‧‧立體局部影像

4‧‧‧診療檯

圖1是一示意圖，說明本發明多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統之主要架構及實施態樣；圖2是一量測圖，說明該病患於手術前之雙腳足底壓力量測情況；及 圖3是一量測圖，說明該病患於手術後之雙腳足底壓力量測情況。

【附件簡單說明】

附件1是一影像圖，說明透過本系統之一影像擷取單元對一足部骨塊進行掃描所輸出之一掃描影像；附件2是一影像圖，說明透過本系統之一影像轉換單元對該掃描影像進行立體轉換後所輸出之一立體影像；附件3是一畫面擷取圖，說明本系統中之一資料庫的操作介面及其內容；附件4是一影像圖，說明一病患之跟骨的伯勒氏角；及附件5是一影像圖，說明該跟骨經評估後之切割路徑規劃態樣。

1‧‧‧多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統

10‧‧‧足部骨塊足底壓力比對模組

11‧‧‧影像建立模組

111‧‧‧影像擷取單元

112‧‧‧影像轉換單元

12‧‧‧評估模擬模組

13‧‧‧顯示模組

14‧‧‧資料庫

15‧‧‧多媒體模組

2‧‧‧病患

21‧‧‧足部骨塊

31‧‧‧掃描影像

32‧‧‧立體影像

33‧‧‧立體局部影像

4‧‧‧診療檯

Claims (8)

1. 一種多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，適用於對一足部骨塊進行術前規劃，該系統包含：一足部骨塊足底壓力比對模組，內建一正常骨塊壓力平均數據，並於量測該足部骨塊後進行比對，若有差異，即表示須對該足部骨塊進行規劃手術，且於比對差異處顯示至少一異常標示；一影像建立模組，具有一影像擷取單元及一影像轉換單元，該影像擷取單元針對該足部骨塊進行掃描，並擷取出一掃描影像，再藉由該影像轉換單元將該掃描影像轉換成一立體影像；一評估模擬模組，用來對該立體影像進行一模擬處理作業；及一多媒體模組，於該評估模擬模組進行該模擬處理作業時，產生一提示效果，其中該提示效果是選自於由文字敘述、動態畫面示範及語音說明所組合成之一群組。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，更包含一顯示模組，用來呈現該掃描影像、該立體影像及該模擬處理作業。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，更包含一資料庫，用來儲存該立體影像。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之多媒體全尺寸立體骨塊 手術術前規劃系統，其中該影像擷取單元為一斷層掃描裝置。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，其中該影像轉換單元是運用逆向工程技術來對該掃描影像進行立體轉換，而產生出該立體影像。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，其中該評估模擬模組是運用影像處理技術及逆向工程技術來進行該立體影像的模擬處理作業。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，其中該模擬處理作業是選自於由切割、位移、旋轉、量測、標線、著色及接合所組成之一群組。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統，該正常骨塊壓力平均數據為一百分比數值，而該異常標示之方式是選自於由陰影及色差所組成之群組。