TWI426889B - Multi - media Full - size Orthodontic Bone Plate Fixation Surgery Preoperative Planning System - Google Patents

Description

多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統

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骨板固定手術術前規劃系統。

在傳統的跟骨骨板外科手術中，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，有必要尋求解決之道，以解決上述傳統跟骨骨板外科手術術前規劃方式之缺點。

因此，本發明之目的，即在提供一種多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統。

於是，本發明多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統適用於對利用一骨板對一骨塊所進行之手術進行術前規劃。該系統包含一骨塊影像建立模組、一骨板影像建立模組以及一評估模擬模組。該骨塊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骨塊進行掃描，以擷取出一掃描影像，再藉由該影像轉換單元將該掃描影像轉換成一骨塊立體影像。該骨板影像建立模組用以建立該骨板之一骨板立體影像。該評估模擬模組用來對該骨塊立體影像以及該骨板立體影像進行一模擬處理作業。

本發明之功效在於，可提供進行該類手術時，將骨板調整至適當曲度並置於骨塊之適當位置之參考，藉以除可穩固骨釘之固定位置外，並可使骨板對骨塊的包覆性提升，因而運用本發明術前規劃系統所進行之臨床手術具有可提升手術之可靠性，並縮短手術時間之優點。

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個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。

參閱圖1至7，本發明多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統1之一較佳實施例，適用於對利用一骨板5(圖5)對病患2之患部之一骨塊21所進行手術進行術前規劃，該系統1包含：一骨塊壓力比對模組10、一骨塊影像建立模組11、一評估模擬模組12、一顯示模組13、一資料庫14、一多媒體模組15以及一骨板影像建立模組16。

首先，該病患2躺於一可傾斜升降之診療檯4上，並將該診療檯4傾斜抬升為如圖1中A之狀態後，再藉由該骨塊壓力比對模組10來對該病患2進行其骨塊21的受力量測。

而上述之骨塊壓力比對模組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，在此再對上述之骨塊壓力比對模組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，並藉由該骨塊壓力比對模組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，以顯示該骨塊21上所受壓力不平均之異常地帶，進而表示該骨塊21受力異常而須進行手術。

接著，於完成前述病患2之骨塊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之骨塊21進行下列後續的掃描作業。

該骨塊影像建立模組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針對該骨塊21進行掃描，並擷取出一掃描影像31(見圖3)，再藉由該影像轉換單元112將該掃描影像31轉換成一骨塊立體影像32(見圖4)。

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，而產生出該骨塊立體影像32。此外，於相關領域之操作實務上，該骨塊立體影像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骨塊立體局部影像33(見圖4)。

如圖1及圖5、6、7所示，該骨板影像建立模組16用以建立該骨板5之一骨板立體影像34。如圖5所示，該市售骨板5為平板狀，故參考該市售骨板5藉由骨板影像建立模組16所建立的原始骨板立體影像34亦為平板狀，但該骨板影像建立模組16更可用以將該原為平板狀之骨板立體影像34之一部分調整至一特定曲度(如圖7所示)，以提供進行該類手術時可將骨板5調整至適當曲度並置於骨塊之適當位置之依據，藉以除可穩固骨釘之固定位置外，並可使骨板5對骨塊的包覆性提升，因而運用本發明術前規劃系統1所進行之臨床手術具有可提升手術之可靠性，並縮短手術時間之優點。

在本實施例中，是使用如Solid Work之3D軟體，針對專用尺寸的骨板5，建立骨板5的全尺寸3D模型，以輔助骨科醫師在進行軟體模擬時，能同時將手術的重要器械列入模擬的過程中。此外，如圖5所示，骨板5上的所有孔位都被編上號碼~以及①~⑩，以方便接下來的說明。

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骨塊立體影像32以及骨板立體影像34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(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、該骨塊立體影 像32、該骨板立體影像34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用來儲存該骨塊立體影像32及骨板立體影像34，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掃描影像31，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。

以下將探討如何利用本發明「多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統1」來輔助進行「跟骨骨板復位術」，以克服習知手術方法之缺失。

本發明術前規劃系統1的手術主題「跟骨骨板復位術」主要是希望透過軟體模擬手術結果，因為模擬過程主要係以電腦執行，所以可輕易地重新進行手術模擬。如此一來，可大大的減少醫療資源的消耗。亦即，以3D影像方式呈現病患2術前跟骨(即骨塊21)之3D實體影像，可讓臨床醫師能提前且有效的判斷病患2之跟骨的重建方式。並且，本發明中可利用3D剖面視圖，讓臨床醫師能判斷骨板5 固定時，骨釘的鎖固位置，因為如果無法判斷病患2之跟骨內部的實心部位，則一旦骨釘鎖固在病患2之跟骨較為脆弱的地方，不但無法達到骨板5鎖固的功效，還有可能會破壞跟骨的結構，因而造成對病患2的二次傷害。因此，本發明中透過3D剖面視圖來分析病患2於骨板5固定時所需鎖固的螺絲位置，為本發明中最重要的目的。

參閱圖1、圖8至16，跟骨骨折依傷及關節面可分為Tongue type(Essex Lopresti type A)及Joint depression type(Essex Lopresti type B)兩類。在本發明較佳實施例中，主要針對Tongue type(Essex Lopresti type A)的臨床案例(圖8)來進行術前規劃分析與臨床驗證。

如前所述，利用本發明術前規劃系統1之骨塊影像建立模組11，可將患者2的斷層掃描影像31分析轉換成3D骨塊立體影像32。接著，針對患者2的骨塊立體局部影像33，骨科醫師可使用3D軟體(如Magic軟體)進行三維規劃，功能包含以三個視圖不同視角瀏覽骨骼模型、矯正尺寸角度的量測選定等動作。透過此種3D軟體，可以清楚顯示患者2的骨塊立體局部影像33(如圖9所示)。

然後，將病患2的骨塊立體影像32輸入Magic軟體進行術前規劃。在本臨床案例中，經初步估計後，僅需將病患2的跟骨做局部移動，即只移動關節面的部份來回復正常的伯勒式角(如圖10所示)。在本臨床案例中，所取得之跟骨骨折3D影像如圖11所示，其為Tongue type之臨床案例。經本發明術前規劃系統1模擬病患2關節面復位後的 狀態如圖12所示，其中伯勒氏角約為25°。接著，再將整塊跟骨做中心切割，觀察跟骨復位後中間的空洞分佈(圖13)，再配合教科書骨釘落點的分析圖(圖14)，觀察適合的區域，以確保骨釘螺絲的進入不會破壞骨頭本身的結構性，進而研究出合適的骨釘固定點。

如圖15所示，接著透過剖面圖的幫助，將其他螺絲的定位點一一模擬，並透過側視圖來觀察螺絲在跟骨外側的相對位置，以幫助骨科醫師能在手術中找到最正確的固定位置。經剖面分析後，本患者2的關節面骨質仍十分堅固，並無骨質疏鬆或破碎的現象，所以主要的兩個螺絲鎖固在、兩個孔位上，而其他位置則依據三點固定原則，鎖固在①、②、③、⑦、⑧、⑨等六個位置上。而固定跟骨骨板5的位置則定義在跟骨骨板5關節面螺絲孔位與跟骨關節面之間，其間距為5mm，以提供給醫師作為定位的參考值。

最後，利用快速成型機將病患2術前的骨塊立體影像32以及固定用的跟骨骨板5製作成實體模型(如圖16所示)，並利用該實體模型進行骨折重建手術來驗證資料的信度。因為本臨床案例中使用的跟骨骨塊21和固定用的跟骨骨板5之實體模型都是全尺寸的模型，所以可驗證本發明術前規劃系統所計算出的資料是否具有相當高的可信度，以提升手術的準確性及安全性。

利用上述本發明之術前規劃系統1執行臨床手術後，將本案例手術的X光圖與本次術前模擬的結果做比對，可 驗證術前模擬和術後成果的完成度。根據術前術後的比對結果，可得知骨釘的鎖固位置都有符合術前模擬的規劃結果，固定的效果也符合臨床案例所需達成的目的，另外也可得知病患2之伯勒氏角的復原程度比術前模擬的結果還要好。

值得注意的是，在本較佳實施例中是以如何利用本發明術前規劃系統1來輔助臨床醫師進行跟骨骨折骨板固定手術為例，然而，於實際應用上，本發明也可用來針對病患2之身體其他部位(如身體四肢、頭顱、軀幹)的骨塊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骨板固定手術術前規劃系統1可據以在進行該類手術時，可將骨板5調整至適當曲度並置於跟骨之適當位置，藉以除可穩固骨釘之固定位置外，並可使骨板5對跟骨的包覆性提升，因而運用本發明術前規劃系統1所進行之臨床手術具有可提升手術之可靠性，並縮短手術時間之優點，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，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‧‧‧骨塊壓力比對模組

101‧‧‧異常標示

11‧‧‧骨塊影像建立模組

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

16‧‧‧骨板影像建立模組

2‧‧‧病患

21‧‧‧骨塊

31‧‧‧掃描影像

32‧‧‧骨塊立體影像

33‧‧‧骨塊立體局部影像

34‧‧‧骨板立體影像

4‧‧‧診療檯

5‧‧‧骨板

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

圖3是一影像圖，說明透過本系統之一影像擷取單元對一骨塊進行掃描所輸出之一掃描影像；圖4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骨塊立體影像；圖5是一影像圖，說明一市售跟骨骨板實品；圖6是一影像圖，說明透過本系統之一骨板影像建立模組對該市售跟骨骨板實品所建立之一骨板立體影像；圖7是一影像圖，說明藉由該骨板影像建立模組所調整之具有曲度之骨板立體影像；圖8是一影像圖，說明Tongue type患者之二維X光片影像；圖9是一影像圖，說明Tongue type患者之骨塊立體影像；圖10是一示意圖，說明正常跟骨的伯勒式角；圖11是一影像圖，說明跟骨骨折復位前之骨塊立體影像；圖12是一影像圖，說明跟骨骨折復位後之骨塊立體影像；圖13是一影像圖，說明跟骨骨折復位後之骨塊立體剖面影像；圖14是一影像圖，說明教科書上所記載的骨釘落點分析； 圖15是一影像圖，說明本發明術前規劃系統較佳實施例中的跟骨及骨板立體影像示意圖；以及圖16是一影像圖，說明依據圖15之規劃結果所建立的全尺寸實體模型。

1‧‧‧多媒體全尺寸立體骨塊手術術前規劃系統

10‧‧‧骨塊壓力比對模組

11‧‧‧骨塊影像建立模組

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

16‧‧‧骨板影像建立模組

2‧‧‧病患

21‧‧‧骨塊

31‧‧‧掃描影像

32‧‧‧骨塊立體影像

33‧‧‧骨塊立體局部影像

34‧‧‧骨板立體影像

4‧‧‧診療檯

Claims (7)

1. 一種多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統，適用於對利用一骨板對一骨塊所進行之手術進行術前規劃，其中該骨板為平板狀，該系統包含：一骨塊壓力比對模組，設於一可傾斜升降之診療檯，內建一正常骨塊壓力平均數據，並於量測該骨塊後進行比對，若有差異，即表示須對該骨塊進行規劃手術，且於比對差異處顯示至少一異常標示；一骨塊影像建立模組，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骨塊進行掃描，以擷取出一掃描影像，再藉由該影像轉換單元將該掃描影像轉換成一骨塊立體影像；一骨板影像建立模組，用以建立該骨板之一骨板立體影像，且用以將該原為平板狀之骨板立體影像之一部分調整至一特定曲度；以及一評估模擬模組，用來對該骨塊立體影像以及該骨板立體影像進行一模擬處理作業。
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骨板固定手術術前規劃系統，其中該影像擷取單元為一斷層掃描裝置。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統，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，而產生出該骨塊立體影像。
4. 依據申請專利範圍第1項所述之多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統，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骨塊立體影像以及該骨板立體影像的模擬處理作業。
5. 依據申請專利範圍第1、2、3或4項所述之多媒體全尺寸立體骨塊骨板固定手術術前規劃系統，更包含一顯示模組，用來呈現該掃描影像、骨塊立體影像、骨板立體影像及模擬處理作業。
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骨板固定手術術前規劃系統，更包含一資料庫，用來儲存該骨塊立體影像以及該骨板立體影像。
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骨板固定手術術前規劃系統，更包含一多媒體模組，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。