TWI441106B - 以影像為基礎之外科手術模擬系統 - Google Patents

Description

以影像為基礎之外科手術模擬系統

本發明係關於一種以影像為基礎之外科手術模擬系統以及一種外科手術的模擬方法，並且特別地，本發明係關於一種讓使用者免於受訓者在進行放射性外科手術的訓練時，接受高劑量放射性光線的模擬系統以及模擬方法。

微創手術是現今所有外科手術的新趨向，自九十年代開始漸漸被的接受，至今已被廣泛應用於多種的外科手術。現今手術科技之發展，外科醫生只需通過數個小切口或如口腔及肛門等身體之天然開口，便能把內視鏡及各種微小精細的儀器放入體內進行手術，從而代替需要大切口才能完成的傳統手術。由於微創手術應用的儀器較為精確，因此能減少手術所帶來的創傷性及出血量，使病人在手術後能較快地康復及較早出院，亦能把留下的疤痕、傷口、痛楚及感染的機會大大減少。

微創手術可大致的歸納分成三類：一是常用的內視鏡，二是搭配導航裝置的系統，三是以改變技巧來減少對組織的傷害。其中，搭配導航裝置的系統又稱C-arm影像輔助手術導航系統，其原理是由利用如X光機的放射性影像成像機取得兩張患者患處的影像資料，再以影像處理程序分別的反推影影像資料相對應的X光發射源的位置，進而由求得目標點的座標以及相對應的方向，接著由光學式定位器動態追蹤手術器械方位，經座標轉換後即可將處理後的影像顯示於電腦上，以讓醫師可藉由影像上器械與目標方位的差異，來得知器械位於患處的方位。

考量現行C-arm影像輔助手術導航系統係利用放射手段來取得器械於患者體內的座標資料，醫生進行手術的次數越多受到的照射劑量就越大，照射劑量長期累積勢將一定程度的提高了醫護人員的健康風險。

故此，在現行的訓練機制中，醫師在進行微創手術的訓練時，將無可避免地接受到大量的放射性照射。據此，如何讓醫護人員在接受C-arm影像輔助手術導航系統的訓練時減少或避免照射劑量的累積，實為所屬技術領域存在已久且無法解決的問題。

本發明揭露一種以影像為基礎之外科手術模擬系統，用以供一使用者進行一放射性外科手術的訓練，本發明模擬系統包含一動物模型、一放射性模擬裝置、一運算裝置以及一顯示裝置。

其中，動物模型包含有一感測模組，感測模組係用以產生一相對應的座標資料。放射性模擬裝置用於根據放射性模擬裝置的狀態產生一位置資料，放射性模擬裝置所處的狀態得由使用者調整。運算裝置與放射性模擬裝置電性連接，用於利用座標資料以及位置資料產生一第一影像，運算裝置包含一儲存模組以及一處理模組。儲存模組係用於儲存相對應於動物模型的一數位模型。處理模組係與儲存模組連接，用以根據座標資料、位置資料以及數位模型產生一相對應的第一影像。顯示裝置，與處理模組連接，用以對使用者顯示第一影像。

另外，於實際應用時，處理模組係進一步地用以根據座標資料、位置資料以及數位模型產生一相對應的一第二影像。再者，本發明所提供的以影像為基礎之外科手術模擬系統更進一步包含有一手術工具以及一植入物，手術工具以及植入物均分別包含有感測模組並分別以產生相對應的座標資料。另外，本發明模擬系統進一步包含有一磁場定位接收器，與運算裝置連接，用以接收感測模組的座標資料並傳送予運算裝置。

本發明的另一範疇係提供一種模擬放射性外科手術的方法，用以供一使用者在無放射性污染的狀況下進行一放射性外科手術的訓練，其包含以下步驟：準備一動物模型，動物模型包含有一感測模組，感測模組係用以產生一相對應的座標資料；準備一放射性模擬裝置，係用以產生一相對應的位置資料；根據動物模型的座標資料以及位置資料以產生一第一影像；以及顯示第一影像。

再者，於實際使用時，本發明方法進一步包含準備一植入物，植入物包含有感測模組，感測模組係用以產生相對應的座標資料；以及準備一手術工具，手術工具包含有感測模組，感測模組係用以產生相對應的座標資料。

再者，本發明方法進一步包含根據動物模型的座標資料、位置資料以產生一第一影像的步驟進一步包含根據動物模型、植入物以及手術工具的座標資料以及位置資料以產生第一影像；以及根據動物模型、植入物以及手術工具的座標資料、位置資料以及數位模型以產生一第二影像；以及顯示第二影像。

另外，本發明方法另包含以下步驟：根據動物模型的座標資料以及位置資料以產生一第一影像係進一步包含根據動物模型、植入物以及手術工具分別建立相對應的一數位模型；分別根據相對應於動物模型、植入物以及手術工具的座標資料以及相對應的數位模型來分別推算動物模型、植入物以及手術工具的位置；以及根據動物模型、植入物、手術工具的位置以及位置資料來產生一第一影像。

綜上所述，本發明所提供了一種以影像為基礎之外科手術模擬系統以及模擬放射性外科手術的方法，解決了傳統微創手術的訓練人員因需對動物模型進行放射性拍攝，而使其被迫曝露於長期且高劑量的放射線環境中的問題。再者，在使用習知的方式進行訓練時，受訓人員在根據放射性投影影像進行判斷後，將無法立刻得知其判斷是否正確，然而透過本發明系統及方法的設計，受訓人員得即時的被提供一正確的影像，以增加其學習的效率。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

為使本創作能更清楚的被說明，請參照以下本發明詳細說明及其中所包括之實例可更容易地理解本創作。本說明書僅對本發明之必要元件作出陳述，說明書之概要說明及詳細說明二部僅係用於說明本創作其中一可能之實例，然而說明書之記述應不限制本發明所主張之技術本質之權利範圍。除非於說明書明確地排除其可能，否則本發明並不限於特定結構、材料、功能或手段。亦應瞭解，目前所述僅係實例本發明時可能之實施例，在本發明之實踐或測試中可使用與所述方法及材料相類似或等效之任何方法、材料、元件、裝置或手段。

再者除非另外定義，否則本說明書所用之所有技術及科學術語皆具有與熟習本發明所屬技術者通常所瞭解意義相同之意義。儘管在本發明之實踐或測試中可使用與彼等所述方法及材料相類似或等效之任何方法及材料，但目前所述係實例方法及材料。

再者，圖式僅為表達本發明之精神，其不以等比為必要，使用者得據所屬技術領域之知識自由的將各結構元件之比例放大或減小。另外，本說明書中的各圖式間的各元件間之比例已經過調整以維持各圖面的簡潔，故此，圖面中的各個元件的相對應大小、位置以及形狀均僅供參考，在不脫離本發明的發明觀念下，各個元件的大小、位置以及形狀等特徵之安排端看使用者之要求而自由變更。另外，考量本發明之各元件之性質為相互類似，故各元件間的說明、標號為相互適用。

有見於傳統的C-arm影像輔助手術導航系統(下稱導航系統)於運作人員的訓練時，參與訓練的人員均無法避免長期放射性劑量於其體內累積。為改善本狀況，有學者提出醫護人員應於進行上述醫療行為或進行訓練時穿著防護衣，然而考量防護衣係利用鉛所製造，考量其重量因素，故防護衣的效果有限。

故此，為解決上述的問題，本發明揭露了一種以影像為基礎之外科手術模擬系統，用以供使用者在無放射性的環境中進行放射性外科手術的訓練，本發明模擬系統包含動物模型、放射性模擬裝置、處理模組以及顯示裝置。簡單的說，本發明的使用方式以及使用環境均與習知的導航系統為相同，先前技術與本發明的分別在於本發明模擬系統係利用一模擬C-ARM的放射性模擬裝置來取得剖面影像的所處座標後，透過數位模型來產生一相對應的影像並顯示予參與訓練的人員，以讓參與訓練的人員得以在無放射線的環境中得知各元件間的相對位置並據以進行系統訓練，故稱之為以影像為基礎之外科手術模擬系統。

更明確的說，本發明的以影像為基礎之外科手術模擬系統之使用方式為使用者將動物模型置放於手術桌上後，將一手術工具以及一植入物進入動物模型中進行微創手術的練習。當使用者認為有需要時，其將調整放射性模擬裝置的位置以及角度作出調整，放射性模擬裝置將相關參數傳送予運算裝置，以使運算裝置可根據設置於動物模型、植入物以及手術工具上的感測模組產生相對應的X光投影片影像以及真實的模擬影像；接著，X光投影片影像將透過顯示裝置顯示予使用者。據此，使用者可嘗試藉由X光投影片影像判讀動物模型、植入物以及手術工具的各個相對位置，使用者亦可選擇進一步觀看正確的真實的模擬影像以確定其判讀結果是否正確，以達成訓練之效。

請一併參閱圖一A以及圖一B。圖一A係繪述了本發明的一具體實施例的一種以影像為基礎之外科手術模擬系統使用時的示意圖，圖一B繪述了本發明的一種以影像為基礎之外科手術模擬系統的功能方塊圖。由圖可見，本發明所提供模擬系統係包含一動物模型12、一植入物13、一手術工具14、一放射性模擬裝置16、一運算裝置18以及一顯示裝置19。以下將分別針對本發明模擬系統的各個組成元件進行說明。

動物模型12係用以模擬一動物身體，更明確的說，其並不以模擬人類的身體為限，動物模型12亦得由其他動物身體的各部份如四肢、頭部、骨骼、體液或內臟擇一或組合而形成。動物模型12的外觀、質感、重量、硬度、黏性、放射性光線的吸收能力等物理及化學特性，均能按使用者的需要自由調整或模擬。更甚者，動物模型12不以模擬為限，其亦得為整體或部份為真實的動物身體。於本具體實施例中，本發明模擬系統係用於模擬一將椎弓足螺絲植入脊椎的外科微創手術，其動物模型12的主要組成元素將包含一椎體骨。另外，本發明的動物模型12中係設置有複數個感測模組11，感測模組11用以量測感測模組11所在表面的狀態產生一座標資料，座標資料包含了相對座標位置、傾角、速度或加速度等物理參數。於本具體實施例中，感測模組11係包含了六個參數，其分別為X軸、Y軸以及Z軸的座標位置以及感測模組11所處表面向X軸、Y軸、Z軸的夾角。

於本具體實施例中，本發明模擬系統係進一步包含一手術工具14以及一植入物13。手術工具14係泛指被使用於在動物模型12中進行行動的裝置。而植入物13則係泛指透過手術工具14被置放於動物模型12中的元件或裝置。於本具體實施例中，植入物13為一植入椎體之椎弓足螺絲，而手術工具14則為一植入器械。再者，於植入物13及手術工具14上的指定位置中均係分別的包含有一感測模組11。

於本具體實施例中，感測模組11為一磁性感測模組11，得以利用設置於動物模型12外的磁場定位接收器112來得到感測模組11相對應於磁場定位接收器112的相對位置。然而本發明的感測模組11不以磁力感測為限，按使用者之需要感測模組11亦得為一光感測元件。

本發明的放射性模擬裝置16係用於模擬例如倫琴射線設備(下稱X光機)等的放射性影像產生裝置，並根據放射性模擬裝置16的狀態、位置或角度產生一位置資料。於本具體實施例中，本發明的放射性模擬裝置16係一外型以及操作方法均與C型臂式(C-arm)X光機相同的裝置。其中，有別於習知技藝的C型臂式(C-arm)X光機，放射性模擬裝置16將不會產生任何具有放射性的光線，取而代之的，放射性模擬裝置16將會根據其所處的位置以及角度輸出一位置資料，而該位置資料係包含放射性模擬裝置16的感測器相對應於所處位置的相對座標位置、傾角、速度或加速度等物理參數。另外，與C型臂式X光機相同，放射性模擬裝置16所處的位置、角度以及其活動方式等參數均得由使用者自由設定或調整。於本具體實施例中，放射性模擬裝置16可為但不限於一感測模組11來感測其角度、位置、速度加速度等之資料

運算裝置18與放射性模擬裝置16電性連接。運算裝置18係用以根據動物模型12、植入物13、手術工具14的感測模組11所分別產生的座標資料以及數位模型來產生一相對應的第一影像以及第二影像。於本具體實施例中，第一影像係包含了2張X光投影影像，然而其不以2張為限，按設計者之需要X光投影影像的數量可自由的調整。再者，第一影像亦不以X光投影片影像為限，其亦得為一核磁共振影像或、一模擬的動物模型12的立體圖、一三維模擬場影圖或其他習知的醫療影像。上述的三維模擬場影圖係指以三維模型的方式來向使用者顯示各個元件的相對位置，讓使用者可以更直覺的得知手術之進度。

而於本具體實施例中，第二影像則為一實際狀況的示意圖，第二影像實際上可包含複數張影像，其係用於以一較明確的方式來對使用者提供實際狀況的影像，以讓使用者得以確認其藉由觀察第一影像得出的結論是否正確。

運算裝置18包含一儲存模組184以及一處理模組182。處理模組182係與放射性模擬裝置16以及磁場定位接收器112連接。於本具體實施例中，儲存模組184係用於儲存相對應於動物模型12、植入物13或手術工具14的數位模型。而處理模組182則係用於根據動物模型12、植入物13或手術工具14的座標資料、座標資料以及數位模型產生一相對應的第一影像以及第二影像。本發明的儲存模組184係泛指具有記憶功能的元件，如記憶體或硬碟，而處理模組182則係泛指具有數據處理功能的元件，如中央處理器。於本具體實施例中，運算裝置18為一個人電腦。

上述利用動物模型12、植入物13或手術工具14的座標資料、數位模型以及位置資料產生一相對應的第一影像以及第二影像的原理及方法將在下列說明。在建立並取得動物模型12、植入物13或手術工具14的數位模型後，便可藉由運算感測模組11所處的位置以及利用感測模組11所測得的X軸、Y軸、Z軸座標位置，以及感測模組11所處表面向X軸、Y軸、Z軸的夾角來精確的得知各個元件的位置以及狀態，進產生動物模型12、植入物13以及手術工具14及其相對關係的三維或投影影像。

顯示裝置19係泛指用以對使用者顯示第一影像或第二影像的裝置。於本具體實施例中，顯示裝置19為一與處理模組182連接的高解析度顯示屏。連接一詞的意思在於說明了顯示裝置19係與處理模組182間係存在資料或電子訊號的傳輸手段，其二者間並不以具有一實體電線為必要，其二者可利用無線通訊模組甚至是利用隨身碟進行其二者之間的數據傳輸等手段為之。

請參閱圖二，圖二係繪述了本發明的一種模擬放射性外科手術方法的流程圖。本發明方法係用以提供一使用者或受訓者在無放射性污染的狀況下進行一種放射性外科手術的訓練，本發明方法包含步驟(S1)至步驟(S10)。需注意的是，步驟(S1)至步驟(S10)不以下列的排序為限，使用者得按其實際的需要自行安排合適的順序以最佳化其效果。再者，考量部份名詞的說明已於說明書的他部出現，故將不對其多加贅述。

於本具體實施例中，步驟(S1)為準備一動物模型，動物模型包含有一感測模組，感測模組係用以產生一相對應的座標資料。步驟(S2)為準備一放射性模擬裝置，用以模擬習知的C-ARM X光機以產生一相對應的位置資料。步驟(S3)為準備一植入物，植入物包含有感測模組，用以產生相對應的座標資料。步驟(S4)為準備一手術工具，手術工具包含有感測模組，用以產生相對應的座標資料。步驟S5為根據動物模型的座標資料以及位置資料以產生一第一影像。其中，步驟S5又進一步的包含數個子步驟，其分別為步驟S51、步驟S52、步驟S53以及步驟S54。步驟S51為根據動物模型、植入物以及手術工具分別建立相對應的一數位模型。步驟S52為分別根據相對應於動物模型、植入物以及手術工具的座標資料以及相對應的數位模型來分別推算動物模型、植入物以及手術工具的位置。步驟S53為根據動物模型、植入物、手術工具的位置以及位置資料來產生一第一影像；而步驟S54為根據動物模型、植入物、手術工具的位置以及位置資料來產生第二影像。接著進行步驟S6以及步驟S7，而步驟S6以及步驟S7係分別為顯示第一影像以及第二影像。

綜上所述，本發明所提供以影像為基礎之外科手術模擬系統以及模擬放射性外科手術的方法，解決了傳統微創手術的訓練人員因需對動物模型進行放射性拍攝，而使其被迫曝露於長期且高劑量的放射線環境中的問題。再者，在使用習知的方式進行訓練時，受訓人員在根據放射性投影影像進行判斷後，將無法立刻得知其判斷是否正確，然而透過本發明系統及方法的設計，受訓人員得即時的被提供一正確的影像，以增加其學習的效率。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

1．．．以影像為基礎之外科手術模擬系統

11．．．感測模組

112．．．磁場定位接收器

12．．．動物模型

13．．．植入物

14．．．手術工具

16．．．放射性模擬裝置

18．．．運算裝置

182．．．處理模組

184．．．儲存模組

19．．．顯示裝置

S1~S7，S51~S54．．．流程步驟

圖一A係繪述了本發明的一具體實施例的一種以影像為基礎之外科手術模擬系統使用時的示意圖。

圖一B則繪述了本發明的一種以影像為基礎之外科手術模擬系統的功能方塊圖。

圖二係繪述了本發明的一種模擬放射性外科手術方法的流程圖。

1．．．以影像為基礎之外科手術模擬系統

11．．．感測模組

112．．．磁場定位接收器

12．．．動物模型

13．．．植入物

14．．．手術工具

16．．．放射性模擬裝置

18．．．運算裝置

182．．．處理模組

184．．．儲存模組

19．．．顯示裝置

Claims (9)

1. 一種以影像為基礎之外科手術模擬系統，用以供一使用者進行一放射性外科手術的訓練，其包含有：一動物模型，該動物模型包含有一感測模組，該感測模組係用以產生一相對應的座標資料；一放射性模擬裝置，用於根據該放射性模擬裝置的狀態產生一位置資料，該放射性模擬裝置所處的狀態得由該使用者調整；一運算裝置，與該放射性模擬裝置電性連接，用於利用該座標資料以及該位置資料產生一第一影像，該運算裝置包含：一儲存模組，用於儲存相對應於該動物模型的一數位模型；以及一處理模組，與該儲存模組連接，用以根據該座標資料、該位置資料以及該數位模型產生一相對應的該第一影像；以及一顯示裝置，與該處理模組連接，用以對該使用者顯示該第一影像。
2. 如申請專利範圍第1項的模擬系統，其中該處理模組係進一步的用以根據該座標資料、該位置資料以及該數位模型產生一相對應的一第二影像。
3. 如申請專利範圍第1項的模擬系統，其進一步包含有一工具以及一植入物，該刀具以及該植入物均分別包含有該感測模組並分別以產生該相對應的座標資料。
4. 如申請專利範圍第1項的模擬系統，其進一步包含有一磁場定位接收器，與該運算裝置連接，用以感測該感測模組的座標資料並傳送予該運算裝置。
5. 一種模擬放射性外科手術的方法，用以供一使用者在無放射性污染的狀況下進行一放射性外科手術的訓練，其包含以下步驟：S1：準備一動物模型，該動物模型包含有一感測模組，該感測模組係用以產生一相對應的座標資料；S2：準備一放射性模擬裝置，係用以產生一相對應的位置資料；根據該動物模型的該座標資料以及位置資料以產生一第一影像；以及S6：顯示該第一影像。
6. 如申請專利範圍第5項的方法，其進一步包含以下的步驟：S3：準備一植入物，該植入物包含有該感測模組，該感測模組係用以產生該相對應的座標資料；以及S4：準備一工具，該工具包含有該感測模組，該感測模組係用以產生該相對應的座標資料。
7. 如申請專利範圍第6項的方法，其中根據該動物模型的該座標資料、位置資料以產生一第一影像的步驟進一步包含以下子步驟：S5：根據該動物模型、該植入物以及該工具的該些座標資料以及位置資料以產生該第一影像。
8. 如申請專利範圍第7項的方法，其進一步包含以下的步驟：S54：根據該動物模型、該植入物以及該工具的該些座標資料、位置資料以及該數位模型以產生一第二影像；以及顯示該第二影像。
9. 如申請專利範圍第7項的方法，其中根據該動物模型的該座標資料以及位置資料以產生一第一影像係進一步包含下列子步驟：S51：根據該動物模型、該植入物以及該工具分別建立相對應的一數位模型；S52：分別根據相對應於該動物模型、該植入物以及該工具的該座標資料以及相對應的該數位模型來分別推算該動物模 型、該植入物以及該工具的位置；以及S53：根據該動物模型、該植入物、該工具的位置以及該位置資料來產生該第一影像。