TWI450228B - A method of simulating spinal surgery on a computer system - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種於電腦系統上模擬手術的方法，特別是指一種於電腦系統上採用非球形刀具之模擬脊椎手術的方法。
脊錐手術使用的刀具形狀種類通常包括：基本形狀，如橢圓(球形)或圓柱體(如Round Fluted、Round Diamond、Drum)，或者是基本形狀的極端形(如Heliocoidal Rasp、Diamond Disc、Straight Router)，或是一些基本形狀所構成的組合形，如：Acorn是一個圓柱體加上圓椎體所構成、Neuro是個圓柱體加上一個半橢圓所構成、Barrel是一個圓柱體上下加上一個半球形，因而，目前於電腦系統上模擬手術的方法面臨的課題之一即是：現有電腦系統上模擬手術的方法採用之力回饋器皆採用球形刀具，無法提供如前述形狀的刀具。
再者，電腦系統上模擬手術的系統一般以容積(Volumn)資料為計算單位，手術過程中，力回饋器之刀具移動時形成之掃開體積的容積素化(Voxelization)，主要是在容積實體(Volumetric solid)的解剖結構(Anatomic structure)做集合演算。所謂容積素(Voxel)資訊是指在一預先配置的記憶體中，利用三維影像來源之多張CT影像片(Slice)依據深度(z)、高度(y)及寬度(z)順序將每一點之灰階值加以記錄，此記憶體中的每個座標點記錄之灰階值可經換算成一容積素資訊，而容積素之座標(x,y,z)即構成一容積座標系統(Volume Coordinate System)之座標點。
參閱圖1，在非球形工具會遭遇的課題，以一圓柱體之刀具91為例，力回饋器所定義刀具之座標系統為x,y,z軸；容積座標系統之主軸為X,Y,Z軸，且具有與容積主軸X,Y,Z軸相平行之軸線(為方便說明，僅以Y軸之平行線901表示)，與工具交點之符號為○。
刀具91需以平行於與容積主軸X,Y,Z軸相平行之軸線(如：平行線901)為基準，計算刀具掃開體積與主軸平行線的交點計算，但此計算複雜，會使得手術模擬反應(如觸覺需1/1000秒)無法即時，因此目前於電腦系統上模擬手術的方法面臨的課題之二：即是需設法加快刀具掃開體積及主軸平行線的交點計算。
歸納上述，現有電腦系統上模擬手術的方法需解決的缺失為：
1.現有手術模擬之力回饋器皆採用球形刀具，無法提供例如：柱體、橢圓或圓椎體等非球形刀具。
2.無法簡化刀具表現以快速交點計算，因為刀具的表現及和主軸平行線的交點計算為最耗時。
因此，本發明之目的，即在提供一種採用柱體、橢圓或圓椎體等非球形刀具，且能加快刀具掃開體積及主軸平行線的交點計算之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法。
於是，本發明於於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，該電腦系統執行包括下述步驟：(a)接受一選擇一刀具種類為一圓柱體、一橢圓或一圓椎體之刀具選擇指令；(b)依據該刀具選擇指令進行該刀具之樣點設定；(c)計算該刀具掃過的範圍；(d)計算該刀具的一容積化範圍，該容積化範圍係計算在容積座標系統之XYZ軸中，在包含該刀具表面和刀具邊緣掃開面中的數個交點中，與XY、YZ或XZ平面距離最小和最大交點所構成的封閉直線；(e)將該容積化範圍與該容積樣點比對是否有切削；(f)動態決定一刀具樣點；及(g)該刀具樣點與該容積化範圍比對以決定一力回饋器之輸出力量。
本發明之功效在於：採用柱體、橢圓或圓椎體等之非球形刀具，並簡化刀具表現以快速交點計算，因為刀具的表現及和主軸平行線的交點計算為最耗時，因此這方面節省計算時間可達到快速化的效果。
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較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。
參閱圖2，本發明之較佳實施例中，電腦系統100具有一運算裝置1、一顯示裝置2及一輸入裝置4，並具有儲存一CT影像資料庫51及一三維影像資料庫52之儲存裝置(圖未示)，且運算裝置1配合一力回饋器3執行一程式軟體以實現於電腦系統100模擬脊椎手術的方法。
其中，運算裝置1安裝之程式軟體係規劃成一刀具運算
程式11及一顯像程式12，顯像程式12是將CT影像資料庫51之影像資料換算成三維影像供顯示裝置2作顯示，力回饋器3則是能產生六維資料(三座標值及三角度值)予刀具運算程式11以計算適當的力量參數供力回饋器3產生對應之阻力，關於力回饋系統及即時觸覺顯像反應的相關技術可參見發明人之台灣申請號第97135463號的專利案內容，本發明之重點主要是刀具運算程式11之處理流程將於以下詳述，且針對組織分離處理及脊椎手術模擬結果分別加以介紹。
參閱圖3，本發明於電腦系統上模擬脊椎手術的方法之較佳實施例的流程步驟包括：刀具起始化程序(步驟S10)，設定完成後，開始操作刀具(步驟S11)，進入一掃過(Callback)範圍，取得目前力回饋點及狀態(步驟S12)，並判斷切削功能是否啟動(步驟S13)？若未啟動切削功能，則判斷刀具是否碰觸骨頭組織容積素(步驟S14)？若否，則不作任何事(步驟S15)，若是，則回傳阻抗力反抗刀具進入骨頭(步驟S16)。
若啟動切削功能，則判斷刀具是否碰觸骨頭組織容積素(步驟S17)？若否，則不作任何事(步驟S15)，若是，則進入力量換算程序(步驟S18)，同時，進行組織分離處理程序(步驟S21)；當各樣點(又稱作頂點；vertices)之力量完成計算，將各樣點之力量加總回傳至力回饋器(步驟S19)，然後記錄目前力回饋器感應點座標至下一次掃過範圍(步驟S20)。
參閱圖4，並配合圖3，刀具起始化程序(步驟S10)包括之子步驟為：選取刀具(步驟S101)，例如：利用程式介面21進行選取刀具選項211，刀具基本形狀所構成的組合狀如圓柱形(Cylinder)、球形(Ball)、橢圓形(Ellipse)、棒狀(Neuro)、桶狀(Barrel)、橡實形(Acorn)；刀具參數初始設定(步驟S102)，例如：利用程式介面21之刀具參數選項212對前述刀具之尺寸進行設定；以及刀具樣點初始設定(步驟S103)，步驟S103是依據不同刀具種類進行刀具樣點初始設定，以下分別介紹包括圓柱體(如圖5)及橢圓(如圖6)樣點分佈之初始設定。
參閱圖5，圓柱體的樣點初始設定，在世界座標中，高度為h的圓柱體，其頂端與底部的圓心分別為C1及C2，所對應的半徑分別為r1及r2，將圓心C2置於原點且指向z軸的方向，圓柱體設置樣點時，只須在圓柱體的頂端的球面及側面的部份設置樣點。假設每個容積素的實際長度為p，在圓柱體頂端部份，自半徑r1，向圓心C1方向，每隔一個容積素的長度遞減，形成一個新的半徑，在每一個新的半徑所構成的圓周上，每隔一個容積素長度設置樣點。在圓柱體側面部份，自圓心C1向圓心C2方向，每隔一個容積素長度形成新的球面，且每個新的球面所對應的半徑為，其中z值為所在的球面的圓心z值座標，則在
每一個球面的圓周上每隔一個容積素的長度設置樣點。當本發明在每一個圓周上設置樣點時，當樣點個數無法整除360度時，則將求得樣點的個數每次遞增遞減1，直到找最近整除360度的個數為止。
參閱圖6，橢圓的樣點初始設定，在世界座標中，假設橢圓的球心C
置於原點且指向z
軸方向，其半徑分別為r a
、r z
，且ra不等於rz(當為球形時半徑r a
=r z
)，則方程式為。假設每個容積素的實際長度為p
，以原點為起點，每隔一個容積素長度往z
軸遞增(遞減)，形成一個新的球面，且每個球面的方程式為，所對應的半徑為，其中q
值為每一個球面的圓心所在的z
值的座標位置，在每一個球面的圓周上每隔一個容積素的長度設置樣點，當樣點個數無法整除360度時，則將求得樣點的個數每次遞增遞減1，直到找最近整除360度的個數為止。
再參閱圖3，力量換算程序(步驟S18)包括之子步驟為：計算刀具掃過的範圍(步驟S181)，將刀具置於原點指向z軸(步驟S182)，計算刀具的容積化範圍(步驟S183)，將容積化範圍與容積樣點比對是否有切削(步驟S184)，動態決定
刀具樣點(步驟S185)，刀具樣點與容積化範圍比對以決定力量(步驟S186)，各子步驟分別介紹如下：
計算刀具切削量前，首先必須定義出刀具在每次掃過(callback)的範圍，在這個範圍內，容積才可能被切削而改變，依據刀具各種形狀，本發明將此掃過範圍定義為一個立方體區域，在刀具四周設定一個立方體區域，此立方體區域須能夠完全涵蓋刀具先前掃過之刀具座標，及目前掃過之刀具座標。此立方體區域範圍內容積樣點才有可能被刀具切削而改變。立方體區域計算目的，是將來要容積素化時，因為容積素化計算一定依附在刀具上，而刀具一定在立方體區域內，如此才能夠定義出[x][y]，[y][z]，以及[x][z]三個迴圈的起始值及終止值(即立方體區域長寬高的最大最小值)，接下來依據各種刀具作詳細介紹。
參閱圖6，當刀具形狀為球形時，將先前(previous)及目前(current)的球心座標值，各別加上和減去刀具半徑較大者(球形時半徑相同)，然後比較所得到的值，其最大及最小值即是立方體區域長寬高的最大和最小值；以xz平面來看，其目前的球心(x,y,z)及先前的球心(x’,y’,z’)，半徑最大值為r，則x迴圈起始值=x-r，終止值=x’+r，z迴圈起始值=z+r，z終止值=z’-r。
參閱圖7，當刀具形狀為圓柱體時，將先前及目前的頂端球心座標值，各別加上和減去刀具半徑r1，底部球心座標值，各別加上和減去刀具半徑r2，然後比較所得到的值，
其最大及最小值即是立方體區域長寬高的最大和最小值，如圖7，以xz平面來看，其目前的頂端球心(x0,y0,z0)及底部球心(x1,y1,z1)，先前的頂端球心(x0’,y0’,z0’)及底部球心(x1’,y1’,z1’)，半徑分別為r1、r2，則x迴圈起始值=x0-r1，x迴圈終止值=x1’+r2，z迴圈起始值=z0’-r1，z迴圈終止值=z1+r2。
參閱圖8，當刀具形狀為組合形時，其計算方法，和上述的圓柱體相似。如圖8，其刀具形狀為一個圓柱體加上一個橢圓，以xz平面來看，其目前的頂端球心(x0,y0,z0)及底部球心(x1,y1,z1)，先前的頂端球心(x0’,y0’,z0’)及底部球心(x1’,y1’,z1’)，半徑分別為r1、r2，且r1>r2，則x迴圈起始值=x0-r1，x迴圈終止值=x1’+r2，z迴圈起始值=z0’-r1，z迴圈終止值=z1+r2。
參閱圖9，本較佳實施例以力回饋器3(如：PHANTOM Desktop)取得刀具的原點31及坐標軸方向，如面對機器其機器手把32的方向為空間座標的z
軸，手把32之按鈕321外的方向為y
軸，而y
軸與z
軸作外積而成的方向即是x
軸，而此刀具原點31及軸向量也成為刀具表現簡化交點計算的基礎，因此座標會隨6D輸入的改變，因此位置不改變的容積座標(X
,Y
,Z
)，必須要求其對交到刀具座標的轉換矩陣，此轉換矩陣的求法為：在此將刀具的基本表現為置於原點，其指向z
軸，因此原先的容積座標刀具向量u
=[α x ,α y ,α z
]，對刀具座標的相對矩陣求法如下：
參閱圖10，首先，對x
軸旋轉θ x
角度至xz
平面(y
=0
)，得到新的向量w
，接著，參閱圖11，再對向量w
順時針旋轉θ y
角度，使其指向z
軸，而R x
(θ x
)及R y
(θ y
)的實際值如下方程式：
由圖10可知且向量u
對x
軸旋轉角度等價於投影向量對z
軸的夾角，並且可以知道sinθ x
=α y /d
及cosθ x
=α z /d
，由圖11可知sinθ y
=α x
及cosθ y
=d
。
容積素化範圍主要是計算該刀具的一容積化範圍，該容積化範圍係計算在容積座標系統之XYZ軸中，在包含該刀具表面和刀具邊緣掃開面中的數個交點中，與XY、YZ或XZ平面距離最小和最大交點所構成的封閉直線。
本發明的概念即在於：刀具向量作用於容積主軸之平行線上，即可得容積主軸在刀具座標的表現，用此來求得交點以容積素化，在此先求刀具形狀為圓柱體、橢圓(球形)或圓椎形的容積素化的交點計算。
參閱圖12至圖15，解釋容積平行軸、容積樣點與工具交點，各符號之意義為●代表容積取樣點；○代表交點，圓柱體、橢圓及圓椎體之交點計算方式介紹如下：
參閱圖12，圓柱體的交點計算方式為：當刀具為高度h
的圓柱體，其頂端與底部的球面所對應的半徑分別為r 1
及r 2
時，其圓柱體的方程式為0 z h
，因為此方程式是置於原點指向z軸方向，故要求圓柱體與主軸平行線的交點時，則主軸平行線也要隨著刀具做相對應的旋轉轉化。故將轉化過的主軸平行線參數式代入圓柱體方程式計算得其中，計算出，其中，，，再將t
值代入直線參數式中，求出z
值，若符合0 z h
時，則與圓柱體有交點。
由圖12可知轉化過的主軸平行線與圓柱體的相交情形，可能交於圓柱體頂端與底部的球面及圓柱體其餘的部份，為了計算交點的方便性及減少交點計算的運算量，故分為下列的三種情況來討論。
1.檢查直線與圓柱體底部的球面是否有交點，將z
=0代入直線參數式，求出t
值，再將t
值代入直線的參數式，算出x
與y
值，若符合，則主軸平行線與圓柱體底部的球面交點。
2.檢查直線與圓柱體頂端的球面是否有交點，將z
=h
代入直線參數式，求出t
值，再將t
值代入直線參數式，算出x
與y
值，若符合，則主軸平行線與圓柱體頂端的球面有交點。
3.檢查與圓柱體其餘的部份是否有交點，將直線參數式代入圓柱體方程式，計算出t
值，再將t
值代入直線參數式中，求出z
值，若符合0<z
<h
時，則主軸平行線與圓柱體其餘的部份有交點。
參閱圖13，橢圓的交點計算方式為：當刀具為橢圓，求與主軸平行線的交點座標時，只須將其直線參數式代入橢圓的方程式中，求出交點座標。但為了當刀具形狀為組合形狀時，只須部份的橢圓時及計算上的方便，本發明也將橢圓置於原點及指向z軸方向來表示，利用z的座標值來判斷主軸平行線與橢圓是否有交點。
假設當刀具為橢圓，本發明將橢圓球心置於原點及指向z軸方向，其半徑分別為ra、rz(當刀具為球時半徑ra=rz)，其橢圓方程式為，則主軸平行線也要做相對應的轉化。故要求其轉化過的主軸平行線與橢圓的交點座標，將其直線參數式代入橢圓的方程式，得(a 2
+b 2
+c 2
)t 2
+2(ai
+bj
+ck
)t
+(i 2
+j 2
+k 2
-1)=0，其中、、、、、、計算出且其中A
=(a 2
+b 2
+c 2
)、B
=(ai
+bj
+ck
)、C
=(i 2
+j 2
+k 2
-1)，將t值代入直線參數式中的求出z值，若符合-r z z r z
，則主軸平行線與橢圓有交點。
參閱圖14，圓椎體的交點計算方式為：當刀具為高度h
、半徑為r
的圓椎體時，本發明將其尖端置於原點指向z
軸方向，其圓椎體的方程式為，則主軸平行線也要做相對應的轉化，故要求其轉化過的主軸平行線與圓椎體的交點座標，將其直線參數式代入圓椎體的方程式，得，計算出且其中，，，將t
值代入直線參數式中的求出z
值，若符合0 z h
，則主軸平行線與圓椎體有交點。
參閱圖15，刀具合成多樣性的交點計算方式為：當刀具是如Neuro之組合形狀時，其為一圓柱體加上一個半橢圓，則先將刀具旋轉置於原點且指向z
軸來表現，個別求出當刀具形狀為圓柱體及半橢圓與旋轉過後的主軸平行線的交點，利用z
值座標的坐落位置來判斷是否相交，若0
≦z
≦h
則與刀具Neuro有交點，且圓柱體及橢圓重疊的部份不
須要計算。並且在數個交點中取與XY
、YZ
或XZ
平面距離最小和最大交點所構成的封閉直線，形成容積素化區域。
參閱圖16，刀具掃開體積是由現在、前一個刀具及刀具前進時增加的邊緣掃開面所構成的。邊緣的法向量垂直刀具前進的方向，以橢圓為例：假如本發明使用現在、前一個刀具怱略邊緣掃開面來模擬刀具掃開體積，圖中的紅色部份則沒有切削，假設最大沒有切削為h
，則，其中r
為刀具的半徑，f
為刀具每1/1000秒的距離。由這個公式可以知道，較小的半徑及較大的刀具前進距離，會產生較大邊緣掃開面沒有切削。當h
=0.65距離階值(Distance Level)，相當於1mm，其刀具前進的速率為100mm/s時，其距離階值<1，可以怱略。
計算完容積素化區域，則可以開始計算刀具切削量，若容積樣點或者是實體容積素(Solid Voxel)在容積素化區域內，則表示切削，若不在容積素化區域內，表示沒有切削。在切削情形中，若實體容積素被切削，則將實體容積素改為空的容積素(Null Voxel)，若容積樣點發生取代情形，則更改實體容積素之距離階值，表示樣點距離被改變，則容積切削情形分為下來三種情形來討論。
如圖17(a)中，實體容積素V沒有被切削，但其實體容積素V的-x
方向的容積樣點被切削。圖17(b)中，實體容積素V被切削且實體容積素V的-x
及-y
軸的容積樣點被切
削，但兩個相鄰容積素間只能存在一個樣點，所以原來在實體容積素V的x
軸的容積樣點則須砍掉，視為邊界面消失。圖17(c)中，刀具沒有切到實體容積素V及容積樣點，視同沒有切削動作，此種情形極少發生。
刀具的幾何形狀及進刀角度決定刀具表面樣點的設置。當刀具的形狀與三軸平行，像球形，只須在與刀具前進方向垂直的前半個球面上設置樣點。當刀具的形狀與中心軸平行，像圓柱體、橢圓、及組合形狀。以圓柱體為例，當刀具前進方向與中心軸平行，只須在圓柱體頂端的球面上，設置樣點，當刀具進前方向與中心軸垂直時，只須在與刀具前進方向垂直的前半個圓柱體側面上設置樣點。
在刀具表面設置樣點是為了判斷計算刀具切削容積時所產生的力量，且樣點的間距為一個容積素的距離，刀具的樣點座標經由座標轉換至容樍座標與構成容積素化區域發生取代情形的交點座標做比對，若刀具樣點最近的容積素化區域有取代情形，表示有切削容積，就會產生力量，則判定此樣點貢獻力量。
當刀具在切削組織(神經、椎間盤、骨頭)時，本發明會依據不同的組織回傳力量，且刀具切削不同組織，力量係數大小設定皆不同，切削骨頭回饋力量較大，設定的力量係數較大，切削其它組織時，力量係數設定較小，若刀具樣點最近的容積素化區域有取代情形，表示有切削容積，就會產生
力量，則判定此樣點貢獻力量。樣點若貢獻力量，會產生Ftang
、Fradius
Faxial
、Ftrust
其中Ftang
切線方向的力，Fradius
是向心力，Faxial
是沿著手把方向的正向力，Ftrust
是反抗刀具前進方向的力，四種力量計算公式如下：F tang
=△K H
dA f
F radius
=△K r
dA f
F axial
=△K A
dA f
F trust
=△K T
dA f
其中K H
，K R
，KA
，K T
，為力量係數，依據切削為何組織，設定其力量係數大小。△為依據目前為何種組織來給定，若為AIR_TYPE，則不貢獻力量。dA為刀具樣點間距離的高和寬相乘所得到的表面積。f為每1/1000秒的進刀距離。
再利用下列公式計算力回饋器X,Y,Z軸之力量參數，最後將四種力量分解加總，回傳至力回饋器，即完成力量之計算。α
為刀具樣點設定時，每個樣點旋轉之角度；ν為刀具前進方向之反方向的方向向量。
F X
=Σ(cosαF radius
-sinαF tang
+(v
．X
)F trust
)
F Y
=Σ(sinαF radius
+cosαF tang
+(v
．Y
)F trust
)
F Z
=Σ(F axial
+(v
．Z
)F trust
)
關於容積組織結構之三維影像重建方法及系統可參考發明人之台灣申請號第97112995號的專利案內容，在本發明中，整個容積組織結構的表示方式是由六個距離階值、六
個面碼(Face Flag,flag：1 or 0,code more than 2)、一個組織碼(Tissue Code)和一個結構碼(Structure Code)來描述容積素的資訊，主要藉由距離階值來產生邊界，六個方向的面碼可判斷相鄰容積素是否存在邊界，而從組織碼來判別該容積素是何種組織(骨頭、肌肉、空氣和其它組織)，關於每個容積素的六個面碼，分別表示X軸正方向、X軸負方向、Y軸正方向、Y軸負方向、Z軸正方向、Z軸負方向，其值為1表示與相鄰容積素有邊界存在，0表示無邊界存在。
參閱圖18，模擬刀具對容積切割時，軸平行線之橫斷面成為新的組織頂點，假設以容積素距離階值表示組織容積素及其中心之間的位置，此距離階值被更新以表示新的組織頂點。參閱圖18(a)及18(b)，假設橫斷面在組織容積素中心(U,V)及容積素(U)之間是無組織的，此容積素之面碼鄰近其他容積素之面(l1
,l2
,l3
)隨邊界而改變。同時，消除容積素的最初邊界面不再是邊界。
分離檢驗處理消除面碼以決定骨磨結構是否分離。所有結構的邊界面是連接封閉的，假設一些邊界面不能和其他邊界面連接，則骨磨結構是分離的，然而，檢查所有邊界是否相連是耗時的，因而，只有工具容積素邊界面被檢驗。
本發明方法記錄每個新邊界面的四邊，各記錄的邊界面，二個或一個工具面共用記錄的邊界面。假設原始邊界(非消除而產生)其邊界面將不被記錄。
例如，當容積素U被消除，只有邊界面l1
或l3
被記錄在邊界線c或邊界線g是一原來的邊界因此不記錄。同時，
二面被記錄在邊界線d，邊界面l2
及邊界面l3
被記錄在邊界線e。
參閱圖18(b)及18(c)，當容積素V被消除，邊界面l3
被刪除(不再是邊界)，產生了新邊界面l4
，邊界面l5
及邊界面l6
，在邊界線e記錄之面變為邊界面l2
及邊界面l4
，以及邊界線g記錄之面變成邊界面l6
，在邊界線h記錄之面變為邊界面l4
及邊界面l5
，及在邊界線i記錄之面變成邊界面l5
及邊界面l6
。
參閱圖18(c)及18(d)，當容積素W成功被消除，邊界面l4
被刪除及產生邊界面l7
，記錄在邊界線h的面變成只有邊界面l5
，記錄在邊界線j的面變成邊界面l7
；參閱圖18(d)，邊界面l1
，邊界面l2
及邊界面l7
被邊界線d及邊界線e一起連接，但邊界面l5
及邊界面l6
一起被邊界線i連接，此二群磨骨邊界面因為無共同邊界而無法連接，此磨骨結構因此分離為二群。
種子容積素(如S1
或S2
)共用各群的第一邊界面被指派到各分離結構，此結構的型態模擬是使用3D種子演算法(Seed-and-Flood Algorithm)；因為在手術模擬中，對解剖結構執行移除或移動時，都必須先找出要被執行的結構，此演算法主要是做辨識結構的功用，以遞迴的技巧來找出一個封閉獨立的3D邊界範圍；此方法是使用組織邊界容積素的邊界面或容積素的結構碼來當判斷停止的條件。
當使用者決定種子座標後，沿著種子座標的X軸方向作判斷，如果目前的容積素若有存在X面碼或已有相同結
構碼時，則就停止擴散，當X、Y、Z三軸方向擴散完成後，即結束此辨識的動作。而每個容積素的結構碼初始值為0，每次執行移動、移除、切割、癒合等功能時，會自動給予不同結構碼，區別出被執行的結構。在執行刀具切削的時候，會依切削時判斷的情況，更改新的組織質面，給予邊界容積素面碼。
以下參閱附件，如圖20，有一位有脊椎上病症的病患，其斷層掃描片顯示其神經受到椎間盤及骨頭的壓迫，模擬手術目地是把原本受壓迫神經部份的椎間盤及骨頭部份移除(如圖20(c))，則需先移開圖中C1的部份，再移除圖中C2部份，再將C1移回適當的位置。
使用本系統模擬手術時，其詳細的過程如下：首先本發明使用直徑2mm長度12mm的Straight Router將其C1中的左右兩側切除(如圖20(a))，移開C1部份(如圖21(b))。接著切除C2部份(如圖22(a))，再將其切除部份移除(如圖22(b))，再將其C1部份移回適當的位置(如圖23(a))，再使用直徑2mm長度8mm的Straight Router在其C1的左右兩側共鑽12個洞(如圖23(b))，使用鐵線將其C1固定。
參閱圖24，病人患有嚴重的右髖關節疼痛，並伴隨著下肢的足部麻木、無力等殘疾的症狀，在椎間盤手術操作模擬上，模擬手術之目的在於把原本受損的椎間盤作區域性的磨除，磨除後替換人工椎間盤於此位置上。
在手術模擬的過程中，本發明先使用5mm的骨磨工具
(burr)針對脊椎上的C3-C4椎間盤作磨除的動作(如圖24(a))，接著在使用上下半徑不同的圓柱體側削C3-C4椎間盤的兩側(如圖24(b))，最後再使用3mm的burr做更細部的處理(如圖24(c))，而被本發明磨除的物質經由診斷後判定是需被磨除的腫瘤。接著在替換人工椎間盤於脊椎上的C3-C4。
參閱圖25，病人為一位患有脊椎上病症的人，模擬手術目的在於把原本受損的椎間盤作區域性的移除C2-C3，而被本發明移除的物質經由診斷後判定是需被移除的腫瘤，移除再使用5mm及3mm的burr做C2-C3區域性的磨平，最後靠近神經的部份的碎骨，再使用刀具acorn做磨除的動作，替換人工椎間盤於脊椎上的C2-C3。
綜上所述，本發明於電腦系統上模擬脊椎手術的方法的功效為：
1.利用現有手術模擬之力回饋器之球形刀具，以軟體模擬包括：柱體、橢圓或圓椎體等非球形刀具之操作。
2.簡化刀具表現以快速交點計算，令刀具的表現及和主軸平行線的交點計算加速，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。
〔習知〕
91‧‧‧刀具
901‧‧‧平行線
〔本創作〕
100‧‧‧電腦系統
1‧‧‧運算裝置
11‧‧‧刀具運算程式
12‧‧‧顯像程式
2‧‧‧顯示裝置
3‧‧‧力回饋器
4‧‧‧輸入裝置
51‧‧‧CT影像資料庫
52‧‧‧三維影像資料庫
S10~S21‧‧‧步驟
S101~103‧‧‧步驟
S181~S186‧‧‧步驟
圖1是一示意圖，說明非球形工具之操作；
圖2是一系統示意圖，說明本發明於電腦系統上模擬脊椎手術的方法之較佳實施例的相關硬體；圖3是一流程圖，說明本發明於電腦系統上模擬脊椎手術的方法之較佳實施例的步驟；圖4是一示意圖，說明該較佳實施例對圓柱體樣點分佈之初始設定；圖5是一示意圖，說明該較佳實施例對橢圓樣點分佈之初始設定；圖6是一示意圖，說明當刀具形狀為球形之立方體區域計算方式；圖7是一示意圖，說明當刀具形狀為圓柱體之立方體區域計算方式；圖8是一示意圖，說明當刀具形狀為組合形之立方體區域計算方式；圖9是一示意圖，說明本較佳實施例以力回饋器取得刀具的原點及坐標軸方向；圖10是一示意圖，說明對x
軸旋轉θ x
角度至xz
平面(y
=0
)，得到新的向量；圖11是一示意圖，說明對向量w
順時針旋轉θ y
角度，使其指向z
軸；圖12是一示意圖，說明圓柱體的交點計算方式；圖13是一示意圖，說明橢圓的交點計算方式；圖14是一示意圖，說明圓椎體的交點計算方式；圖15是一示意圖，說明刀具合成多樣性的交點計算方
圖16是一示意圖，說明刀具合成多樣性的交點計算方式；圖17是一示意圖，說明刀具掃開體積是由現在、前一個刀具及刀具前進時增加的邊緣掃開面所構成；圖18是一示意圖，說明容積切削情形；圖19是一示意圖，說明模擬刀具對容積切割之情形；圖20至圖23是示意圖，說明模擬手術把原本受壓迫神經部份的椎間盤及骨頭部份移除；圖24是一示意圖，說明模擬手術是把原本受損的椎間盤作區域性的磨除，磨除後替換人工椎間盤於此位置上；及圖25是一示意圖，說明模擬手術是把原本受損的椎間盤作區域性的移除。
S10~S21．．．步驟
S101~103．．．步驟
S181~S186．．．步驟
Claims (8)
- 一種於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，該電腦系統執行包含下述步驟：(a)接受一選擇一刀具種類為一圓柱體、一橢圓或一圓椎體之刀具選擇指令；(b)依據該刀具選擇指令進行該刀具之樣點設定；(c)計算該刀具掃過的範圍；(d)計算該刀具的一容積化範圍，該容積化範圍係計算在容積座標系統之XYZ軸中，在包含該刀具表面和刀具邊緣掃開面中的數個交點中，與XY、YZ或XZ平面距離最小和最大交點所構成的封閉直線；(e)將該容積化範圍與該容積樣點比對是否有切削；(f)動態決定一刀具樣點；及(g)該刀具樣點與該容積化範圍比對以決定一力回饋器之輸出力量。
- 依據申請專利範圍第1項所述之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，其中，步驟(d)的該圓柱體之交點計算方式為：當該刀具為高度h 的圓柱體，其頂端與底部的球面所對應的半徑分別為r 1 及r 2 時，其圓柱體的方程式為，因為此方程式是置於原點指向z軸方向，則主軸平行線隨著該刀具做相對應的旋轉轉化，將轉化過的主軸平行線參數式代入圓柱體方程式計算得；其中，計算出，，，並將t 值代入直線參數式中，求出z 值，若符合時，則與圓柱體有交點。
- 依據申請專利範圍第2項所述之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，其中，步驟(d)檢查直線與圓柱體底部的球面是否有交點之方式，係將z =0代入直線參數式，求出t 值，再將t 值代入直線的參數式，算出x 與y 值，若符合，則與圓柱體底部的球面交點；檢查直線與圓柱體頂端的球面是否有交點之方式，將z =h 代入直線參數式，求出t 值，再將t 值代入直線參數式，算出x 與y 值，若符合，則與圓柱體頂端的球面有交點；及檢查與圓柱體其餘的部份是否有交點之方式，將直線參數式代入圓柱體方程式，計算出t 值，再將t 值代入直線參數式中，求出z 值，若符合0<z <h 時，則與圓柱體其餘的部份有交點。
- 依據申請專利範圍第1項所述之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，其中，步驟(d)的該橢圓的交點計算方式為：當該刀具為橢圓時，將橢圓球心置於原點及指向z軸方向，其半徑分別為ra、rz，且ra不等於rz，其橢圓方程式為，則主軸平行線也要做相對應的轉化，將其直線參數式代入橢圓的方程式，得(a 2 +b 2 +c 2 )t 2 +2(ai +bj +ck )t +(i 2 +j 2 +k 2 -1)=0，其中 ，計算出且其中A =(a 2 +b 2 +c 2 )、B =(ai +bj +ck )、C =(i 2 +j 2 +k 2 -1)，將t值代入直線參數式中的求出z值，若符合，則直線與橢圓有交點。
- 依據申請專利範圍第1項所述之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，其中，步驟(d)的該圓椎體的交點計算方式為：當該刀具為高度h 、半徑為r 的圓椎體時，將其尖端置於原點指向z 軸方向，圓椎體的方程式為，將直線參數式代入圓椎體的方程式，得，計算出且其中，，將t 值代入直線參數式中的求出z 值，若符合，則直線與圓椎體有交點。
- 依據申請專利範圍第1項所述之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，其中，步驟(d)的該刀具合成多樣性的交點計算方式為：當刀具為一圓柱體加上一半橢圓，先將刀具旋轉置於原點且指向z 軸來表現，個別求出當刀具形狀為圓柱體及半橢圓與旋轉過後的主軸平行線的交點，利用z 值座標的坐落位置來判斷是否相交，若0 ≦z ≦h 則與刀具有交點，且圓柱體及橢圓重疊的部份不須計算，並且在數個交點中取與XY 、YZ 或XZ 平面距離最小和最大交點所構成的封閉直線，形成容積素化區域。
- 依據申請專利範圍第1至6項任一項所述之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，還包括一組織分離處理程序，其包括下述步驟：(h)記錄每個新邊界面的四邊各記錄的邊界，二個或一個工具面共用記錄的邊界，且若不同邊界面因為無共同邊界而無法連接，則判斷此分離為二群。
- 依據申請專利範圍第7項所述之於電腦系統上模擬脊椎手術的方法，該組織分離處理程序還包括下述步驟：(i)利用種子容積素共用各群的第一邊界面被指派到各分離結構，此結構的型態模擬是使用3D種子演算法遞迴找出一個封閉獨立的3D邊界範圍，並利用組織邊界容積素的邊界面或容積素的結構碼判斷停止的條件；其中，當使用者決定種子座標後，沿著種子座標的X軸方向作判斷，如果目前的容積素若有存在X面碼或已有相同結構碼時，則就停止擴散，當X、Y、Z三軸方向擴散完成後，即結束此辨識的動作；每個容積素的結構碼初始值為0，每次執行移動、移除、切割或癒合等功能時，會自動給予不同結構碼，區別出被執行的結構，在執行刀具切削的時候，會依切削時判斷的情況，更改新的組織質面，給予邊界容積素面碼。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW099101062A TWI450228B (zh) | 2010-01-15 | 2010-01-15 | A method of simulating spinal surgery on a computer system |
| US12/848,578 US20110066406A1 (en) | 2009-09-15 | 2010-08-02 | Method for Generating Real-Time Haptic Response Information for a Haptic Simulating Device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW099101062A TWI450228B (zh) | 2010-01-15 | 2010-01-15 | A method of simulating spinal surgery on a computer system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW201124953A TW201124953A (en) | 2011-07-16 |
| TWI450228B true TWI450228B (zh) | 2014-08-21 |
Family
ID=45047298
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW099101062A TWI450228B (zh) | 2009-09-15 | 2010-01-15 | A method of simulating spinal surgery on a computer system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI450228B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001008691A1 (en) * | 1999-07-29 | 2001-02-08 | Steven Baranowitz | Methods for transdifferentiation of body tissues |
| TW510793B (en) * | 1999-08-18 | 2002-11-21 | Intrinsic Orthopedics Inc | Devices and methods of vertebral disc augmentation |
| TW200416014A (en) * | 2003-02-24 | 2004-09-01 | Univ Chung Yuan Christian | Method of image analysis for herniated inter vertebral disc (HIVD) |
| TWM252392U (en) * | 2003-10-29 | 2004-12-11 | Kuen-Da Ye | Mold retrieval device for correction back frame |
| EP1542595B1 (en) * | 2002-09-19 | 2006-12-06 | Warsaw Orthopedic, Inc. | Oval dilator and retractor set |
-
2010
- 2010-01-15 TW TW099101062A patent/TWI450228B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
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| TWM252392U (en) * | 2003-10-29 | 2004-12-11 | Kuen-Da Ye | Mold retrieval device for correction back frame |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201124953A (en) | 2011-07-16 |
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