TWI463345B - Multimedia artificial joint development platform - Google Patents

Description

多媒體人工關節開發平台

本發明是有關於一種人工關節開發平台，特別是指一種多媒體人工關節開發平台。

傳統的關節融合固定手術雖然能夠減輕疼痛，但是因為喪失了踝關節的活動度，患者在行走於不平的地面或跑步的時候會遭遇困難與不適。而另一個顧慮是踝關節固定後，可能會促使下肢其他鄰近關節承受較大的壓力，而引發其他關節的疼痛，加速其退化性病變，而且根據長期追蹤的報告顯示，幾乎所有的患者十年左右就會有明顯的鄰近關節退化。

此外，加上傳統設計人工足踝關節主要是以人體足踝關節之幾何學來評估設計。該傳統的設計部位，主要可分為：脛骨部位、距骨部位及連結脛距骨之軟骨部位。而尺寸大小主要是參考X光所拍攝之足部骨塊，在X光片上找出脛骨及距骨部位進行特徵尺寸量測以及術前之手術途徑規劃，並依照其量測到之數據設計及選擇符合病患尺寸大小之人工足踝關節尺寸。

再者，傳統人工足踝關節之另外一項設計準則為考慮足部骨塊附近之韌帶結構來設計其形狀，控制人體足踝關節之韌帶以及周圍之韌帶結構極為複雜，而為了避免在手術時造成對韌帶之傷害，在設計人工足踝關節時，必須考慮其形狀是否符合人體足踝關節，且具備其正常運動之功能。

因此，如何提出一個有效評估人工足踝關節置換的分析評估平台，以輔助外科醫師之手術進行，且降低其手術時的複雜性，並讓醫師於手術後藉此評估及確認其手術成功性，便成為相關領域之產、官、學界所須正視並解決的問題。

因此，本發明之目的，即在提供一種多媒體人工關節開發平台。

於是，本發明多媒體人工關節開發平台，適用於對複數患部骨塊掃描影像進行分析，設計出合尺寸之人工關節，該多媒體人工開發平台包含：

一設計分析模組，於接收該等患部骨塊掃描影像後，進行骨塊及關節特徵量測，而得出複數組特徵值。

一關節特徵資料庫，與該設計分析模組相連線，接收該等特徵值，並對該等特徵值進行平均統計分析，得出複數尺寸群組。

一關節模擬置換評估模組，與該關節特徵資料庫相連線，並可從該關節特徵資料庫內之該等尺寸群組中，選定欲評估之尺寸群組，再依此尺寸群組內相對應之特徵值，建立出一通用人工關節模擬模型，並與先前之患部骨塊掃描影像相比對，進行置換評估，以檢視該通用人工關節模擬模型是否與患部骨塊相吻合。

本發明之功效在於，藉由本發明多媒體人工關節開發平台所開發出之全尺寸人工關節置換，因為能夠保留關節的生理活動，使得使用上會比較自然；同時，鄰近關節的病變會比傳統的關節融合固定術少得多。

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。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，將以開發出一合適東方人體型的人工足踝關節為例，作更詳細且更實務上的介紹。然而，在此仍須強調的是，利用本發明之人工關節開發的置換部位，是具有相關背景者所易於思及而變化運用(如足踝關節、手肘關節或其他關節處等)，故不應受該較佳實施例之特定範例為限。

參閱圖1，本發明多媒體人工關節開發平台之較佳實施例，適用於對複數患部骨塊掃描影像1進行分析，設計出合尺寸之人工關節，該多媒體人工開發平台包含：一設計分析模組2、一關節特徵資料庫3、一關節模擬置換評估模組4、一切換模組5，及一快速成型機6。

該設計分析模組2於接收該等患部骨塊掃描影像1後，進行骨塊及關節特徵量測，而得出複數組特徵值21。

此外，前述之每一組特徵值21包括：骨塊寬度、骨塊厚度、骨塊高度、骨塊弧半徑、骨塊弦長、骨塊角度、骨塊之長寬比、關節半徑、關節角度及關節面曲率。而在本較佳實施例中，以足踝關節視之，即如脛骨的寬度、弧半徑、弦長與其角度，距骨的後端寬度、弧半徑、弦長與其角度，以及脛、距骨的長寬比與足踝關節半徑、足踝關節角度及足踝關節面曲率等特徵值。

值得一提的是，在本較佳實施例中，於進行骨塊及關節特徵量測之前，是透過一立體影像編輯單元7，對該等患部骨塊掃描影像1建立出一立體數位影像11後，才進一步地得出該等特徵值21，也就是例如將原始格式為dicom檔格式的影像，轉換為該立體數位影像11。

該關節特徵資料庫3與該設計分析模組2相連線，接收該等特徵值21，並對該等特徵值21進行平均統計分析，而得出複數尺寸群組31。在本較佳實施例中，該等尺寸群組31包括小尺寸(代號S)、中尺寸(代號M)及大尺寸(代號L)。而小尺寸是適合於骨架較小之患者，如東方國家之一般女性體格等；中尺寸適合於一般普遍患者之骨架，如東方國家之一般男性體格或體格較大的女性等；而大尺寸適合於骨架較大之患者，如東方國家之體格較大的男性等。

在此須補充說明的是，透過本發明之關節特徵資料庫3所收集的足踝關節的相關數據作統計分析，可進一步地與市售人工足踝關節的相關數據作交叉分析比對，以找出西方人與東方人在足踝關節部分上的差異，並針對此差異，進行人工足踝關節的設計及改良，以取得設計人工足踝關節時所需之重要參數(即本較佳實施例中的特徵值21)，而建立出符合東方人，如台灣地區，成年人之足踝關節特徵與尺寸。

該關節模擬置換評估模組4與該關節特徵資料庫3相連線，並可從該關節特徵資料庫3內之該等尺寸群組31中，選定欲評估之尺寸群組31，再依此尺寸群組31內相對應之特徵值21，建立出一通用人工關節模擬模型12(在本例為足踝的通用人工關節模擬模型12)，並與先前已立體轉換之患部骨塊掃描影像1相比對，進行置換評估，以檢視該通用人工關節模擬模型12是否與患部骨塊相吻合。

此外，該關節模擬置換評估模組4也可從該關節特徵資料庫3內之該等特徵值21中，選定欲評估之其中一組特徵值21，再依此組特徵值21，建立出一客製人工關節模擬模型13(在本例為足踝的客製人工關節模擬模型13)，並與先前之足踝關節的患部骨塊掃描影像1相比對，進行置換評估，以檢視該客製人工關節模擬模型13是否與患部骨塊相吻合。

須補充說明的是，在本較佳實施例中，上述所得出之通用人工關節模擬模型12及客製人工關節模擬模型13的影像格式，皆是透過前述之立體影像編輯單元7而建立出相對應之立體數位的影像。

然而，前述所提之置換評估，可藉由下列相關細節說明得知：首先，將足踝的通用或客製人工關節模擬模型12、13移動至患部足踝之立體數位影像11之正確位置上，檢視各結合相關部位是否正確地定位於臨床手術時所需達到的位置，(如表示距骨之圖2的操作畫面101與脛骨之圖3的操 作畫面102上的箭頭所示)。

接著，其比對方法是在脛骨及距骨適當位置切出符合人工足踝關節形狀之空間，將人工足踝關節置放於所切出之空間，再重新回復正常的足踝關節面。

以脛骨部位來說，首先以人體脛骨前平面為準，對齊人工脛骨及人體脛骨之前後方向，人工足踝關節脛骨端之突出斜面的方向應要在人體脛骨之突出部位。

然後，將人工足踝關節脛骨端往人體脛骨裡面移動至與人體脛骨前平面剛好疊合，對齊人工足踝關節脛骨端之底端與人體脛骨底端，並使人工足踝關節脛骨端斜面覆蓋人體脛骨突出部位約一人工足踝關節脛骨端斜面之厚度，此時，人工足踝關節脛骨端已完全覆蓋原本之關節面。

而以距骨部位來說，首先將人工足踝關節距骨端之方向對齊人體距骨關節面之方向，再慢慢將人工足踝關節距骨端移動至人體距骨中，使人工足踝關節距骨端中間最高點對應至人體距骨關節面之中間最高點，而可覆蓋原本關節面。

再者，所得出之通用或客製人工關節模擬模型12、13，可再進一步地利用現有的相關醫療壓力分析模擬設備，來量測人工脛、距骨受力情況以及其應力分析，以做為臨床足踝關節置換之重要參考數據。

該切換模組5分別與該設計分析模組2、該關節特徵資料庫3及該關節模擬置換評估模組4相連線，且包括一選單介面51，如圖4所示，該選單介面51提供一選取執行該 設計分析模組2、該關節特徵資料庫3及該關節模擬置換評估模組4的選擇功能。

該快速成型機6與該關節模擬置換評估模組4相連線，可依該通用人工關節模擬模型12、該客製人工關節模擬模型13及由患部骨塊掃描影像1之立體數位影像11，分別製作出相對應的全尺寸通用人工關節模型61、客製人工關節模型62及患部骨塊模型63，以提供真實關節實物的置換比對功能。

在以足踝關節為例之本較佳實施例中，當完成足踝之通用或客製人工關節模擬模型12、13後，為了進一步驗證其匹配度，即以該快速成型機6製作全尺寸之通用或客製人工關節模型61、62，以進行組裝模擬，其細部技術作法為：將脛骨及距骨與人工足踝關節脛骨及距骨端之相關影像進行布林運算，取得人體足踝關節脛骨及距骨端可放置人工足踝關節之空間，如圖5及圖6之箭頭所示。並將具有置放人工足踝關節空間及位置之患部骨塊之立體數位影像11，匯入該快速成型機6內，製作出可組裝的人體足踝關節模型(即患部骨塊模型63)。再將以踝關節部位所製之通用或客製人工關節模型61、62放入前述人體足踝關節模型(即患部骨塊模型63)中，來驗證其匹配度，以確認置放位置及可置放空間的合理性，而其檢視結果即分別如圖7及圖8所示。

最後，總括地說，藉由本發明多媒體人工關節開發平台，運用具有非線性規劃法及演化運算法的設計分析模組2 及關節模擬置換評估模組4之計算分析與評估功能的輔助，提供人工關節開發的設計變動性，因此，在設計的同時，將相關特徵值21及欲變動之位置重新變更與輸入，即可任意變更原先已設計好之尺寸。如此一來，當設計需因應患者特殊需求而進行客製化變更時，則無須從頭開始設計，而可立即變更所需改變之尺寸特徵。

綜上所述，本發明多媒體人工關節開發平台，藉由該設計分析模組2產生的特徵值21，配合該關節特徵資料庫3的分析與分類，並運用該關節模擬置換評估模組4的立體成像來模擬評估，最後再透過該快速成型機6的實際模型製出，以真實地檢視比對該通用或客製人工關節模型61、62是否與患部骨塊模型63相吻合，故確實能達成本發明之目的。

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‧‧‧患部骨塊掃描影像

101‧‧‧操作畫面

102‧‧‧操作畫面

11‧‧‧立體數位影像

12‧‧‧通用人工關節模擬模型

13‧‧‧客製人工關節模擬模型

2‧‧‧設計分析模組

21‧‧‧特徵值

3‧‧‧關節特徵資料庫

31‧‧‧尺寸群組

4‧‧‧關節模擬置換評估模組

5‧‧‧切換模組

51‧‧‧選單介面

6‧‧‧快速成型機

61‧‧‧通用人工關節模型

62‧‧‧客製人工關節模型

63‧‧‧患部骨塊模型

7‧‧‧立體影像編輯單元

圖1是一方塊圖，說明本發明多媒體人工關節開發平台之較佳實施例中，各元件間的配置及相互運作關係；圖2是一操作畫面，說明該較佳實施例中，一距骨的通用或客製人工關節模擬模型正確地裝設於一距骨患部骨塊立體數位影像上；圖3是一操作畫面，說明該較佳實施例中，一脛骨的 通用或客製人工關節模擬模型正確地裝設於一脛骨患部骨塊立體數位影像上；圖4是一操作畫面，說明該較佳實施例中，一切換模組的一選單介面之態樣；圖5是一示意圖，說明該較佳實施例中，一人體足踝關節脛骨端可放置人工足踝關節之空間；圖6是一示意圖，說明該較佳實施例中，一人體足踝關節距骨端可放置人工足踝關節之空間；圖7是一示意圖，說明該較佳實施例中，一脛骨之通用或客製人工關節模型與一脛骨患部骨塊模型相組合的態樣；及圖8是一示意圖，說明該較佳實施例中，一距骨之通用或客製人工關節模型與一距骨患部骨塊模型相組合的態樣。

1．．．患部骨塊掃描影像

11．．．立體數位影像

12．．．通用人工關節模擬模型

13．．．客製人工關節模擬模型

2．．．設計分析模組

21．．．特徵值

3．．．關節特徵資料庫

31．．．尺寸群組

4．．．關節模擬置換評估模組

5．．．切換模組

6．．．快速成型機

61．．．通用人工關節模型

62．．．客製人工關節模型

63．．．患部骨塊模型

7．．．立體影像編輯單元

Claims (10)

1. 一種多媒體人工關節開發平台，適用於對複數患部骨塊掃描影像進行分析，設計出合尺寸之人工關節，該多媒體人工開發平台包含：一設計分析模組，於接收該等患部骨塊掃描影像後，進行骨塊及關節特徵量測，而得出複數組特徵值；一關節特徵資料庫，與該設計分析模組相連線，接收該等特徵值，並對該等特徵值進行平均統計分析，而得出複數尺寸群組；一關節模擬置換評估模組，與該關節特徵資料庫相連線，並可從該關節特徵資料庫內之該等尺寸群組中，選定欲評估之尺寸群組，再依此尺寸群組內相對應之特徵值，建立出一通用人工關節模擬模型，並與先前之患部骨塊掃描影像相比對，進行置換評估，以檢視該通用人工關節模擬模型是否與患部骨塊相吻合；一快速成型機，該快速成型機與該關節模擬置換評估模組相連線，可依該通用人工關節模擬模型，及患部骨塊掃描影像，分別製作出相對應的全尺寸通用人工關節模型，及患部骨塊模型，以提供真實關節實物的置換比對功能；及一切換模組，該切換模組分別與該設計分析模組、該關節特徵資料庫及該關節模擬置換評估模組相連線，且包括一選單介面，該選單介面提供一選取執行該設計分析模組、該關節特徵資料庫及該關節模擬置換評估模 組的選擇功能。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，該關節模擬置換評估模組可從該關節特徵資料庫內之該等特徵值中，選定欲評估之其中一組特徵值，再依此組特徵值，建立出一客製人工關節模擬模型，並與先前之患部骨塊掃描影像相比對，進行置換評估，以檢視該客製人工關節模擬模型是否與患部骨塊相吻合。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，該快速成型機還可依該客製人工關節模擬模型製作出相對應的全尺寸客製人工關節模型，以提供真實關節實物的置換比對功能。
4. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，每一組特徵值是選自於由骨塊寬度、骨塊厚度、骨塊高度、骨塊弧半徑、骨塊弦長、骨塊角度、骨塊之長寬比、關節半徑、關節角度及關節面曲率所組成之群組。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，在該設計分析模組於進行骨塊及關節特徵量測之前，是透過一立體影像編輯單元，對該等患部骨塊掃描影像建立出一立體數位影像後，才進一步地得出該等特徵值。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，在該關節模擬置換評估模組所得出之通用人 工關節模擬模型及客製人工關節模型的影像格式，皆是透過該立體影像編輯單元而建立出相對應的立體數位影像。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，在該關節特徵資料庫中，該等尺寸群組是由小尺寸、中尺寸及大尺寸所組成之群組。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，該等尺寸群組中之小尺寸適合於骨架較小之患者，中尺寸適合於一般普遍患者之骨架，而大尺寸適合於骨架較大之患者。
9. 依據申請專利範圍第8項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，在該設計分析模組中，所進行之骨塊特徵的量測對象為脛骨及距骨，而關節特徵的量測對象為足踝關節，且該關節模擬置換評估模組是針對足踝關節而建立出相對應的通用人工關節模擬模型及客製人工關節模擬模型。
10. 依據申請專利範圍第1項所述之多媒體人工關節開發平台，其中，在該設計分析模組中，所進行之骨塊特徵的量測對象為脛骨及距骨，而關節特徵的量測對象為足踝關節，且該關節模擬置換評估模組是針對足踝關節而建立出相對應的通用人工關節模擬模型及客製人工關節模擬模型。