TWI496557B - 骨板製作方法 - Google Patents

Description

骨板製作方法

本發明係關於一種骨板製作方法，特別是一種顱顏面手術使用之骨板製作方法。

顱顏面手術為外科手術極為重要的範疇，其主要係針對顱顏部先天性的顎顏畸形、後天性的外傷(如骨折)或者腫瘤切除而致之顏面缺陷進行整型手術。一般而言，外科醫師在進行顱顏面重建手術時，多仰賴二維電腦斷層掃描或者由電腦建立三維顱部模型進行術前規劃，再配合醫師的專業經驗及臨場反應直接判斷骨板植入位置及角度以重建殘缺或變形之顱顏面。

習用骨板製作方法主要係利用射出成型的方式進行製作，僅可製作成預定形狀、大小及規格之骨板。

一般而言，於進行顱顏面手術時，通常係由醫師於手術進行當時依照患者顱顏部破損處的空間位置，將前述預定規格之骨板隨手凹製成適用的角度、方向及構型以進行定位，以利用凹製的骨板對顱顏部破損處之斷骨進行固定或矯正等修補工作。

然而，由於顱顏部骨頭之整體結構、厚度、形狀及空間性較為複雜，且顱顏部包含上、下顎骨，涉及咬合、進食及牙床排列及顏面外形等問題，兼具美觀及功能上的重要意義，而習知骨板製作方法僅可製作出制式化的骨板，並無法精確符合顱顏部破損處之形狀，造成使用上之不便利性；再且，於手術過程中，該制式化之骨板使得醫師必須根據經驗法則隨手凹製塑形，並利用該骨板隨機對該顱顏部破損處進行定位，不但骨板與顱顏部破損處大小及形狀上不對應，該骨板之定位位置也難以準確地配合顱顏部破損處的骨骼環境，嚴重影響顱顏面重建手術所應具備之準確性及精密度。

由於前述問題之影響，因此，顱顏面重建手術的預後時間往往不佳，並且時常因手術的不成功衍生患者術後無法正確咬合、咀嚼，甚至阻礙牙床排列導致患部癒合不佳，影響患者外觀樣貌及顏臉動作等問題，多數患者僅得以藉由長時間且多次地唇鼻部整型手術，始得以恢復較佳的唇顎功能。

另一習用骨板製作方法係如美國專利第US 7,603,192號專利案所述，其係利用電腦斷層掃描以及實體模型建立單一或數個立體影像資料，分別定義各立體影像資料之X平面、Y平面及Z平面以便組合各立體影像資料，進而獲得完整患部以及骨板之三維空間立體模型，再由三維圖像的相互比對設計可以與患部緊密接合之骨板，進行骨板製作。

然而，上述專利案所提及之骨板製作方法僅係就提升骨板與患部骨表面之貼合緊密程度對骨板進行設計，並未考量患部與骨板所承受之力學，以及顱顏面部之外形及咬合功能之需求，因此，僅可使用於外形規則、厚度均勻且受力單純之四肢骨。

由於顱顏骨之結構及各部位之受力較為複雜，容易產生複雜性骨折，因此，前述未考量患部及骨板受力關係的習用骨板製作方法並不適用於顱顏面之重建手術，無法因應該顱顏面複雜的空間構型、外觀考量或上、下顎骨的功能性而提升顱顏面重建手術之準確性及精確性。

本發明係提供一種骨板製作方法，其主要目的為根據顱顏面患部之力學承載進行骨板之設計，使骨板可承受該顱顏面患部之力學承載，以提升顱顏骨重建手術的準確性及精確性。

本發明之次一目的係提供一種骨板製作方法，避免過度仰賴整型醫師的個人經驗進行骨板塑形，以改善患者的術後狀況。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段包含有：一種骨板製作方法，包含一影像取得步驟擷取一患者顱顏面之原始立體影像；一影像重建步驟利用一影像處理系統對該原始立體影像進行影像重建處理，而另獲得一重建立體影像，且該影像處理系統中係存有數筆對應一顱顏面各部位所承受之力學資料；一比對步驟透過該影像處理系統對該原始立體影像及重建立體影像進行比對，並將該二立體影像之差異處定義為一缺陷部；一數據擷取步驟於該影像處理系統中，擷取該缺陷部所對應之顱顏面部位所承受的力學資料，並於該重建立體影像上定義一用以抵償該缺陷部所承受之力學資料的力學補償區；一模型設計步 驟根據該力學補償區之表面形狀設計一具有一厚度之骨板模型；及一骨板製作步驟，以電腦輔助設計或電腦輔助製造的處理系統作為一加工製造單元，並根據該骨板模型製作一與該骨板模型相符之骨板。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明所述之「力學資料」，係指顱顏面部位所承受之力的強度及方向性，例如下顎部於咬合過程中所承受之力的強度及方向性稱之。

本發明較佳實施例之骨板製作方法較佳係透過一影像處理系統進行。該影像處理系統係包含至少一中央處理單元及至少一資料庫。該中央處理單元係對應連接該資料庫，該資料庫內係預先儲存有數筆對應一顱顏面各部位所承受之力學資料，例如下顎部各點於咬合時所承受之力學資料。該些力學資料係包含各族群(例如人種、年齡或性別等)之平均顱顏面各部位所承受之承載應力、作動性、作用力範圍、施力部位及其力學需求等，較佳該資料庫中係另包含各族群之平均顱顏面所具備的骨空間性、平均構型、骨厚度以及各部位的結合關係，以利後續骨板之設計。

本發明之骨板製作方法主要係針對各種先天性或後天性顱顏面缺陷患者，經考量力學承載後製作客製化的顱顏面骨板。

請參照第1圖所示，本發明之骨板製作方法係包含一影像取得步驟S1、一影像重建步驟S2、一比對步驟S3、一數據擷取步驟S4、一模型設計步驟S5及一骨板製作步驟S6。

請參照第2及3圖所示，該影像取得步驟S1係擷取一患者顱顏面之原始立體影像。舉例而言，本實施例係可選擇以醫用儀器對一顱顏面有破損或缺陷之患者進行掃描，以獲取二維電腦斷層掃描(Computed Tomography,CT)影像或者磁共振(Magnetic Resonance Imaging,MRI)影像，並透過Ray-casting、Cuberille、Marching Cubes、Dividing Cubes、Extended Ray-casting或Extended Cuberille Methods等方法進行三維曲面重建，以獲取該患者顱顏面之原始立體影像。該原始立體影像係具有患者顱顏面的損傷或缺陷之部位1，如第3圖所示。

請參照第3至4圖所示，該影像重建步驟S2係利用前述之影像處理系統對該原始立體影像進行影像重建處理，而另獲得一重建立體影像，且該影像處理系統中如前述係存有數筆對應顱顏面各部位所承受之力學資料。更詳言之，由於第3圖所示之原始立體影像係包含有因各患者的顱顏面損傷而顯現各種患部狀況，如複雜性骨折、顏面畸形等，因此需藉由該影像處理系統對該原始立體影像進行影像重建處理，以獲得重建後之完整立體影像。舉例而言，該患者可能如第3圖所示，乃係因外力而致複雜性顱顏面骨折，該患者的下顎骨係呈現斷裂處(部位1)，且有錯位情形，須由該影像處理單元進行編修及重整，本實施 例係分別就該斷裂處的影像對比動態範圍及閾值選取範圍進行影像編修，進而獲得該患者之重建立體影像；或者可另由鏡像取像的方式，利用顱顏面係呈鏡像相對之特徵取得該重建立體影像。如此，便可如第4圖所示呈現出該患者之顱顏部未受傷前之影像。其中，前述該原始立體影像及重建立體影像之空間數據較佳係另儲存於該影像處理系統之資料庫中。

請參照第5圖所示，該比對步驟S3係透過該影像處理系統對該原始立體影像及重建立體影像進行比對，並將該二立體影像之差異處定義為一缺陷部2。更詳言之，本實施例係透過該影像處理系統擷取該資料庫中的原始立體影像及重建立體影像之空間數據並進行比對，由於原始立體影像具有缺陷或破損之部位1，而該重建立體影像為該患者之顱顏部未受傷前之影像，因此二者之空間數據經比對後必將有所差異，於此將二者空間數據具有差異處定義為缺陷部2，該影像處理系統便可透過比對後獲得之缺陷部2清楚區分出破損或缺陷之部位。

請參照第6圖所示，該數據擷取步驟S4係於該影像處理系統中，擷取該缺陷部所對應之顱顏面部位所承受的力學資料，並於該重建立體影像上定義一用以抵償該缺陷部2所承受之力學資料的力學補償區3。更詳言之，如前述該影像處理系統之資料庫中係預先儲存有數筆對應一顱顏面各部位所承受之力學資料。擷取該資料庫中，該缺陷部2所對應之顱顏面部位所承受之力學資料，以第6圖為例，該缺陷部2係位於下顎骨處，因此擷取該資料庫中正 常下顎骨相對應該缺陷部2處之部位所承受之力學資料，以作為該缺陷區2所承受力學資料之參考。接著，根據所擷取之力學資料，便可如第6圖所示，於該重建立體影像上定義出該力學補償區3，其係用以作為後續骨板設置之位置，使骨板設置於該位置後可抵償該缺陷部2所承受之力量，例如，該第6圖之力學補償區3係橫跨該缺陷部2，以連接該缺陷部2周圍之顱顏骨，可抵償下顎骨於咬合時之縱向作用力。以透過此步驟將顱顏部破損或缺陷之部位之力學承載納入考量，使得所設計出之骨板可更精確地承受該部位之力學承載，以提升該部位之穩定性。

請參照第7圖所示，該模型設計步驟S5，係根據該力學補償區3之表面形狀設計一具有一厚度T之骨板模型4。更詳言之，定義出該力學補償區3後，透過該影像處理系統根據該力學補償區3之表面形狀設計出具有厚度T之骨板模型4，如第7圖所示，以使得該骨板模型4之一表面與該力學補償區3之表面形狀互補，以使製作出的骨板可與該力學補償區3完全密合，而提升整體定位精密度及穩定性，並提供該缺損部位所需的支撐力及承載力。其中，該骨板模型4上較佳係另根據該缺陷區2之力學承載而設置數個定位孔41，該定位孔41主要係模擬對應顱顏面於一般功能性作動下所生的受力強度及受力方向進行定位，以供螺絲等固定件穿過。

該骨板製作步驟S4，係根據該骨板模型4製作一與該骨板模型4相符之骨板。更詳言之，本實施例係利用一加工製造單元，依據該骨板模型4製作骨板，並且規劃該骨 板的製作路徑，透過一工具機進行骨板製作。該加工製造單元可以係電腦輔助設計(Computer-aided manufacture,CAD)、電腦輔助製造(Computer-aided manufacture,CAM)或者一般用以進行電腦加工設計的處理系統。本實施例係先藉由布林運算規劃該骨板模型4與該比對圖像間的對應性，利用CAD依據該骨板模型4設計該骨板，再由CAM進行後續加工的規劃及製造。本實施例係以一鈦金屬為加工標的進行骨板的鑄造。

至此，便完成本發明之骨板製作方法。此外，該患者又可能如第8圖所示，係因腫瘤或先天性顎顏畸形而致顏面畸形者，該患者之唇顎部分係呈現一缺損部5，因此，較佳係透過影像處理系統模擬並回復該患者顱顏面的缺損部5，經製作該完成用以填補該缺損部5之骨片後，再透過本發明之骨板製作方法製作將該骨片固定於顱顏部之骨板，相同可有效應用於顱顏部缺陷之患者。

由上所述，本發明之骨板製作方法係經由比對患者之原始立體影像及還原立體影像，而定義出顱顏部缺陷或破損之部位，再針對該部位的力學關係與空間型態定位及設計相對應的骨板模型，以藉由CAD/CAM設計並規劃骨板的製作路徑。

利用本發明之骨板製作方法係可以因應各患者的顱顏面特徵以及一般顱顏面的空間位置模擬設計一客製化骨板，並且模擬患者患部受力狀態作為骨板定位的依據，因此可以準確地對應患者顱顏面的不規則外型，維持患者顱顏面的外觀及功能性之健全，係具有提升顱顏面重建手術 成功率之功效。

再者，本發明之骨板製作方法係藉由影像處理系統及加工製作單元設計骨板並規劃該骨板的製作路徑，避免過度仰賴醫師的個人經驗，以及骨板植入後衍生患者顱顏面功能受損或外觀改變等問題；故，本發明之骨板製作方法係具有提升顱顏面重建手術之精確性以及提升現今顱顏面整形手術醫療水平之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附 之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧缺陷或破損之部位

2‧‧‧缺陷部

3‧‧‧力學補償區

4‧‧‧骨板模型

41‧‧‧定位孔

5‧‧‧缺損部

第1圖：本發明之骨板製作方法之操作流程圖。

第2圖：本發明骨板製作方法之影像取得步驟之示意圖。

第3圖：本發明骨板製作方法之影像取得步驟之另一示意圖。

第4圖：本發明骨板製作方法之影像重建步驟之示意圖。

第5圖：本發明骨板製作方法之比對步驟之示意圖。

第6圖：本發明骨板製作方法之數據擷取步驟之示意圖。

第7圖：本發明骨板製作方法之模型設計步驟之示意圖。

第8圖：顎顏畸形患者之示意圖。

Claims (4)

1. 一種骨板製作方法，包含：一影像取得步驟，係擷取一患者顱顏面之原始立體影像；一影像重建步驟，利用一影像處理系統對該原始立體影像進行影像重建處理，而另獲得一重建立體影像，且該影像處理系統中係存有數筆對應一顱顏面各部位所承受之力學資料，該力學資料係包含各族群之平均顱顏面各部位的承載應力、作動性、作用力範圍、施力部位及其力學需求之資料，以及，各族群之平均顱顏面所具備的骨空間性、平均構型、骨厚度及各部位的結合關係；一比對步驟，係透過該影像處理系統對該原始立體影像及重建立體影像進行比對，並將該二立體影像之差異處定義為一缺陷部；一數據擷取步驟，於該影像處理系統中，擷取該缺陷部所對應之顱顏面部位所承受的力學資料，並於該重建立體影像上定義一用以抵償該缺陷部所承受之力學資料的力學補償區；一模型設計步驟，係根據該力學補償區之表面形狀設計一具有一厚度之骨板模型；及一骨板製作步驟，係以電腦輔助設計或電腦輔助製造的處理系統作為一加工製造單元，並根據該骨板模型製作一與該骨板模型相符之骨板。
2. 依申請專利範圍第1項所述之骨板製作方法，其中該模 型設計步驟中係另於該骨板模型上設置數個定位孔。
3. 依申請專利範圍第1項所述之骨板製作方法，其中該患者係各種因先天性或後天性原因而致顱顏面畸形或缺損的患者。
4. 依申請專利範圍第1項所述之骨板製作方法，其中該原始立體影像係由電腦斷層掃描影像或者磁共振影像經電腦轉檔而取得。