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作者:林浩瑋 (2000-07-04),核可:徐業良 (2000-07-10)
附註:本文為八十八學年度元智大學機械工程研究所林浩瑋碩士論文第一章。

腦部手術用鑽孔平台研究動機與目的

1.1 研究背景與動機

1.1.1 腦部手術頭骨鑽孔及定位程序簡介

隨著經濟的發展、生活物質條件的改善,台灣地區國民平均壽命已大幅提高,國人對醫療品質的要求也越來越重視,除了相關醫療技術的研究發展外,醫療設備的設計開發,也是一項非常重要的課題,特別是在進行外科手術時,許多醫療行為需要利用機械器材的輔助,而為求手術的安全與精確,機械的自動化、精密定位等技術,也廣泛被應用在醫療設備的開發上。

腦部手術非常注意病人安全,而所使用的醫學儀器的精密性就更顯得重要,腦部手術的病人通常必須先做頭部斷層掃描,來判斷腦部內病源的三度空間位置,以作為手術時之儀器定位依據,再操作手動式鑽孔器鑽穿頭骨。人腦的構造如圖1.1所示,外層由皮膚、頭髮覆蓋,頭皮下面是主司保護作用的頭骨,頭骨下是硬腦膜,再下層是蜘蛛膜及軟腦膜,其間有無數的血管穿梭以供給腦部營養。在頭骨鑽孔時醫療人員必須小心使用鑽孔工具,使能鑽穿頭骨但不能鑽穿腦膜,以避免傷及腦組織而危及病人生命安全,所以發展簡單又安全的腦部手術鑽孔器材,對腦神經外科而言是一個重要的研究課題。本研究便是與長庚醫院腦神經外科共同合作,希望透過機械自動化技術在頭骨鑽孔時輔助醫生,以提高腦部手術的安全。

1.1 人類腦部結構示意圖

在腦部手術中有一種稱為「立體定位(stereotactic surgery)」手術,原理是靠定位儀器的輔助,由顱外以探針達到腦實質內的特定目標上,它有符合安全、節省醫療資源的優點,成為腦神經外科醫生廣為使用的一種手術方式。長庚醫院立體定位腦部插種治療的操作過程,基本上是先以立體定位頭架固定病患頭部,如圖1.2所示,再將病人移至電腦斷層X光機接受掃描,以判定治療腫瘤的大小及位置(目前僅能得知頭骨大約厚度及病灶位置),利用電腦模擬設計導管插入腦部的方向、角度、及深度,腦神經外科醫師根據物理師提供的資料,病患在局部消毒及麻醉下,由醫師在頭殼上將導管進入的位置點以手持鑽孔器方式在頭骨鑽洞,直徑約3mm,然後再將導管小心地由洞口插至所需要治療的深度,並做後續的醫療處理。

1.2 立體定位頭架[http://adm.cgmh.com.tw/intr/intr2/c323a/bt.html]

若處理的病灶範圍較大,必須進行開顱手術時,則依病灶範圍大小在病人的頭部繪出大概的圓,再依圓的大小鑽適當數量的孔,然後以鋸片穿過相鄰兩孔,往外鋸將圓形範圍內的部分頭骨取下,如圖1.3所示,使醫生方便進行醫療工作,而當完成手術後再將頭骨縫合。

1.3 鑽孔後取下頭骨實體圖

1.1.2 骨骼鑽孔器現況簡介

目前進行腦部手術所採用的手動進給式鑽孔器,主要有人工手搖鑽孔器和一般手持式的電鑽兩種。人工手搖式鑽孔器的操作方式是用手轉動搖柄時,會由螺桿帶動鑽頭旋轉並作上下移動,而手持式電鑽的操作方式則如同一般的電鑽,由左手扶持電鑽使其穩固,並用右手來控制鑽孔進給量。目前以手動進給來鑽頭骨時,仍憑醫生鑽穿頭骨時手部的感覺來判斷是否已鑽穿頭骨,所以操作時必須集中注意力並且依靠個人經驗來進行鑽頭骨的工作,在鑽最後一層硬骨時會放慢速度並擴孔以減少過衝量(overshoot),通常手動鑽一個孔須花一分鐘以上。

1.4所示為一種具有特殊安全裝置的電鑽,當主動件(馬達)與類似離合器的機構及被動件(鑽頭)承受壓力而緊密配合時,會帶動鑽頭運轉以便進行鑽頭骨的步驟,鑽穿頭骨後,因不再承受頭骨的反作用力而使得主動件與被動件分離,讓電鑽停止運轉,這種特殊電鑽相較於手持式電鑽的好處在於鑽穿頭骨時,鑽頭會停止運轉,以減少腦部神經組織的損傷。

1.4 特殊電鑽的安全裝置示意圖

經由前面的討論及與醫生的訪談,可以歸納出現行骨骼鑽孔設備的特點及限制:

(1)       定位方式採用立體定位頭框。

(2)       目前臨床使用的電鑽,皆為手動進給。

(3)       鑽孔技術須靠醫生熟練的技術及經驗。

(4)       完成鑽孔後,醫生無法直接知道鑽入的深度,以利後續的醫療處理。

而現行骨骼鑽孔設備在防止鑽頭鑽穿時發生過衝的安全裝置之現況,可歸納如下:

(1)       控制鑽頭轉動的開關是採取腳踏板的方式,使醫生在鑽洞時,能集中注意力於鑽穿的手感判斷。

(2)       主動與從動件是類似離合器的結構,需要緊密接合,鑽頭才能轉動。

(3)       鑽頭直徑約10mm的鑽頭頂端的兩層特殊形狀,如圖1.5所示,主要靠內層鑽孔,即使醫生過度施力,外層可以頂住頭骨表面的硬骨,以避免造成過衝量。

1.5 鑽頭頂端的特殊形狀

1.2 研究目的

目前在腦部外科手術中,醫師藉由二維的斷層掃描圖片來作病情的診斷,並藉二維的斷層掃描圖片組合出立體的樣子,以研判病灶位置與規劃手術路徑,然後以手持鑽頭、人工進給的方式鑽穿頭骨進行手術。這種方式可能有以下技術上的困難︰

(1)在病灶定位方面

醫師無法知道病灶位置與手術路徑精確的相對位置,定位精確度不高。因此醫師需要豐富的臨床經驗,如手術前的規劃與手術中的定位,必須要有數年的經驗才能完成。腦部手術設備如能結合定位系統做病灶位置精確定位及手術路徑規劃,將可大幅減輕醫師臨床手術時之負擔。

(2)在鑽孔方面

由於人的頭骨厚度不一,在鑽穿頭骨時現有鑽孔器是由人工進給,且全憑醫生經驗去感覺頭骨是否已被鑽穿,來控制鑽頭的前進或停止,然而若不慎控制不當在頭骨鑽穿後沒有及時停止而鑽穿腦膜,將導致病人腦部組織破壞,造成極大的傷害。在其他外科手術需要在骨骼上鑽孔時,也有類似的問題,如果控制不當將導致骨骼鑽穿後鑽頭攪住肌肉與神經,造成傷害。表1.1所示為腦部手術頭骨鑽孔設備之現況、限制、及本研究建議改善的方向。

1.1 現有設備使用的限制

 

現有方式

限制

研究建議

鑽孔方式

徒手持電鑽進給

若軸向施力過大,直接造成過衝且較費力

自動、手動進給兩種模式

鑽穿判斷

靠醫生的技巧與經驗

新醫生培訓不易

設計能感測鑽穿的訊號

定位方式

立體定位頭架

固定式與病人頭部接觸造成病人負擔且操作麻煩

無框架式定位

安全裝置

腳踏開關、特殊鑽頭、離合裝置

都需靠醫生的反應才能作動

當判斷到異常訊號時,自動停止轉動及停止進給

本研究的目標便是在研發一腦部手術用之精密定位與自動進給鑽孔平台,首先將針對鑽穿訊號的判斷偵測及判斷鑽穿之後的處理深入探討,希望鑽頭能感測鑽穿後自動停止,接下來並結合一機械手臂可固定位置與方向自動進給,以避免人為的抖動,最後並將自動進給鑽孔系統及腦部手術之無框式定位系統加以整合。

1.3 論文架構

本文第一章說明研究動機並介紹腦部手術的過程,及目前在安全考量下所遇到的鑽孔問題,透過對於現況的瞭解,提出研究目標。第二章則介紹國內的相關論文,以定位方式、國外新型鑽孔器設計、探討模糊控制在相關研究中的應用、機械手臂於手術中的應用四個方向歸納整理。

第三章介紹本研究發展過程中歷代自動進給鑽孔系統的設計概念,並提出整合自動與手動進給模式鑽孔平台的設計,包含避免醫生手部顫抖的機械手臂結構設計、電鑽電流及進給位移訊號擷取、並將模糊控制應用於本系統。

第四章針對本系統設計實驗來評估其正確性,實驗方式有徒手持電鑽進給、型架手動進給、自動進給三種模式,分別以壓克力板、豬骨、人骨為測試材料,探討不同進給模式下的過衝量,並探討造成過衝量的原因。第五章介紹現有的無框式光學定位系統,及本系統與定位系統的結合,最後在第六章說明本研究之結論。

參考資料

立體定位腦部插種治療”, <http://adm.cgmh.com.tw/intr/intr2/c323a/bt.html> (7 July 2000)