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作者:林浩瑋 (2000-07-09),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五、六章。

骨骼鑽孔平台與腦部手術無框式光學定位系統整合

5.1 腦部手術無框式光學定位系統介紹

目前長庚醫院使用之腦部手術無框式光學定位系統如圖5.1所示,BrainLab公司的產品[BrainLab user manual VectorVision v3.61, 1999]手術前病患頭部貼上三個以上標記,以間隔2mm的方式做頭部斷層掃描,建立顱內病灶三度空間位置與頭骨標記的空間轉換座標,透過兩個紅外線攝影機建立病人頭上三個以上的標記的座標系統,即可將無框式光學定位的座標系統與斷層掃描座標系統整合在一起。在進行手術時,就可以搭配量測探棒做由電腦螢幕線上即時量測並即時顯示該點的斷層掃描圖片,做影像導航的功能,協助醫生找到在頭骨上離顱內病灶的位置距離最近的定位點,該點對病人頭骨做最小的侵入鑽孔,以利後續醫療步驟。此外,該系統更透過紅外線攝影機將病人頭部標記與手術台旁的標記座標系統整合,如此即可將病人頭部的標記移除,對於病患頭部做消毒處理,且不用擔心病患頭部移位而影響手術定位。

5.1 腦部手術無框式光學定位系統[BrainLAB user manual, 1999]

在手術室中無框式光學定位儀器的擺設位置如圖5.2所示,電腦及影像顯示螢幕至於病患右後方,並調整一懸臂使紅外線攝影機可以照到手術台旁的標記座標系統,醫生位於病患頭部後方進行醫療,只要用如圖5.3所示之手持定位探棒(pointer tool),其尾端有兩個標記,透過兩點即可換算探棒頂端的位置,由紅外線攝影機可以顯示其頂端定位之位置,透過攝影機回授可將探棒在空間內移動的位置,及時更新該點的斷層掃描圖片達成影像導航的功能。該量測棒在x軸僅能旋轉180度,探棒的標記超過180度會被擋住,就不能從紅外線攝影機回授擷取位置訊號。

5.2 無框式定位系統於手術室空間放置圖

5.3 量測探棒運動角度示意圖

5.2 自動進給骨骼鑽孔平台與無框式光學定位系統整合

自動進給骨骼鑽孔平台與前述無框式光學定位系統整合,在硬體方面,只要在自動進給鑽孔平台貼上3個標記,如圖5.4所示,在紅外線攝影機的能見範圍內,即可透過無框式光學定位系統的影像做及時的引導定位,將機械手臂挾持自動進給鑽孔器到定位點之後,用手旋機械臂的固定扭,就可以將自動進給鑽孔器透過機械臂穩定的挾持,在頭骨上的定位點做單軸向的骨骼自動進給鑽孔。

5.4 自動進給鑽孔平台貼三個標記

醫院現有的軟體可讀取斷層掃描的圖片,建成3D影像協助醫生做術前規劃,也可以量測鑽孔點頭骨的厚度,不過其精確度與斷層掃描所設定的掃描距離有關。本研究在骨骼自動鑽孔前,可以根據醫院的軟體所量測到的頭骨厚度,設定最大安全進給距離,萬一感測鑽穿的電鑽電流訊號誤判,當電鑽進給到所設定的安全距離後,強制停止進給,更提供本研究之自動進給鑽孔平台在安全性上更進一步的保障。

結論與未來研究方向

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。

腦部手術病人經過頭部斷層掃描來判斷頭骨內部病灶的位置,醫生須先在頭骨鑽孔才能深入病灶做醫療處理。人的骨頭是由三種不同介質組成,外面的兩層骨質較硬,而中間骨質較軟,由於現有的馬達驅動的電鑽缺乏在從最外層硬骨質到軟骨質、及鑽穿近顱內的硬骨這兩種界面刺穿的自動偵測技術,且每個人骨頭有不同的組織、厚度、硬度、均質性,目前醫生徒手持電鑽鑽頭骨時,仍憑手部的感覺來判斷是否已鑽穿頭骨,操作時必須集中注意力並且依靠個人經驗。

6.1 本研究的成果與貢獻

本研究的成果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,達成鑽頭感測鑽穿後自動停止的功能。綜觀國外的相關研究,骨骼鑽穿的感測,多是感測施於電鑽反向力量或是電鑽鑽孔時扭力的變化,本研究亦利用電鑽直流馬達的扭力與電流成正比的關係,透過感測器量測電鑽電流的訊號作為偵測骨骼鑽孔時穿越不同骨質的訊號。本研究並提出模組化設計的概念,只要將現有電鑽挾持於一模組化的自動進給型架上,將電鑽電源插上所設計一訊號擷取控制電路盒,即可擷取電鑽電流訊號,不須修改現有電鑽設計。接下來並結合一能在空間中靈活移動的機械手臂,可挾持鑽孔器固定於定位點與方向,對頭骨上離病灶三度空間中最近點的方位及方向做自動進給鑽孔,以避免人為的抖動。

骨骼鑽孔平台開發完成後,本研究並針對不同的進給速度、不同電鑽直徑、輔助支撐頂桿有無、及進刀方向等四個參數做整合測試。經過數十次不同狀況之鑽孔實驗,過衝量均在2mm以下,且均無不預期失效狀況發生,顯示本系統有相當之可靠性。

最後並將自動進給鑽孔平台及腦部手術之無框式光學定位系統加以整合,只要在自動進給鑽孔平台貼3個圓球狀標記,即可將本系統與醫院無框式光學定位系統整合,該系統具備影像導航的功能,協助醫生將鑽頭移到離病灶三度空間中,最近的頭骨上定位後,機械手臂將可挾持自動進給鑽孔器進行鑽孔,當系統自動感測到鑽穿頭骨的訊號後,自動停止進給及電鑽停止轉動。將手術病灶定位與自動進給鑽孔做醫療自動化的整合。

國內在臨床使用的電鑽尚無利用自動進給或透過感測器判斷鑽穿訊號方面的研究,本研究開發之自動進給手術用骨骼鑽孔平台應有相當發展前景。

6.2 未來研究方向

本研究研發完成腦部手術用骨骼鑽孔平台設計原型(prototype),本研究從設計原型加以改良成真正的醫療器材,尚須經過與醫療電鑽整合、動物實驗、醫療器材認證、臨床實驗等四個步驟,如圖6.1所示。

6.1 未來研究方向

在與醫療器材整合方面,由於一般醫療用電鑽需要搭配其轉速控制器一起使用,且醫療用電鑽過於昂貴,故本研究是採用的是一個直流馬達的電鑽,電路訊號控制擷取盒是針對直流馬達設計以擷取其電流訊號,我們在研究過程中曾經用兩台不同廠牌的醫療用電鑽進行實驗,由於兩種醫療用電鑽設計不一,只有一台醫療用電鑽將其轉速控制器的電源插入訊號擷取盒可以擷取到電鑽電流訊號,未來可針對如何與醫療用電鑽整合做進一步研究。

本系統在實驗過程曾採用豬骨、及人骨為鑽孔實驗的被鑽材料,在動物實驗方面可利用本系統與長庚醫院現有光學定位系統整合,進行手術定位及自動進給鑽孔的動物實驗。

醫療器材也要經過美國聯邦食品藥物管理局(FDA)認證,需要安裝外部感測器監測、防止電磁干擾、及軟體認證。在安全的考量下,本系統須在適當處加裝力量感測器量測鑽孔時的反作用力,同時量測電鑽電流訊號、及鑽孔時的反作用力兩種彼此獨立的訊號作為判斷鑽穿的訊號,可避免其中一種訊號受到干擾時,產生錯誤動作。在實驗驗證方面要進一步考量故障分析(fault analysis),就是針對鑽孔過程中可能遇到的緊急狀況(如臨時停電、鑽頭刀刃磨損或斷掉)進行模擬實驗,研訂每一種情況的對策,以增加系統的強健性。

在臨床實驗時手術器械需要經過高溫高壓消毒,本研究的位置感測器、電線、及負責自動進給的步進馬達需要再改良,使其能做高溫高壓的消毒,才能在長庚醫院進行實際醫療臨床實驗。

參考資料

BrainLAB User Manual VectorVision v.3.61, BrainLAB GmbH Germany, 1999.