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姓名 張志儒(Chih-ju Chang)  查詢紙本館藏   畢業系所 機械工程學系在職專班
論文名稱 電腦輔助系統用於脊椎後融合骨釘植入手術之臨床應用評估
(Clinical evaluation of computer-assisted surgery in spinal pedicle screws insertion)
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摘要(中) 植入椎莖螺釘的脊椎手術需要相當高的精確度及豐富的臨床經驗。因為脊椎結構,椎莖與脊髓神經毗鄰而居,所以只要稍有誤差,就可能傷害到脊椎神經而造成嚴重的神經缺損。傳統的手術,醫師於術前藉由二維的影像學檢例作為病情的診斷與手術治療計畫的基礎;然而每一病人的解剖位置不盡相同。所以手術順利、成功端賴於醫師本身專業的判斷與豐富的臨床經驗,但也顯現手術的不確定性與困難性。所以基於以上傳統手術的缺點,本研究希望利用電腦輔助手術的概念,發展一套應用於椎莖螺釘植入之脊椎手術導引方式,且確實運用於臨床。進而發展出實用的導引系統,用以縮短醫師養成的時間,也使椎莖螺釘植入之脊椎手術更加安全。
本篇論文爲一連續性的實驗。以本實驗室原有的導航設備爲基礎,首先執行以電腦斷層為基礎的導航系統,用於實際手術的操作,來評估導航手術用於脊椎椎莖螺釘植入手術的可行性。雖然實驗得到肯定的結果,但臨床上已進展至微創手術。所以將本實驗室所發展的C-arm導引系統上加以改良,並以模型及實際手術應用來評估其精準度。結果顯示於實際手術時,將病人呼吸與影像擷取同步化即可得到很好的準確度。此種導引方式於實際手術操作時,確實可以提供器械即時的位置並減少C-arm的照射次數與幅射線的暴露量。又實際手術也很需要正確的手術路徑規劃,因此根據實驗室對於2D-3D方位校準的研究,提出計算較為省時及路徑規劃準確的方式。包括路徑規劃所需要的矢向面丶軸向面等三維的資訊。
摘要(英) The spine surgery of pedicle screws implantation requires relatively high accuracy and rich clinical experience. Due to the fact that the spinal structure, pedicle and spinal nerves are so close to each other, even the slightest error occurred may induce spinal nerves damage and cause severe neurologic deficits. Thus, how to implant pedicle screws successfully has become a vital issue. In traditional surgery, doctors acquire patients’ imange before surgery by two-dimensional images for the diagnosis and surgical planning. However, every patient is an independent individual so as to its anatomical position, hence ,wheather making operation smooth and successful depends on surgeon’s professional judgment and extensive clinical experience. All the above factors have shown the uncertainty and difficulty of traditional surgery. Based on the above shortcomings of traditional surgery, we hope to develop computer-assisted navigation system that can be applied in clinical practice with pedicle screw implantation. And the system can not only shorten the time of surgeon’s cultivation but also makes the operation safer.
This study consists of a series of experiments based on our original navigation equipment in our laboratory. At first, we used CT-based navigation system for the actual surgical operation to evaluate the practicability of navigation surgery for the operation of pedicle screw implantation. Although the results of experiments seems positive, when compared with minimally invasive surgery, this navigation mode is out of date.Thus,the following laboratory and practical operation was then replaced with the C-arm guidance system, which is developed by our own laboratory to evaluate its accuracy. The outcome showed when we synchronize the patient’s breathing and image capturing during the surgery, the accuracy of the operation is relatively perfect. Our navigation system can provide real time position of tools in order to reduce the radiation exposure. The planning of screws pathway is also important. Therefore, according to the research of 2D-3D calibration made by our laboratory, we offer a more time-saving and accurate calculation to provide three-dimensional information about sagittal and axial plane for planning the surgery pathway.
關鍵字(中) ★ 電腦輔助手術
★ 導航手術
★ 脊椎手術
關鍵字(英) ★ Computer assisted surgery
★ Navigation
★ Spinal surgery
論文目次 目錄
目錄………………………………………………………………………I
圖目錄………………………………………………………………… VI
表目錄………………………………………………………………… XI
第一章 緒論…………………………………………………………… 1
1-1 前言……………………………………………………………1
1-2 研究動機………………………………………………………3
1-3 文獻回顧………………………………………………………4
1-4 研究方法………………………………………………………8
1-5 論文介紹…………………………………………………… 11
第二章 系統架構及操作流程…………………………………………12
2-1 CT影像導引系統…………………………………………… 12
2-1-1硬體架構…………………………………………………12
2-1-1-1光學式定位裝置……………………………………12
2-1-1-2 手術器械………………………………………… 14
2-1-2 軟體架構……………………………………………… 15
2-1-3 系統操作流程………………………………………… 16
2-2 C-arm影像導引系統………………………………………… 17
2-2-1硬體架構…………………………………………………17
2-2-1-1 C-arm影像校正器…………………………………17
2-2-1-2改良的導航器械……………………………………19
2-2-2系統操作流程……………………………………………21
2-3 CT及C-arm影像融合導引系統………………………………22
2-3-1硬體架構…………………………………………………22
2-3-2軟體架構…………………………………………………22
2-3-3 2D-3D 方位校準……………………………………… 23
2-3-4 導引模式……………………………………………… 24
第三章 導引原理及方法…………………………………………… 26
3-1 CT醫學影像與重建………………………………………… 26
3-1-1 醫學影像……………………………………………… 27
3-1-2 影像重建……………………………………………… 28
3-1-3 手術路徑規劃………………………………………… 29
3-1-4 座標系統定義………………………………………… 33
3-1-5 座標系統轉換………………………………………… 34
3-1-5-1轉換矩陣 ………………………………………… 34
3-1-5-2座標系統間的轉換…………………………………35
3-1-6方位校準…………………………………………………36
3-1-6-1曲面對應法…………………………………………36
3-1-6-2 ICP演算法…………………………………………38
3-2 C-arm影像處理與定位方法…………………………………43
3-2-1大鋼珠座標辨識…………………………………………44
3-2-2影像對位…………………………………………………45
3-2-3小鋼珠辨識………………………………………………46
3-2-4座標系統定義……………………………………………47
3-2-5 C-arm 投影模式……………………………………… 48
3-2-6路徑規劃方法……………………………………………49
3-3 CT及C-arm影像融合導引方位校準……………………… 52
3-3-1座標系統定義……………………………………………53
3-3-2 CT影像處理…………………………………………… 54
3-3-3 C-arm影像處理…………………………………………56
3-3-4二維與三維影像資料的方位校準………………………58
3-3-5建構DRR影像……………………………………………61
3-3-5-1光束投射法(Ray casting)……………………… 61
3-3-5-2濺射成像法(Splatting) …………………………62
3-3-6影像相似性量測…………………………………………63
3-3-7最佳化方法………………………………………………64
3-3-8 2D-3D方位校準使用CUDA加速……………………… 65
第四章 實驗結果與討論………………………………………………67
4-1 CT影像導引實驗…………………………………………… 67
4-1-1 CT影像導引實驗曲面對應法以及實際手術………… 67
4-1-2實驗對象及病例討論……………………………………75
4-1-3 實驗結果……………………………………………… 87
4-1-4 實驗討論……………………………………………… 89
4-2 C-arm影像導引實驗……………………………………… 91
4-2-1 影像處理……………………………………………… 91
4-2-1-1 大鋼珠辨識……………………………………… 91
4-2-1-2 小鋼珠辨識……………………………………… 92
4-2-2 系統精度實驗………………………………………… 93
4-2-2-1 模型實驗………………………………………… 93
4-2-2-2 實際開刀房驗證………………………………… 95
4-2-3 實驗討論……………………………………………… 98
4-2-4 誤差分析與討論……………………………………… 98
4-3 CT與C-arm影像融合實驗………………………………… 101
4-3-1 最佳化方法……………………………………………101
4-3-2 誤差分析方法…………………………………………101
4-3-3 理想轉換矩陣…………………………………………102
4-3-4 評估最佳化與相似性量測實驗………………………103
4-3-5 方位校準實驗…………………………………………104
第五章 結論………………………………………………………… 106
參考文獻………………………………………………………………109















圖目錄
圖1-1 脊椎結構圖………………………………………………………2
圖1-2 經椎莖螺釘融合固定術…………………………………………3
圖2-1系統硬體架構………………………………………………… 12
圖2-2光學式定位裝置……………………………………………… 13
圖2-3被動式DRF……………………………………………………… 14
圖2-4固定在脊椎上之DRF…………………………………………… 14
圖2-5手術用Probe…………………………………………………… 14
圖2-6手術路徑規劃圖……………………………………………… 15
圖2-7系統作業流程圖……………………………………………… 16
圖2-8 C-arm 輔助系統之硬體示意圖……………………………… 17
圖2-9 C-arm校正器……………………………………………………18
圖2-10中型附加標記(左)、大型與小型附加標記(右) ……………19
圖2-11改良之脊椎棘突夾持器及定位器械…………………………20
圖2-12 C-arm輔助導引系統運作流程………………………………21
圖2-13完成2D-3D方位校準畫面……………………………………23
圖2-14特徵區域(ROI)圈選工具…………………………………… 24
圖2-15器械導引畫面…………………………………………………25
圖2-16器械導引完成畫面……………………………………………25
圖3-1-1人體試驗委員會同意書…………………………………… 26
圖3-1-2重建之三維脊椎模型……………………………………… 29
圖3-1-3剖面工具…………………………………………………… 30
圖3-1-4量測工具…………………………………………………… 31
圖3-1-5手術路徑調整圖…………………………………………… 32
圖3-1-6各座標系統示意圖………………………………………… 33
圖3-1-7 ICP演算法流程圖………………………………………… 39
圖3-1-8 點選特徵點………………………………………………… 41
圖3-1-9方位校準流程圖…………………………………………… 42
圖3-1-10顯示方位校準結果………………………………………… 43
圖3-2-1左為相關係數影像,右為辨識結果…………………………44
圖3-2-2校正器座標系與影像座標系……………………………… 45
圖3-2-3 ROI分割影像…………………………………………………46
圖3-2-4以相關係數法辨識失敗的區域…………………………… 46
圖3-2-5流程圖……………………………………………………… 47
圖3-2-6座標系統相對關係圖……………………………………… 47
圖3-2-7器械、脊椎與發射源之間的關係……………………………49
圖3-2-8反投影計算空間座標……………………………………… 49
圖3-2-9 AP上一特徵點可能對應多種深度………………………… 50
圖3-2-10顯示規劃結果……………………………………………… 51
圖3-3-1座標系統的相對關係……………………………………… 53圖3-3-2系統軟體提供的圖學工具………………………………… 54圖3-3-3 ROI處理後的CT影像(解析度為277×244×350) …………55圖3-3-4三維重建脊椎模型………………………………………… 56圖3-3-5鋼珠相關係數影像及偵測………………………………… 57圖3-3-6計算X-ray理想發射源………………………………………58圖3-3-7影像資料方位校準的透視投影幾何關係………………… 59
圖3-3-8 (a)脊椎假體模型 (b)CT模型上的球型標記………………60圖3-3-9(a)體積取樣示意圖 (b)光束投射法示意圖……………… 62圖3-3-10 (a)濺射成像法示意圖 (b) FIR濾波器之頻率響應…… 63圖3-3-11 CUDA程式之實作架構………………………………………66
圖4-1-1虛擬的圓柱圖……………………………………………… 67
圖4-1-2光學式定位裝置位置圖…………………………………… 68
圖4-1-3雷射光束投射裝置………………………………………… 69
圖4-1-4手繪與實際解剖對應圖…………………………………… 70
圖4-1-5 DRF夾鉗夾在椎體上……………………………………… 71
圖4-1-6點取特徵點………………………………………………… 72
圖4-1-7完成方位校準……………………………………………… 72
圖4-1-8器械即時位置……………………………………………… 73
圖4-1-9 C-arm確認………………………………………………… 74
圖4-1-10導航失敗……………………………………………………74
圖4-1-11 Case 6之X-ray及核磁共振檢查………………………… 77圖4-1-12 Case 6之導航……………………………………………… 77圖4-1-13 Case 6之C-arm確認………………………………………78圖4-1-14 Case 6之術後檢查………………………………………… 79圖4-1-15 Case 7之X-ray及核磁共振檢查…………………………80 圖4-1-16 Case 7之導航……………………………………………… 81
圖4-1-17 Case 7之Portable X-ray確認……………………………81圖4-1-18 Case 7之術中導引…………………………………………81圖4-1-19 Case 7之術後檢查………………………………………… 82圖4-1-20 Case 5之X-ray及核磁共振檢查………………………… 83圖4-1-21 Case 5螺釘植入…………………………………………… 83 圖4-1-22 Case 5之術後檢查…………………………………………84圖4-1-23 Case 9之X-ray及核磁共振檢…………………………… 85圖4-1-24 Case 9導航衝突…………………………………………… 86圖4-1-15 Case 9之術後檢查………………………………………… 86圖4-2-1大鋼珠辨識率比較對位時間(s) ……………………………92圖4-2-2不同方法之小鋼珠辨識率比較…………………………… 93圖4-2-3系統精度實驗……………………………………………… 94圖4-2-4系統精度驗證……………………………………………… 95
圖4-2-5 (a)改良式的脊椎棘突夾持器 (b)C-Arm影像扭正器……96
圖4-2-6綠線為計算後K-Pin在電腦螢幕上應在的位置………… 96
圖4-2-7非同步擷取造成投影偏差(紅線為正確位置) ……………97圖4-2-8 AP View器械尖端逆投影與LA View之尖端不相交會… 97圖4-2-9導引結果…………………………………………………… 98圖4-2-10校正器鋼珠與DRF之關係……………………………… 99圖4-2-11安裝反光球導致基座變型……………………………… 100圖4-2-12 DRF基座變形產生之投影誤差(右) …………………… 100圖4-3-1平移誤差(mm) ………………………………………………103圖4-3-2對位時間(s) ……………………………………………… 104






表目錄
表1-1方位校準方式……………………………………………………6
表3-1座標系統定義………………………………………………… 33
表3-2座標系統說明………………………………………………… 48
表4-1病人資料……………………………………………………… 76
表4-2實驗結果……………………………………………………… 88
表4-3模型實驗數據………………………………………………… 94
表4-4人體試驗數據………………………………………………… 97
表4-5 ICP演算法結果(單位:mm) ………………………………… 103
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指導教授 曾清秀(Ching-shiow Tseng) 審核日期 2016-1-11
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