下顎前突症矢向分裂切骨術之剛性固定生物力學分析  
下顎骨折復位術之力回饋手術模擬與快速原型術前演練技術開發  
下顎骨復位術骨板植入策略有限元素分析  
多自由度口腔咬合對位調整咬合器之設計開發與臨床評估  
電腦輔助植牙規劃、植入物設計與手術定位技術  
電腦輔助顱顏手術規劃、植入物設計及定位技術  

 

 
◎ 下顎前突症矢向分裂切骨術之剛性固定生物力學分析

本研究將以有限元素(FE)法與電腦輔助設計(CAD),針對正顎手術中下顎枝矢向分裂切骨術(BSSO)之骨釘剛性固定方式,進行骨釘固定型態之穩定性探討。研究方法為先取得臨床病患之電腦斷層掃描(CT)影像,經由醫學影軟體編輯修型將下顎骨重組還原三維立體影像,在藉由電腦模擬矢向分裂切骨術對下顎骨進行模擬切割,以建構出具有硬質骨與海綿骨兩種材料特性之下顎骨電腦分析模型,並根據文獻及臨床,設計6種不同之骨釘固定型態,進行模擬正顎手術矯正後之穩定性探討。根據六組分析模型分析結果顯示,在齒槽下神經之上、下呈三角幾何形狀排列,其骨釘及周圍骨骼之等效應力(von Mises stress),是所有分析型態中受力呈現最小之結果;在垂直排列型態中骨釘所承受的等效應力(von Mises stress)比最小值高出358%之多。根據上述分析結果,在正顎手術中骨釘剛性固定型態,以齒槽下神經之上、下方分別固定之方式將優於單純在齒槽下神經上方;若以齒槽下神經上方而言,水平排列型態較垂直排列型態穩定。

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◎ 下顎骨折復位術之力回饋手術模擬與快速原型術前演練技術開發

臨床醫師進行下顎骨折復位術術前規劃大多利用二維醫學影像(如X光片、電腦斷層掃描影像)進行術前徒手規劃與形態學之分析,醫師不但無法具體掌握患部三維資料進行手術規劃,也容易因為醫師個人經驗和主觀判斷不同而影響手術品質。因此本研究主要係整合醫學影像處理、電腦輔助工程設計、電腦力回饋與快速原型等技術,開發一套『下顎骨折復位術之力回饋手術模擬與快速原型術前演練』之應用流程,並針對一位實際臨床案例,提供醫師於術前分別利用力回饋手術模擬技術與快速原型實體模型進行手術規劃與模擬演練之兩種工具,以評估臨床試用性。本研究工作項目包括:電腦斷層掃瞄影像擷取、立體醫學影像重組、力回饋手術模擬、快速原型實體術前演練、臨床手術執行與術後評估。\

  

  

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下顎骨復位術骨板植入策略有限元素分析

在台灣下顎骨骨折為常見的傷害之一,醫師進行骨折復位術常見的方法係使用鈦合金或不鏽鋼材質植入系統固定骨折斷裂區域,但目前卻少有學者進行此手術之生物力學分析。因此,本研究係依據一位健康男性之下顎骨電腦斷層掃描影像資料,建構具緻密骨與鬆質骨特性之下顎骨有限元素分析模組,並分別搭配單一與雙根鈦合金骨板和單一不鏽鋼骨板進行力學分析。此外,為探討術後初期骨質未癒合與長期骨質完全癒合之生物力學反應機制,每一分析模組於骨質斷裂接合處分別利用接觸性與連續性邊界條件進行分析探討。結果顯示,相同手術策略下,術後初期的應力值均高於骨質完全癒合階段;相同受力情形下,使用不鏽鋼與鈦合金骨板分析發現,不鏽鋼骨板產生較高應力,但其緻密骨與鬆質骨承受較小應力。

  

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多自由度口腔咬合對位調整咬合器之設計開發與臨床評估

牙科用咬合器為目前牙體復形、義齒補綴、齒顎矯正、顱顏牙科等臨床進行病患口腔咬合評估、診斷與治療必須使用之機構設備,咬合器必須將個人化之上下顎齒形石膏模依據口腔咬合關係固定於咬合器方能使用。因此,本研究擬開發一組可對位調整之創新咬合器,用機構方式達成模擬咬合的功能,供臨床牙科醫師使用,能更快速修改與調整齒模。本設計開發之牙科咬合器,目前已完成雛型製作,初步測試與組裝後在機構實現6度空間自由度的表現上已有成果;而目前設計之咬合器機構未來將搭配可調節式精密量度咬合裝置,相信能更符合臨床需求。往後更可進一步的將硬體與影像處理技術結合,把口腔咬合運動輸入以電腦模擬,朝向虛擬咬合器的軟體開發製作。

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電腦輔助植牙規劃、植入物設計與手術定位技術

長庚大學機械系與長庚醫院牙科昨天發表一項「電腦輔助植牙手術技術」。未來人工植牙術前計劃、植入物設計、製作及植入定位導板製作等工作,都可透過電腦輔助工程技術得以突破。電腦輔助人工植牙技術之突破不但是臨床醫學上的精進,更為醫療機電、逆向工程和快速成型與臨床醫學等跨領域研究合作之良好典範。長庚大學機械系李明義教授指出,過去人工植牙工作通常係由牙醫師透過病患電腦斷層資料進行目測評估,並依個人經驗進行植牙手術計劃、植入物部位選擇、植入方位決定以及植入物設計。但經過新開發「電腦輔助輔助人工植牙技術,將可發揮「植牙規劃科學化」、「植入物選定最佳化」、「植入定位導板快速成型化」等效果。長庚大學指出電腦輔助人工植牙技術之創新開發,將可延伸應用於其他顱顏外科手術,如整形外科顏面重建手術、人工義耳、義鼻植入手術、口腔癌切除重建手術、骨科人工關節植入手術等。讓醫學與電腦工程科技結合應用,進入手術電腦化之新紀元。

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電腦輔助顱顏手術規劃、植入物設計及定位技術

顱顏整型外科醫師對於因先天因素(如小耳症、半邊小臉)、後天因素(如車禍、職業傷害)或疾病(如癌細胞侵蝕、齲齒、腫瘤)等造成頭顱、顏面或肢體創傷、破裂、變形之病患,都須進行復形手術;目前手術前大都依據醫師個人經驗,利用徒手或傳統平面式之X光片進形手術規劃,缺乏立體影像很難進行手術規劃模擬,以決定最佳之手術路徑和策略,而且多數情況醫師都需在開刀房內臨場以人工骨水泥,以目測方式依受創缺口以手工搯製填補模塊植入物,不但造成費時費工、延長手術時間,甚至會因臨場匆忙製作填補模塊未盡理想,影響修補手術作業品質和病患日後之容貌。有鑑於此,申請人在長庚醫院臨床醫師配合下,整合了網路、電腦輔助工程設計、逆向工程、快速成型技術開發出顱顏手術術前規劃模擬、實體模型演練、顏面植入物設計製作、植入手術立體定位導引及術後評估之整合技術。此項技術除了 可將病患電腦斷層(CT)資料,重組建立3D數位影像模型,亦可同步快速地作成立體實體模型,供醫師在手術前規劃手術路徑,並可在實體上進行開刀演練;另外病患顏面補綴植入物也可進行個別化設計與製作,確保病患癒後顏面的美觀。除此,手術中切割方位之導引定位板也可經由事前設計製作,使醫師手術更順利,以提高手術品質與成功率、縮短手術時間。此項手術輔助技術之創新,已成功的經長庚醫院應用在整形外科顱顏重建、牙科義齒補綴物製作、人工植牙手術及矽膠義耳植入手術等多項案例臨床驗證、成效良好。

本項技術目前也正推廣應用在人工植牙手術。據了解,國內人工植牙收費單顆約新台幣七、八萬元,而植牙手術的進行,牙醫師大都是依據病患口腔平面影像作植入手術規劃,而植牙時也多仰賴醫師臨床經驗來進行手術。申請人利用電腦數位化影像處理及分析技術,建構植牙手術術前規劃軟體,醫師可經由3D口腔立體影像,決定植入位置,並依植入部位之骨骼密度規劃最佳植入角度、深度,並選擇最適當之植入物規格尺寸等;也可由電腦自動製作植牙定位板,作為植牙手術進行時的導引。本項植牙新技術可協助醫師改善植入手術效率、提高病患醫療服務品質,發揮「植牙規劃科學化」、「植入物選定最佳化」、「植入定位導板快速成型化」等效果。本項技術已完成多項臨床案例,癒後良好。此項手術電腦化技術可延伸應用於下顎腫瘤切除、股骨頭壞死、脊髓矯正等外科手術,潛力無窮。申請人也應邀在「中華民國顱顏外科學會年會」及「中華民國手外科學會年會」擔任Invited Speaker,發表專題演講。

臨床成功案例:(成果刊登於IEEE Eng. In Medicine and Biology,March/April 2000

   

                                               註:病患頭顱電腦斷層CT影像

 

 
                         
 
 
 
 
 
                  
註: 利用電腦輔助設計軟体進行病患頡顱補塊3D分析

       

    
註:病患頭顱重建手術前(最左)與術後成功

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