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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:郭建豪
研究生(外文):Chien-Hao Kuo
論文名稱:電腦輔助立體導引手術之週邊手術器械設計開發
論文名稱(外文):Design and development of brain surgical instruments for 3D computer-assisted surgery
指導教授:林峻立林峻立引用關係
指導教授(外文):Chun-Li Lin
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:醫療機電工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:電腦輔助立體導引手術手術器械設計
外文關鍵詞:3D computer-assisted surgerysurgical instruments
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近20年來,生物科技與工業等技術快速進步發展下,有學者將這些技術整合應用於神經外科手術上。然而這些設備如特徵點擷取探針、機構式定位頭架及參考點對位夾具仍可進一步設計,提高醫師於手術之便利性。因此本研究之目的係針對特徵點擷取探針、機構式定位頭架及參考點對位夾具進行設計、製作與體外測試。本研究之工作內容係整合電腦輔助工程設計(Computer Aided Design, CAD)、機構運動模擬分析(Emulation & Animation)、器械快速成型製作(Rapid Prototyping, RP)、電腦輔助工程製造(Computer Aided Manufacturing, CAM)及手術器械體外測試等五項技術。在特徵點擷取探針部分本研究開發可由醫師直接執行特徵點確認操作且能連續取點動作,設計不同型式與角度之探針減少取點死角,且設計將感測器安裝於探針可增加操作便利性,測試後發現探針行程可再縮減,而在連結器定位設計可於每90°增設,給予不同角度型式探針使用。在機構式定位頭架部分開發貼近頭顱傷口設計,且在裝置前設計一對位套筒並裝置感測器使頭架與傷口對位,並利用旋轉機制調整至所需位置,再使用導螺桿控制燒灼針進入病灶其行程有41mm,而在與頭顱接觸面可更改為3個立體支架。在參考點對位夾具部分開發可固定於手術床台增加醫師手術範圍,利用球關節增加感測器調整角度位置自由度,利用散射狀造型調整定位裝置與連桿至所需角度位置,並裝置一扭力彈簧可使受到碰撞後回復至原始設定之角度位置,但因感測器端體積大且過重會造成回復情形不完整,因此需作減重調整。本研究已開發出3種手術器械雛形,並已執行體外測試,雖然並未於做臨床測試,但此設計理念可供未來學者參考使用。
In the past two decades the science and technology for the creation and use of computer assisted navigation in neurosurgery have progressed tremendously. Although several commercial navigation systems have been developed in clinical, some sub-devices including pointer, frame and clamp are still need to further modify. The aim of this study is to design, develop and in-vitro test of three novel sub-devices (i.e. active auto-acquired pointer, navigated skull frame and auto-reduction clamp) for computer assisted navigation in neurosurgery. Computer aided design (CAD), motion simulation, rapid prototype (RP) and computer aided manufacture (CAM) techniques were integrated to develop and fabricate these sub-devices. Finally, custom-made RP skulls of patients were also fabricated to perform the in-vitro simulated neurosurgery for testing and examination. The active auto-acquired pointer is capable of tool-less quick probe shifting, various probe geometry changing and marker automatic acquiring. Furthermore, the navigated skull frame has three major features including skull frame alignment, probe vector correction and probe intervened velocity adjustment. The auto-reduction clamp consists of vise, auto-reduction, link and reference point angle adjustment components. After in-vitro neurosurgery evaluation, the three developed sub-devices could achieve the preliminary rational functions, but these prototypical sub-devices still have several drawbacks such as electronic components not assembly for active auto-acquired pointer, non skull surface fitting for navigated skull frame and bulky volume for auto-reduction clamp. In conclusions, three sub-devices prototype i.e. active auto-acquired pointer, navigated skull frame and auto-reduction clamp for computer assisted navigation in neurosurgery have been designed, manufactured and in-vitro tested in this study. Despite these devices still not used for in-vivo neurosurgery, the mechanical rationales in these devices could provide a useful design and manufacture concept in the future.
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 VI
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1-1研究背景 1
1-1-1腦神經外科手術 1
1-1-2電腦輔助導引手術流程 3
1-1-3電腦輔助導引手術系統 5
1-2文獻回顧 8
1-2-1電腦輔助導引手術之特徵點擷取探針 8
1-2-2電腦輔助導引手術之機構式定位頭架 13
1-2-3電腦輔助導引手術之參考點對位夾具 16
1-2-4文獻總結 19
1-3研究目的 20
第二章 研究方法 22
2-1研究流程 22
2-2手術器械設計 23
2-2-1電腦輔助工程設計 23
2-2-2特徵點擷取探針 23
2-2-3機構式定位頭架 30
2-2-4參考點對位夾具 37
2-3手術器械運動模擬 43
2-3-1特徵點擷取探針運動模擬 44
2-3-2機構式定位頭架運動模擬 45
2-3-4參考點對位夾具運動模擬 46
2-4手術器械快速原型製作 48
2-5手術器械加工開發製作 52
2-6器械成品體外測試 44
第三章 研究結果 55
3-1特徵點擷取探針 55
3-1-1特徵點擷取探針機構實體 55
3-1-2特徵點擷取探針體外測試 59
3-2機構式定位頭架 62
3-2-1機構式定位頭架機構實體 62
3-2-2機構式定位頭架體外測試 64
3-3參考點對位夾具 69
3-3-1參考點對位夾具機構實體 69
3-3-2參考點對位夾具體外測試 74
第四章 研究討論 78
4-1特徵點擷取探針 78
4-2機構式定位頭架 80
4-3參考點對位夾具 83
4-4研究限制 86
第五章 結論 87
參考文獻 88














表目錄
表一、特徵點擷取探針功能比較表 12
表二、機構式定位頭架功能比較表 16
表三、參考點對位夾具功能比較表 18
表四、特徵點擷取探針比較表 78
表五、機構式定位頭架比較表 80
表六、參考點對位夾具比較表 17


















圖目錄
圖一、大腦解剖示意圖 1
圖二、傳統開顱手術手術 2
圖三、電腦輔助導引手術系統 3
圖四、電腦輔助導引手術系統架設圖 4
圖五、Stealthstation 5
圖六、Navigation platform 5
圖七、VectorVision 6
圖八、懸臂機械式特徵點擷取探針 8
圖九、可調整位置之特徵點擷取探針 9
圖十、Medtronic特徵點擷取探針 10
圖十一、雷射特徵點擷取探針 11
圖十二、具功能鍵之特徵點擷取探針 11
圖十三、可拆卸組合之定位器械 12
圖十四、Leksell氏機構式定位頭架 13
圖十五、Urquhart機構式定位頭架 14
圖十六、Tai機構式定位頭架 14
圖十七、Vertek Biopsy system機構式定位頭架 15
圖十八、NexFrame機構式定位頭架 15
圖十九、De la barrera參考點對位夾具 16
圖二十、Leither參考點對位夾具 17
圖二十一、Nexframe參考點對位夾具 17
圖二十二、BrainLAB參考點對位夾具 18
圖二十三、研究流程圖 22
圖二十四、特徵點擷取探針設計圖 24
圖二十五、特徵點擷取探針本體爆炸圖 26
圖二十六、特徵點擷取探針零件圖 27
圖二十七、特徵點擷取探針電路位置配置爆炸圖 28
圖二十八、特徵點擷取探針組合圖 29
圖二十九、機構式定位頭架設計圖 31
圖三十、與頭顱傷口導正對位機構爆炸圖 32
圖三十一、機構式定位頭架運動示意圖 33
圖三十二、機構式定位頭架機構運動爆炸圖 34
圖三十三、燒灼針微調設計爆炸圖 36
圖三十四、參考點對位夾具組合圖 37
圖三十五、球關節與感測器爆炸圖 39
圖三十六、參考點對位夾具零件圖 40
圖三十七、復歸裝置設計爆炸圖 41
圖三十八、參考點對位具零件外殼蓋散射波紋設計 42
圖三十九、機構運動模擬介面 43
圖四十、特徵點擷取探針運動情形示意圖 44
圖四十一、機構式定位頭架運動情形示意圖 45
圖四十二、參考點對位夾具運動情形示意圖 47
圖四十三、Dimension SST桌上型雙噴頭立體快速原型設備 48
圖四十四、特徵點擷取探針原型組合圖 51
圖四十五、機構式定位頭架原型組合圖 51
圖四十六、CNC車床 53
圖四十七、特徵點擷取探針圖 55
圖四十八、特徵點擷取探針之不同角度型式探針實體圖 56
圖四十九、特徵點擷取探針之連結器實體圖 56
圖五十、特徵點擷取探針之電路放置實體圖 57
圖五十一、市售規格品圖 58
圖五十二、特徵點擷取探針取點測試圖 59
圖五十三、特徵點擷取探針更換不同角度型式探針測試圖 60
圖五十四、角度型式探針取點測試圖 61
圖五十五、機構式定位頭架零件組合圖 62
圖五十六、光球式感測器實體圖 63
圖五十七、導螺桿實體圖 63
圖五十八、運動主體組合圖 64
圖五十九、頭顱傷口導正對位測試圖 64
圖六十、機構式定位頭架運動測試圖 66
圖六十一、機構式定位頭架運動示意圖 68
圖六十二、參考點對位夾具實體圖 70
圖六十三、梅花盤調整設計示意圖 70
圖六十四、球關節設計示意圖 71
圖六十五、散射波紋設計實體圖 71
圖六十六、復歸機構設計實體圖 72
圖六十七、市售規格品 73
圖六十八、參考點對位夾具最大範圍測試圖 74
圖六十九、參考點對位夾具運動範圍測試圖 75
圖七十、感測器角度調整測試圖 75
圖七十一、梅花盤角度調整測試圖 76
圖七十二、復歸機構測試圖 76
圖七十三、散射波紋設計測試圖 77
圖七十四、連結器定位裝置示意圖 79
圖七十五、連結器誤差圖 79
圖七十六、圓柱扭轉示意圖 82
圖七十七、上主體與翼型旋鈕干涉關係示意圖 82
圖七十八、下主體與頭顱骨貼合示意圖 83
圖七十九、梅花盤配合零件圖 85
圖八十、球關節固定套筒 85
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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