三維影像應用於創新設計之全人工踝關節植體與手術流程開發：材料世界網

三維影像目前已廣泛運用於醫學領域，透過影像處理軟體將二維醫學影像重組為三維醫學影像，不僅能提供臨床醫師更清楚的解剖構造細節，更可做為醫療器材設計的重要參考資訊。以全人工踝關節手術流程及植體設計為例，根據三維醫學影像參考解剖構造分析下肢負重軸線及活動軸，搭配新設計之植入物及手術導航技術，重建病患的下肢生物力學機制。改善手術器械及手術流程提高手術精準度，並回復踝關節正常的功能，改善病患的癒後，增進全人工踝關節手術之醫療品質。

本文將從以下大綱，以人工踝關節手術流程及植體設計為例，說明透過三維醫學影像重建技術，有助於足踝重建手術。

‧人工踝關節簡介

‧「由下而上」人工踝關節重建手術規劃

‧人工踝關節重建手術器械導航系統

‧人工踝關節植體設計

‧人工踝關節植體結構分析及測試

【內文精選】

人工踝關節簡介

隨著全球主要國家包括台灣都邁入老年社會，足踝的退化性疾患大幅增長，帶來的活動能力障礙若無法妥善治療，將造成龐大的健康與社會問題。足踝外科領域對於新技術新產品的需求勢必也會擴大成長。經過三十多年的發展，新一代全人工踝關節(Total Ankle Arthroplasty)的成績已獲得顯著地進步。然而整體的成績卻仍比不上人工膝關節或髖關節，甚至有部分的病人在短時間內就發生關節破壞或鬆脫的問題。此結果暗示著人工踝關節本身的材質與設計似乎不是影響它耐用度最大的問題；更大的可能性是，對某些病人而言，他的人工踝關節並沒有被適當地裝置好。與膝關節及髖關節比較起來，由於踝關節的活動受到骨骼與韌帶構造的束縛大得多，造成它對誤差的容忍度相對而言非常地小。

現有的人工踝關節產品採用與人工膝關節相同的邏輯，僅以骨骼解剖構造的排列(Alignment)為參考基準來設計手術方法與器械。這種「由上而下」的觀念目標在重建正確的肢體排列與下肢負重軸線(Mechanical Axis)（圖一），但卻忽視了個體間關節型態的變異性，如果重建後的人工關節面與個體的骨骼韌帶結構不夠協同一致，便會在關節活動的時候因為關節面不一致(Incongruity)，造成額外的應力(Stress)、磨損(Wear)與鬆脫(Loosening)。

「由下而上」人工踝關節重建手術規劃

目前這些足踝重建手術的正確相對位置主要是依賴主刀醫師根據肢體外觀與術中X光影像來調整。術中X光的使用因不易提供即時的回饋，而且只有2D的影像，只能用來檢視每次調整的位置是否正確，正面與側面兩個視角的影像都需要查看，不滿意時需反覆調整，耗時費力又不易做到真正準確。

電腦斷層掃描(Computed Tomography Scan; CT Scan)是利用X光對於待測物進行各種不同角度的投影，我們便可以利用這些不同角度的投影資料堆疊重建出待測物體的三維外觀圖及剖面圖（圖二）。於骨科應用時，亦可將二維醫學影像透過進階的醫學影像處理技術，而將不同之骨骼或組織構造進行分區重組為三維醫學影像，以利於臨床醫師針對病灶及手術位置的判斷並進行後續之處置。於全人工踝關節置換術中，可藉由三維醫學影像重建技術及影像處理技術並結合手術軟體規劃，提供下肢負重軸線、活動軸(Motion Axis)、其他參考標的來協助導引手術的進行，此亦是有助於足踝重建手術再進化所需的技術。

圖二、透過醫療影像軟體將二維醫學影像重組為三維醫學影像

人工踝關節植體設計

由於目前市面上的人工踝關節植體並不能充分發揮低關節運動應力的觀念，並且皆存在著各種明顯的缺點。因此工研院生醫所、國立臺灣科技大學應用科技研究所及臺大醫院共同開發透過三維醫學影像輔助設計的新植體，其改善了目前市售產品無法匹配之問題並重建正常的生理功能。三維醫學影像可提供組織解剖構造及關節面之幾何資訊，可用於協助改良植體骨介面的固定與關節面幾何設計，使人工踝關節植體更加符合踝關節的解剖構造與生理活動，並加入容錯設計來減少手術誤差的影響。

於三維影像中可觀察到正常踝關節的活動不全是個完美的樞紐關節(Hinge Joint)，因此它的關節轉動軸線會隨著姿勢的改變及關節活動角度而變化，故關節的軸線為一平均軸線的區域變化（圖四(a)）。結合透過三維醫學影像開發人工踝關節手術流程的創新設計，能夠準確地定義出踝關節的活動軸（圖四(b)），以作為手術時的參考基準。