行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
電腦輔助口腔顎面手術(I)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC92-2314-B-006-083-
執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 10 月 31 日 執行單位： 國立成功大學醫學系牙科
計畫主持人： 王東堯 共同主持人： 方晶晶
計畫參與人員： 郭泰宏、游朝凱、顏毓宏、吳東錦
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢
中 華 民 國 93 年 12 月 31 日
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 ■ 成 果 報 告
□期中進度報告
電腦輔助口腔顎面手術(I)
計畫類別：■個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：NSC 92－2314－B－006－083－
執行期間： 92 年 8 月 1 日至 92 年 10 月 31 日
計畫主持人：王東堯 講師(資深)
共同主持人：方晶晶副教授
計畫參與人員： 郭泰宏、游朝凱、顏毓宏、吳東錦
成果報告類型（依經費核定清單規定繳交） ：■精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
■涉及專利或其他智慧財產權，□一年■二年後可公開查詢
執行單位：國立成功大學機械工程學系(所)
國立成功大學醫學系牙科
中 華 民 國 93 年 10 月 1 日
一、中、英文摘要及關鍵詞（keywords）
在顱顏面的診斷中，常需運用對襯性作為診斷、手術計畫的參考，但常因在 CT 掃描 時病患頭部歪斜，使得切層的影像對稱性不佳，導致難以診斷的情形，在本研究中以定義 三維的理想的水平面及矢狀面，依此重新切層得到校正後的 CT 影像。研究的第二部分是 合併電腦輔助手術軟體及立體石板術製作定位裝置，將齒列石膏模型價上快速成型之顎骨 模型，完成齒列之登入（registration），並進行臨床應用。
關鍵字：電腦斷層、顏面不對稱、立體石板術 Abstract
CT radiography is usually taken without accurate positioning. A program is developed to correct asymmetry of head during scanning in the computer, according to the definition of the sagittal plane and the horizontal plane. The second part of the study is to develop a method to register the plaster dental model to the sterolithographic model of skull. The method involved only image-processing tool and stereolithographic technology. The result suggested that the resectioning CT program was very useful in clinical practice.
Keywords: CT; facial asymmetry; stereolithography
二、前言
近年來醫療影像如電腦斷層掃瞄（CT scanning）、磁振攝影（MRI）等醫療影像，大量 應用於診斷、手術計畫等方面。然而這些影像常是一系列的二維影像，常出現的問題如由 二維的影像想像出空間中的位置、或某些特定部位的影像模糊等、可運用電腦將這些影像 強化或進行三維的重建，因此電腦在這方面的應用是十分重要的。
在顱顏部的醫療影像特別重視影像上的對稱性，然而由於病患掃進行瞄時頭部無法固 定位置，常使得影像偏斜導致許多特徵的對稱判定不易，本研究針對此一問題，在視窗環 境下利用三維電腦圖學的方法，開發一套校正歪斜影像的方法及介面，使校正過的影像容 易診斷。目前的 CT 攝影形象的準確度可以製作骨骼模型，但與以牙科印模的方法得出的 石膏齒模仍有很大的差距，在很多口腔手術上，仍然依賴石膏模型及紙上手術，如能將石 膏模型與顎骨模型合併，在疾病觀測及手術模擬上應有很大的應用價值，文獻報告有使用 光學定位裝置，但技術十分複雜且昂貴。
三、研究目的
口腔顎面外科所面對的病例主要如口腔腫瘤切除、齒顎校正手術、齒顎顏面重建等，
由於患部位於人體重要的顱部，因此在美觀及功能方面的要求相對高於其他手術，也因此 常需與整形外科、耳鼻喉科等相關科合作。一般而言治療的程序如下，醫師首先運用醫學 影像資訊，綜合推斷病變的特性、位置及範圍，接著決定是否該予以治療，以及何時治療、
取何種治療方式等。若決定採用手術方式，則編訂詳細的手術計劃，其內容包括採用的手 術進路、器械、植入物、及在術中如何評估是否達到目標等，最後依據手術計劃準確轉譯 執行至在手術檯上的病人。在上述串連過程中，常遇到的困難主要有，醫學影像的問題，
如影像扭曲、目標組織不明顯等；在手術規劃上，須依靠術者個人經驗，憑空想像模擬術 中可能遭遇情況，這種作法有相當的困難度，且難以準確的呈現預測的手術結果。而在與 病人及其他醫師溝通說明時，缺乏具體的溝通方式，這些問題足以影響手術的品質，增加 風險及困難度，或與病人或其他合作醫師的預期目標出現落差。另一方面，將手術計劃轉 譯至手術檯上的誤差也決定手術的成敗、醫師的手工精巧度、個人經驗與期望,甚至其性格 主導整個轉譯的過程，除了少數手術有一些夠準確的座標可供參考外，術者在一個小術野
中工作，經常會失去空間方位感，以致於降低手術的精準度，在重要的構造附近，些微失 誤常意味著致命的危險。
電腦常應用於強化電腦斷層掃瞄（CT scanning）、磁振攝影（MRI） 、超音波掃瞄
（sonography）、SPECT PET 等醫療影像，達到凸顯特定組織或結構的顯像，這方面的應用 大大的增強醫師在內部病灶的視覺能力。多層（multiplanar） CT 掃瞄影像的缺點是觀者 必須將多層影像在腦中重疊以建構成他所熟悉的立體視覺效果，這問題後來在 rendering 的技術進步後由 3D 重建技術上得以克服。在臉部重建病例中特別著重對稱性，但一般 CT 掃瞄的頭部定位並未標準化，若掃描者頭部位置偏斜，則會造成掃瞄影像的不對稱，使得 病例在術前評估及訂定手術計劃時的困難。
在牽涉齒列咬合重建的病例時，由於牙齒的 CT 影像精度仍嫌不足，不能應用在只容 許 20μm 誤差的上下齒列對咬合關係上，傳統的作法是使用齒列石膏模型，轉移到下顎骨 模型上，但其準確度有待商榷。如能將上下齒列石膏模型準確的移轉至顎骨模型，除了供 模擬齒顎手術外，還可以利用齒列上之咬合作為 index 製造咬合板（occlusal splint）， 作為立體定位方式及裝置，運用於導引手術系統上。
本研究主要分為二部分：
（一）CT 影像傾斜校正分析及其臨床應用研究：
本部份研究的目的是測試本研究群自行開發之軟體，以臨床的實用性觀點使用盧顏面的座 標系統，以校正由於掃瞄時頭部位置偏斜造成之 CT 影像的不對稱,幫助醫師及研究人員更 精確的觀測及分析全臉部或臉部某一單元的對稱性。
（二）牙齒石膏模型移轉至顎骨快速成形模型的準度設計及手術定位裝置製作研究：
本部份研究的目的是要開發一方法,能將個人之牙齒石膏模型（dental plaster model）以正確 之齒顎關係位置架設於個人頭骨立體模型（stereolithographic model）上，並在此基礎上, 試做簡單之手術定位裝置。
四、文獻探討
術前模擬手術（simulation surgery）方面，一些醫療軟體公司（eg. Mimic, Materialize Co., Belgium）及相關研究機構[1-4]、努力在開發電腦模擬手術方法以及電腦輔助手術軟體，
醫師可以在螢光幕前相當精準的重覆操作手術，預視術後結果，並能利用之與相關人員充 份溝通，如此的虛擬手術，最大的缺點是缺乏真實感，沒有實體及操作感。
CT 影像在齒列咬合重建的病例中精度不足，尤其是牽涉齒列之三度空間旋轉時，許 多模擬方式都不夠精準[1]。較準確的模擬方式是使用精密印模所得之齒列石膏模型，直 接移轉至快速成形（rapid prototyping）之頭骨模型上進行[2]，但使用傳統之面弓方式移 轉（facebow transfer）齒顎關係至快速成形模型之顎骨模型上，它的準確度及可重覆性都 令人懷疑，Terai 使用測顱 X 光分析法研究，此法的誤差為 2mm 至 4.2mm[3]，文獻上目 前並無其他較精準的移轉齒顎關係的方法可供使用。
如能將上下齒列石膏模型準確的移轉至顎骨模型（齒顎登錄,tooth-to-jaw
registration），除了供模擬齒顎手術外，醫師可以利用齒列上之咬合作為 index 製造咬合板
（occlusal splint），據以模擬頭骨模型上某結構手術後的位置，或在模型上製作的植入物 的植入位置，移轉回臨床的病人上，作為立體定位方式及裝置。由於齒列外露特徵及幾乎 固定於骨骼上的性質，上齒列常被利用作為顱顏或顎骨登錄時的構造，一些已開發或正開 發中應用於此區域之導引手術系統，均採取此一登錄方式，不同的是大多導引系統是以光 學式或電磁式追蹤器具或某骨骼結構物，在電腦螢幕上呈現物件在空間的即時（real-time）
位置及手術計畫之虛擬位置。
在顎骨骨折時上下齒列咬合復位，或正顎手術時所使用的咬合板，都是導引骨骼到位 的指示器，不過使用咬合板或咬合概念只能正確建立上下顎間關係，如果上顎不固定，仍 須以其它方法定位，Kwon 研究 21 例 LeFort I osteotomy 病例，術前模擬與術後誤差 從–7.7mm 至 6.6mm 之間，45%病例誤差大於 2mm[5]，在顏面骨軟組織手術上亦無法使 用咬合關係導引，是以發展特定區域使用之導引手術軟體及裝置有其需要性。然而，在很 多重建的病例中，術者並不一定需要瞬間追蹤，最重要的是重建部份的最後位置之準確定 位，最理想者為三度空間的追蹤定位裝置，能暫時固持（holding）重建部份的結構，以 待其固定於鄰近的骨骼，目前已開發的導引系統，均缺乏後者的功能（LUCAS/SSN system, University of Rogensburg, Germany; Surgical Tool Navigation system,
Stryker-Leibinger, Freiburg, Germany; Institute of Reconstructive Plastic Surgery, New York University, USA）[6-7]，致使定位工作緩慢及誤差的產生，Bettega 認為出現的誤差大多來自於手術操作上，而不是來自導引系統[8]。
五、研究方法
本研究分成兩個部份。第一部分為〝CT 影像傾斜校正分析及其臨床應用研究〞,第二 部分為〝牙齒石膏模型移轉至顎骨快速成形模型的準度設計,及手術定位裝置製作研究〞, 茲分述如下。
一、CT 影像傾斜校正分析及其臨床應用研究
由於病患在做 CT 掃瞄時頭部歪斜，使影像偏斜觀視不易（如圖一、(a)），一般而 言我們所預期的矢狀面應置於影像中線，會有較佳的觀視效果，本計畫所以決定重切割 後的水平面與矢狀面，以及線性內插的方式計算出新的切層。因此我們需要在空間中決 定標記點，以達到建立水平面或矢狀面的功能，但在一般醫療軟體中，僅提供了在各層 的 CT 影像上建立標記點的功能，對於在三維觀視下選取特徵點以及欲選取的標記點在 取層與層間時，並沒有提供這部分的功能；因此我們的軟體中除了在 CT 影像上選點的 功能外，也提供了在重建出的三維模型上選點達到可標記三維特徵點的功能、以及在一 個可任意旋轉、移動的平面達到在空間中達到選取空間中任一點的功能。建立標記點後 以三點決定一平面的方式建立校正後的矢狀面及水平面，由於矢狀面與水平面相垂直，
因此我們僅需決定水平面以及矢狀面上的兩點（如圖二、(a)），便能夠定義出座標的基 本方向（如圖二、(b)），在一般情況下病患掃瞄時的位置與校正後之方為大致相同，因 此假設校正前後的三軸單位向量內積後為正值，便可得到校正後的座標軸方向（如圖 二、(c)，其中虛線部分為原座標軸正值方向），最後便能夠依據校正後的方向內插出新 的影像。
（c）
（b）
（a）
圖二、重切層方向決定示意圖 圖一、矢狀面偏斜之影像
二、牙齒石膏模型移轉至顎骨快速成形模型的準度設計及手術定位裝置製作研究 因為 dry skull 上的牙齒會脫位，所以不能使用 dry skull 研究，利用有需要應用快速 成行技術製作 3D 模型的病人，選取沒有金屬填充物，矯正器或顎骨有金屬固定板之病 人，以 1.5mm 厚度切層攝取 CT 影像，之前先以牙科一般印模材印模，以石膏灌注取得 齒列模型，在其上以樹脂製作具有上下咬痕作為 index 的咬合板，病人穿戴咬合板接受 CT 攝影，範圍涵蓋上下顎骨，在 VR 研究室使用電腦輔助手術軟體進行影像處理，將 ROI（region of interest）選出處理後轉檔輸出以立體石板術（stereo lithography）成型。
ROI 有三：（1）上下齒列及齒槽骨；（2）咬合板，以閥值化取得；（3）下顎骨包括齒列；
（4）咬合板之外輪廓，以閥值化取，再以手動繪製咬合板之負面模型（negative model）。
六、結果與討論（含結論與建議）
一、CT 影像傾斜校正分析及其臨床應用研究
本研究中實作出在 CT 影像上建立標記點的功能以及兩種在三維觀視下建立標記點的 功能（如圖三(a)、(b)）、重切割 CT 影像的介面（如圖四），及重切層後的結果（如 圖五），可成功地將解剖學上的矢狀面校正至影像中線，得到一個較佳的影像狀況。
圖三、建立標記點功能 （b）
（a）在三維模型上(b)在任意旋轉平移的平面上
（a）
圖四、重切割介面
圖五、重切割後之影像
二、牙齒石膏模型移轉至顎骨快速成形模型的準度設計及手術定位裝置製作研究 以石膏模型製作之咬合板對應快速成行模型之齒列，或以快速成型製作之咬合板 對應石膏模型之齒列，即使經過修整均仍未獲得足夠之吻合度，原因可能有二，一是 成型中物體變形，二是齒列細節在 CT 攝影中及影像處理過程中被均一化。以快速成 型製作之咬合板負模與石膏模型製作之咬合板對應，稍做整修後獲得較佳的吻合度。
以影像處工具，繪製咬合板負模與顎骨連接之橋樑與顎骨一齊輸出成型，再以石膏磨
型製作之咬合板做為媒介，將牙齒列石膏模型架上（mounting）在快速成型之顎骨模 型上，完成齒列在顎骨上的登入（registration）。
這個 registration 方法的優點是操作較簡單，不需經由其他定為系統及標記，可以與原 本之快速成型模型一起製作，不需增加製作經費；缺點是（1）誤差，來自快速成型 製作過程及 CT 攝影的誤差，及二次人工配對的誤差，尤以咬合板與其快速成型的負 模對應誤差變化最大；（2）部分工作為人手操作；（3）需使用較精密的立體石板術製 作模型。另外，仍須發展一套方式以方便驗證 registration 的準確度。
臨床應用上，在正顎手術的病例，接合牙齒石膏模型與顎骨模型，可以方便及更精準 觀測，直接在模型上進行 model surgery 及手術模擬，及製作手術模版；尤其在顏面不 對稱的病例，一般 2D 影像未充分表現原來的 3D 畸形，亦無法預測顎骨移動後的對稱 性改變，使用此法可以輔助擬定手術計畫及預測手術結果。
七、計劃成果自評
不論在 CT 影像傾斜校正分析方面與牙齒石膏模型移轉至顎骨快速成形模型方 面，均依計劃預期進度順利執行。
八、參考文獻
1. Troulis MJ, Everett P, Seldin EB, Kikinis R, Kaban LB. Development of a three-dimensional treatment planning system based on computered tomographic data.
Internat J Oral Maxillofac Surg 31:349-57, 2002.
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4. Bettega G, Payan Y, Mollard B, Raphael B, Lavallee S. A simulator for maxillofacial surgery integrating 3D cephalometry and orthodontia. Computer Aided Surg 5:156-65, 2000.
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6. Cutting C, Grayson B, McCarthy JG, Thjorne C, Khorramabadi D, Haddad B, Taylor R.A virtual reality system for bone fragment positioning in multisegment Craniofacial surgical procedures. Plast Reconst Surg 1998; 102:2436-43.
7. Gellrich NC, Schramn A, Hammer B Rojas S, Cufi D, Lagreze W, Schmelzeisen R.Computer-assisted secondary reconstruction of unilateral posttraumatic orbital deformity. Plast Reconst Surg 2002; 110:1417-29.
8. Bettega G, Cinquin P, Lebeau J, Raphael B. Computer-assisted orthognathic surgery:
clinical evaluation of a mandibular condyle repositioning system. J Oral Maxillfac Surg 2002;60:27-34.
可 供 推 廣 之 研 發 成 果 資 料 表
□ 可申請專利 □ 可技術移轉 日期：93年12月30日
國科會補助計畫
計畫名稱：電腦輔助口腔顎面手術(I) 計畫主持人： 王東堯 講師(資深)
計畫編號：NSC 92－2314－B－006－083 學門領域：生物 技術/創作名稱
發明人/創作人
中文：
在顱顏面的診斷中，常需運用對襯性作為診斷、手術計畫的參考，
但常因在 CT 掃描時病患頭部歪斜，使得切層的影像對稱性不佳，
導致難以診斷的情形，在本研究中以定義三維的理想的水平面及矢 狀面，依此重新切層得到校正後的 CT 影像。研究的第二部分是合 併電腦輔助手術軟體及立體石板術製作定位裝置，將齒列石膏模型 價上快速成型之顎骨模型，完成齒列之登入（registration），並 進行臨床應用。
技術說明
英文：
CT radiography is usually taken without accurate positioning. A program is developed to correct asymmetry of head during scanning in the computer, according to the definition of the sagittal plane and the horizontal plane. The second part of the study is to develop a method to register the plaster dental model to the sterolithographic model of skull.
The method involved only image-processing tool and stereolithographic technology. The result suggested that the resectioning CT program was very useful in clinical practice.
Keywords: CT; facial asymmetry; stereolithography
可利用之產業 及 可開發之產品
技術特點
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