機器人輔助膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計與術(shù)后評價算法研究.pdf

1、隨著以計算機和機器人為代表的信息技術(shù)的不斷發(fā)展,外科手術(shù)已進入由生物學(xué)、信息學(xué)、物理學(xué)相互融合的生物智能時代,微創(chuàng)和計算機輔助成為外科手術(shù)發(fā)展的必然趨勢。近幾十年來,世界上出現(xiàn)了不少實用的計算機輔助外科手術(shù)系統(tǒng)(ComputerAssisted Surgery,CAS)。骨科是目前外科領(lǐng)域中應(yīng)用新技術(shù)、新器械較多的學(xué)科之一,計算機輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)(Compmer Assisted Orthopaedic Surgery,CAOS)是過去

2、十年CAS中發(fā)展最活躍的一個分支。
　　 每年成千上萬患有膝關(guān)節(jié)疾病的病人接受全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)(TKR,Total KneeReplacement),期望在一定程度上恢復(fù)行動,減少痛苦。目前,手術(shù)中假體位置主要由臨床經(jīng)驗和專用模板保證,是誤差的主要來源。針對基于傳統(tǒng)機械導(dǎo)航模板的人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)的諸多缺陷,計算機或機器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)應(yīng)運而生。相比人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù),采用計算機與機器人進行輔助手術(shù),可以使手術(shù)具有更好的操作精

3、度,提高了膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的質(zhì)量與成功率。
　　 在現(xiàn)有機器人輔助膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,本文構(gòu)建了一套基于視覺導(dǎo)航的手眼式機器人輔助全膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)-WATO-Ⅱ。WATO-Ⅱ?qū)⒓t外立體攝像機與刀具固定在機器人末端執(zhí)行器上,構(gòu)成手眼式機器人結(jié)構(gòu)。在手術(shù)中,WATO-Ⅱ根據(jù)紅外探針獲取的膝關(guān)節(jié)上生理標(biāo)志點的位置確定出病體切割平面的準(zhǔn)確位置及精確的下肢對線,進而引導(dǎo)機器人完成整個手術(shù)過程。大量石膏骨實驗和人體尸骨實驗表明,WATO-

4、Ⅱ具有很高的手術(shù)精度,為該系統(tǒng)進入臨床應(yīng)用打好了良好基礎(chǔ)。
　　 在計算機輔助膝關(guān)節(jié)手術(shù)系統(tǒng)中,除了手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計外,另一個重要的內(nèi)容是術(shù)后評價算法的研究。膝關(guān)節(jié)術(shù)后評價包括定量評價膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)軟組織的對稱平衡性,以及定量評價患者術(shù)后的膝關(guān)節(jié)運動模式。目前這類評價主要依靠醫(yī)生的經(jīng)驗,主觀性較強,評價結(jié)果缺乏精確性。為了獲得合理和準(zhǔn)確的術(shù)后評價結(jié)果,同時考慮到軟組織是典型的三維變形體結(jié)構(gòu),膝關(guān)節(jié)是典型的三維連接剛體結(jié)構(gòu),我們提出了一

5、系列基于計算機視覺的變形體和連結(jié)剛體三維運動分析方法,為膝關(guān)節(jié)術(shù)后定量評價提供了新的途徑。
　　 本文的主要研究成果集中在以下幾個方面:
　　 1)設(shè)計并實現(xiàn)了符合臨床手術(shù)要求的WATO-Ⅱ?qū)嶒炏到y(tǒng)。在系統(tǒng)架構(gòu)方面,我們設(shè)計了WATO-Ⅱ的系統(tǒng)組成、探針和標(biāo)志牌結(jié)構(gòu)、刀具結(jié)構(gòu)等。在系統(tǒng)核心算法方面,我們設(shè)計了系統(tǒng)標(biāo)定模塊、工具標(biāo)定模塊、手術(shù)規(guī)劃和導(dǎo)航模塊；提出了系統(tǒng)攝像機、立體對、機器人手眼一體化標(biāo)定算法；紅外探針標(biāo)定算

6、法；刀具標(biāo)定算法；基于生理標(biāo)志點的股骨、脛骨定位與截骨面計算算法等。WATO-Ⅱ利用膝關(guān)節(jié)的生理特點,使用立體視覺導(dǎo)航系統(tǒng),可以進行高精度的股骨定位、脛骨定位及手術(shù)切割,使其在臨床手術(shù)中的應(yīng)用前景更加明朗；
　　 2)為驗證WATO-Ⅱ系統(tǒng)的整體工作性能和手術(shù)精度,我們對其進行了大量實驗測試,主要包括石膏骨實驗和人體尸骨實驗。為檢驗手術(shù)效果,我們設(shè)計開發(fā)了股骨遠端外形測試部件用于對截骨面進行定性測量,同時我們設(shè)計了使用三維數(shù)字化

7、儀的股骨力線測量算法用于對截骨面進行定量測量。大量實驗結(jié)果表明,WATO-Ⅱ具有很高的手術(shù)精度,這為該系統(tǒng)進入臨床打好了基礎(chǔ),積累了數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。
　　 3)在使用WATO-Ⅱ系統(tǒng)完成膝關(guān)節(jié)置換后,需要對手術(shù)效果進行定量評價。膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)軟組織的對稱性平衡性對手術(shù)效果具有重要影響,這些軟組織都是典型的可變形結(jié)構(gòu),而基于計算機視覺的變形體建模方法由于其所具有的非接觸性和準(zhǔn)確性,是對術(shù)后軟組織形變進行分析的有效方法。本文在變形體的三維

8、運動分析方面提出了基于L∞范數(shù)和二階錐規(guī)劃的雙目變形體運動分析方法、基于L∞范數(shù)和線性規(guī)劃的單目變形體運動分析方法,以及基于L2范數(shù)的單目變形體運動分析方法。
　　 3)除了膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)軟組織的對稱性平衡性外,全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)效果優(yōu)劣的另一個重要評價標(biāo)準(zhǔn)是判斷術(shù)后患者的行走模式是否恢復(fù)到了正常狀態(tài)。膝關(guān)節(jié)由股骨和脛骨通過關(guān)節(jié)點連結(jié)在一起,可以用典型的連結(jié)剛體模型對其進行建模。事實上,無論是人體的各個關(guān)節(jié)還是人體的整個骨骼結(jié)構(gòu),連結(jié)