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)上生理標志點的位置確定出病體切割平面的準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)標定模塊、工具標定模塊、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定算法；紅外探針標定算

6、法；刀具標定算法；基于生理標志點的股骨、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準是判斷術(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)