手眼式膝關節(jié)手術輔助機器人研究及準臨床實驗.pdf

1、隨著醫(yī)學理論的不斷進步與發(fā)展，外科手術也正朝著更加精細和復雜的方向發(fā)展。近幾十年來高速發(fā)展的計算機、機器人、電子信息以及網(wǎng)絡通信等技術已經(jīng)越來越多地應用于醫(yī)學領域。“機器人輔助外科手術”(RAS，RobotAidedSurgery).系統(tǒng)在現(xiàn)代臨床醫(yī)療中已經(jīng)被越來越多地采用。 每年成千上萬患有膝關節(jié)疾病的病人接受全膝關節(jié)置換手術(TKR，TotalKneeReplacement)。期望在一定程度上恢復行動，減少痛苦。目前，手術中

2、假體位置主要由臨床經(jīng)驗和專用模板保證，是誤差主要來源。針對基于傳統(tǒng)機械導航模板的人工膝關節(jié)手術的諸多缺陷，計算機或機器人輔助全膝關節(jié)置換手術應運而生。相比人工膝關節(jié)置換手術，采用計算機與機器人進行輔助手術，并使用專家系統(tǒng)進行受力、運動的評估，獲取膝關節(jié)假體的最優(yōu)放置位置，可以使機器人輔助膝關節(jié)手術具有更好的操作精度，提高膝關節(jié)置換手術的質量與成功率。 傳統(tǒng)機器人輔助全膝關節(jié)置換手術系統(tǒng)中存在的初始定位難，以及病人必須接受兩次手術

3、等諸多缺點一直是人們的研究熱點之一。本文基于機器人集成手術系統(tǒng)理念，針對傳統(tǒng)全膝關節(jié)置換手術的缺點，提出了手眼式機器人輔助外科手術(HERAS，Hand-EyeRobotAidedSurgery)模型。此模型將攝像機與刀具固定在機器人末端執(zhí)行器上，利用相機標定與手眼標定技術，構建動態(tài)導航系統(tǒng)，能克服靜態(tài)手術導航中視角不能輕易改變的缺點；應用于全膝關節(jié)置換術，根據(jù)紅外探針獲取的膝關節(jié)上生理標志點的位置，能得到術中切割平面的準確位置及精確的

4、下肢對線，提高手術精度。 本論文的工作包含四個方面：一是設計并實現(xiàn)了符合臨床手術要求的基于HERAS模型的準臨床手術實驗系統(tǒng)，二是HERAS中的在線手眼標定問題，三是HERAS中的多體運動分割問題，最后是HERAS模型在膝關節(jié)手術各種實驗中的具體應用與分析。綜觀全文，本論文的主要創(chuàng)新性研究成果包括以下內容： 1)設計并實現(xiàn)了符合臨床手術要求的基于HERAS模型的準臨床手術實驗系統(tǒng)。此系統(tǒng)根據(jù)手術要求，利用膝關節(jié)的生理特點

5、，可進行高精度的股骨定位、脛骨定位及手術切割，建立精確的下肢對線。滿足了手術安全、環(huán)境、消毒等臨床醫(yī)學要求，使HERAS模型在臨床手術中的應用前景更加明朗； 2)針對在線手眼標定中退化運動和噪音對標定精度的影響，提出了根據(jù)運動序列自身特點，自適應確定閾值的運動選擇算法，提高了在線手眼標定算法的工程實用性，為手眼式機器人在手術實施過程中的安全可靠使用提供了重要保障。 3)手眼式機器人進行輔助外科手術過程中，需要同時使用多個輔

6、助定位工具并進行多目標運動跟蹤。在當前視覺伺服與跟蹤技術的基礎上，提出了基于多體三焦點張量與直線光流的兩種多體運動分割算法。利用直線特征對應進行計算，可解決使用點對應時出現(xiàn)的特征遮擋問題，豐富了計算機視覺領域中多體運動分割技術的理論和方法。 4)利用基于HERAS模型的機器人輔助全膝關節(jié)置換術實驗系統(tǒng)-WATO，進行了假骨模型試驗、動物尸骨試驗、尸體骨實驗以及準臨床手術實驗(尸體實驗)，進行了詳細的精度分析，對各階段手術實驗中遇