機器人輔助膝關節(jié)手術系統(tǒng)設計與術后評價算法研究.pdf

1、隨著以計算機和機器人為代表的信息技術的不斷發(fā)展,外科手術已進入由生物學、信息學、物理學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系統(tǒng)(ComputerAssisted Surgery,CAS)。骨科是目前外科領域中應用新技術、新器械較多的學科之一,計算機輔助骨科手術系統(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節(jié)疾病的病人接受全膝關節(jié)置換手術(TKR,Total KneeReplacement),期望在一定程度上恢復行動,減少痛苦。目前,手術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,可以使手術具有更好的操作精

3、度,提高了膝關節(jié)置換手術的質量與成功率。
　　 在現(xiàn)有機器人輔助膝關節(jié)手術系統(tǒng)的基礎上,本文構建了一套基于視覺導航的手眼式機器人輔助全膝關節(jié)手術系統(tǒng)-WATO-Ⅱ。WATO-Ⅱ將紅外立體攝像機與刀具固定在機器人末端執(zhí)行器上,構成手眼式機器人結構。在手術中,WATO-Ⅱ根據(jù)紅外探針獲取的膝關節(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,進而引導機器人完成整個手術過程。大量石膏骨實驗和人體尸骨實驗表明,WATO-

4、Ⅱ具有很高的手術精度,為該系統(tǒng)進入臨床應用打好了良好基礎。
　　 在計算機輔助膝關節(jié)手術系統(tǒng)中,除了手術系統(tǒng)設計外,另一個重要的內容是術后評價算法的研究。膝關節(jié)術后評價包括定量評價膝關節(jié)內外側軟組織的對稱平衡性,以及定量評價患者術后的膝關節(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,評價結果缺乏精確性。為了獲得合理和準確的術后評價結果,同時考慮到軟組織是典型的三維變形體結構,膝關節(jié)是典型的三維連接剛體結構,我們提出了一

5、系列基于計算機視覺的變形體和連結剛體三維運動分析方法,為膝關節(jié)術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)設計并實現(xiàn)了符合臨床手術要求的WATO-Ⅱ實驗系統(tǒng)。在系統(tǒng)架構方面,我們設計了WATO-Ⅱ的系統(tǒng)組成、探針和標志牌結構、刀具結構等。在系統(tǒng)核心算法方面,我們設計了系統(tǒng)標定模塊、工具標定模塊、手術規(guī)劃和導航模塊；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利用膝關節(jié)的生理特點,使用立體視覺導航系統(tǒng),可以進行高精度的股骨定位、脛骨定位及手術切割,使其在臨床手術中的應用前景更加明朗；
　　 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。為檢驗手術效果,我們設計開發(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。大量實驗結果表明,WATO-Ⅱ具有很高的手術精度,這為該系統(tǒng)進入臨床打好了基礎,積累了數(shù)據(jù)與經(jīng)驗。
　　 3)在使用WATO-Ⅱ系統(tǒng)完成膝關節(jié)置換后,需要對手術效果進行定量評價。膝關節(jié)內外側軟組織的對稱性平衡性對手術效果具有重要影響,這些軟組織都是典型的可變形結構,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)除了膝關節(jié)內外側軟組織的對稱性平衡性外,全膝關節(jié)置換術效果優(yōu)劣的另一個重要評價標準是判斷術后患者的行走模式是否恢復到了正常狀態(tài)。膝關節(jié)由股骨和脛骨通過關節(jié)點連結在一起,可以用典型的連結剛體模型對其進行建模。事實上,無論是人體的各個關節(jié)還是人體的整個骨骼結構,連結