骨科手术导航机器人的研究综述

​机器人辅助骨科手术

手术的精准性、微创性和智能安全性是骨外科医师的追求目标。随着计算机辅助手术(CAS)、计算机辅助微创手术(CAMIS)、计算机辅助导航骨科手术(CAOS)的发展，以及这些技术与多学科的紧密结合，骨科机器人导航手术成为未来骨科的主要发展方向之一。骨科手术机器人涉及自动化、人工智能、电子信息、医学图像处理等技术，将骨科手术学与计算机软件、工程机械等紧密整合，延伸骨科医师的视觉、触觉范围，提高手术操作的精确性、安全性和可重复性，辅助医师完成一些既往不可能完成的高风险复杂手术，减少手术创伤，降低医师和患者的X线透视辐射损伤。X线、CT、MRI、超声等医学影像技术的进步和微创外科手术的发展，提高了骨科疾病的诊断和治疗水平。近三十年来，骨科手术机器人在关节外科、脊柱外科、创伤骨科、运动医学、骨肿瘤等领域逐步应用，以其为代表的骨科精准治疗技术正改变着传统诊疗模式，其战略地位日益受到世界各国重视。

骨科手术机器人系统是推动精准骨科手术发展的核心智能化装备，是骨科手术发展的趋势。手术导航技术是机器人辅助骨科手术系统的核心技术,系统借助于机器人技术和计算机图像处理技术、手术导航技术来完成手术操作，该系统利用患者术前的CT影像进行三维重建、分割等操作完成术前计划，在手术操作过程中，医生利用术前计划通过光学定位装置操纵机械臂实现对骨骼的定位，机械臂结合配套的手术工具完成操作，为精准操作提供保障，同时术中还能进行手术计划的微调，突破传统的手术工具的限制，实现患者的个性化设计。

机器人辅助骨科手术是典型的医工结合技术,能够保护医生和患者,减少X射线的伤害,同时能够提高手术定位精度,减少手术创伤,缩短手术时间。手术导航技术是机器人辅助骨科手术系统的核心技术,实现了跟踪和定位两大关键技术。跟踪即术中在导航界面上实时显示手术工具投影和病人患骨的透视图像,给医生实时提供手术工具与患骨的相对位置和姿态关系。定位即实现手术工具和机器人到达所规划的位置。

第一设计了导航系统中的关键部件——校准靶;对透视图像中圆形或类圆形目标的识别方法进行了研究,最后选择阈值分割与连通量处理相结合的算法,借助ITK和VTK实现了图像的可变阈值分割,省去了阈值求解过程,实现了快速分割,并最终提取了目标参数。

第二,完成对图像变形校正，对C形臂X光图像的变形及其成因进行了研究;在分析了全局法与局部法的优缺点的基础上,针对图像中控制点较少的情况提出一种移动最小二乘法(Moving Least Square,MLS)与多项式拟合相结合的图像校正方法。通过此方法保证了在控制点较少情况下的校正精度。

第三,完成相机标定，对已有校准方法进行了分析研究,并比较了各个方法的优缺点。针对相机校准中存在的过渡环节多及变换参数求解复杂等问题,本文提出了一种线性标定融合误差补偿的相机标定实现方法,该方法忽略相机模型,减少了中间过渡环节,参数求解变得简单,提高了效率。

第四,实现对机器人辅助导航系统的全空间坐标转换技术及机器人硬件系统的数据传输，研究了图像中规划的工具投影变换到患骨坐标系下的方法,并基于光学定位系统建立了患骨坐标系与机器人基坐标系之间的映射关系,从而建立图像坐标系到机器人坐标系的变换。在没有工作站与机器人通讯软件包的情况下,以PLC作转接,成功实现了工作站到KUKA的数据传输,为机器人辅助导引奠定了基础。

最后,自主开发了导航软件系统,搭建了机器人辅助骨科手术导航系统实验研究平台,完成导航定位位置实验、导航定位姿态实验和机器人辅助导引实验。根据实验数据对误差进行了分析,同时为减小误差提出了相应的措施。

背景技术的缺陷

1. 术中将影像与患者实际骨组织进行实际空间位置配准注册的过程操作难度系数大

2. 机械臂配套的工具不能满足临床上的无菌要求

3. 系统设计无法满足手术计划的微调，无法突破传统的手术工具带来的限制

4. 常规使用扫描仪去处理骨骼数据，常出现数据误差的情况

5. 不能对机械臂及手术器械进行位置校准，存在机械臂及手术器械位置误差的情况

6. 假体植入后肢体重建的结果完全由操作者主观行为，无法保证其真实性及标准化