手眼式膝關(guān)節(jié)手術(shù)輔助機(jī)器人研究及準(zhǔn)臨床實(shí)驗(yàn).pdf

1、隨著醫(yī)學(xué)理論的不斷進(jìn)步與發(fā)展，外科手術(shù)也正朝著更加精細(xì)和復(fù)雜的方向發(fā)展。近幾十年來(lái)高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)、機(jī)器人、電子信息以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?！皺C(jī)器人輔助外科手術(shù)”(RAS，RobotAidedSurgery).系統(tǒng)在現(xiàn)代臨床醫(yī)療中已經(jīng)被越來(lái)越多地采用。 每年成千上萬(wàn)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，TotalKneeReplacement)。期望在一定程度上恢復(fù)行動(dòng)，減少痛苦。目前，手術(shù)中

2、假體位置主要由臨床經(jīng)驗(yàn)和專用模板保證，是誤差主要來(lái)源。針對(duì)基于傳統(tǒng)機(jī)械導(dǎo)航模板的人工膝關(guān)節(jié)手術(shù)的諸多缺陷，計(jì)算機(jī)或機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。相比人工膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)，采用計(jì)算機(jī)與機(jī)器人進(jìn)行輔助手術(shù)，并使用專家系統(tǒng)進(jìn)行受力、運(yùn)動(dòng)的評(píng)估，獲取膝關(guān)節(jié)假體的最優(yōu)放置位置，可以使機(jī)器人輔助膝關(guān)節(jié)手術(shù)具有更好的操作精度，提高膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的質(zhì)量與成功率。 傳統(tǒng)機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)系統(tǒng)中存在的初始定位難，以及病人必須接受兩次手術(shù)

3、等諸多缺點(diǎn)一直是人們的研究熱點(diǎn)之一。本文基于機(jī)器人集成手術(shù)系統(tǒng)理念，針對(duì)傳統(tǒng)全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的缺點(diǎn)，提出了手眼式機(jī)器人輔助外科手術(shù)(HERAS，Hand-EyeRobotAidedSurgery)模型。此模型將攝像機(jī)與刀具固定在機(jī)器人末端執(zhí)行器上，利用相機(jī)標(biāo)定與手眼標(biāo)定技術(shù)，構(gòu)建動(dòng)態(tài)導(dǎo)航系統(tǒng)，能克服靜態(tài)手術(shù)導(dǎo)航中視角不能輕易改變的缺點(diǎn)；應(yīng)用于全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，根據(jù)紅外探針獲取的膝關(guān)節(jié)上生理標(biāo)志點(diǎn)的位置，能得到術(shù)中切割平面的準(zhǔn)確位置及精確的

4、下肢對(duì)線，提高手術(shù)精度。 本論文的工作包含四個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了符合臨床手術(shù)要求的基于HERAS模型的準(zhǔn)臨床手術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，二是HERAS中的在線手眼標(biāo)定問(wèn)題，三是HERAS中的多體運(yùn)動(dòng)分割問(wèn)題，最后是HERAS模型在膝關(guān)節(jié)手術(shù)各種實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用與分析。綜觀全文，本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性研究成果包括以下內(nèi)容： 1)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了符合臨床手術(shù)要求的基于HERAS模型的準(zhǔn)臨床手術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。此系統(tǒng)根據(jù)手術(shù)要求，利用膝關(guān)節(jié)的生理特點(diǎn)

5、，可進(jìn)行高精度的股骨定位、脛骨定位及手術(shù)切割，建立精確的下肢對(duì)線。滿足了手術(shù)安全、環(huán)境、消毒等臨床醫(yī)學(xué)要求，使HERAS模型在臨床手術(shù)中的應(yīng)用前景更加明朗； 2)針對(duì)在線手眼標(biāo)定中退化運(yùn)動(dòng)和噪音對(duì)標(biāo)定精度的影響，提出了根據(jù)運(yùn)動(dòng)序列自身特點(diǎn)，自適應(yīng)確定閾值的運(yùn)動(dòng)選擇算法，提高了在線手眼標(biāo)定算法的工程實(shí)用性，為手眼式機(jī)器人在手術(shù)實(shí)施過(guò)程中的安全可靠使用提供了重要保障。 3)手眼式機(jī)器人進(jìn)行輔助外科手術(shù)過(guò)程中，需要同時(shí)使用多個(gè)輔

6、助定位工具并進(jìn)行多目標(biāo)運(yùn)動(dòng)跟蹤。在當(dāng)前視覺(jué)伺服與跟蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了基于多體三焦點(diǎn)張量與直線光流的兩種多體運(yùn)動(dòng)分割算法。利用直線特征對(duì)應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，可解決使用點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)出現(xiàn)的特征遮擋問(wèn)題，豐富了計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中多體運(yùn)動(dòng)分割技術(shù)的理論和方法。 4)利用基于HERAS模型的機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-WATO，進(jìn)行了假骨模型試驗(yàn)、動(dòng)物尸骨試驗(yàn)、尸體骨實(shí)驗(yàn)以及準(zhǔn)臨床手術(shù)實(shí)驗(yàn)(尸體實(shí)驗(yàn))，進(jìn)行了詳細(xì)的精度分析，對(duì)各階段手術(shù)實(shí)驗(yàn)中遇