1997年--外文翻譯--機(jī)器人輔助外科手術(shù)中的骨骼注冊(cè)法脊椎固定螺釘?shù)牟迦耄ㄗg文）

1、<p>　　中文6360字,5330單詞，28800英文字符</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯</p><p>　　學(xué)院（系）： 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 工業(yè)工程 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　外文出處： Imeche Journal of Engineering in Medicine, 1997.211(Part H):221-233. </p><p>　　附 件： 1.外文資料

3、翻譯譯文；2.外文原文。 </p><p>　　注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。</p><p>　　附件1：外文資料翻譯譯文</p><p>　　機(jī)器人輔助外科手術(shù)中的骨骼注冊(cè)法：</p><p><b>　　脊椎固定螺釘?shù)牟迦?lt;/b></p><p>　　摘要(Summary)：</p&g

4、t;<p>　　骨骼注冊(cè)法指的是在一個(gè)機(jī)械手臂的協(xié)助下識(shí)別骨骼的幾何形狀。這種方法適用于各種內(nèi)部矯形的固定，并且在脊柱體的關(guān)節(jié)中插入螺釘來固定脊椎。這種方法是基于其所獲得的關(guān)于脊柱體的圖像信息。計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)（CAES）使用CT掃描儀對(duì)脊椎和用來固定脊椎的印模來進(jìn)行掃描，將掃描出來的CT圖片進(jìn)行三維重構(gòu)。通過這種重構(gòu)，外科醫(yī)生能做出術(shù)前計(jì)劃，包括螺釘直徑的選擇、螺釘插入椎弓根的方向、進(jìn)入點(diǎn)的位置、嚙合的長度。外科手術(shù)醫(yī)

5、生也可以根據(jù)三維圖像來確定用來固定脊椎的印模的位置，通過一個(gè)和這個(gè)印模緊密相連的機(jī)械裝置來定位內(nèi)部的病灶點(diǎn)的位置，因而可以使操作臂的末端執(zhí)行器辨別整個(gè)脊柱體的相對(duì)坐標(biāo)，在理論上，假設(shè)脊柱與印模之間沒有發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，則使用一個(gè)五個(gè)自由度的操作臂是可行的。</p><p>　　關(guān)鍵詞(Key words)： 機(jī)器人輔助外科手術(shù) 矯形外科 脊椎固定螺釘 內(nèi)部定位 術(shù)前計(jì)劃 注冊(cè)</p><p>

6、　　引言(Introduction)</p><p>　　機(jī)器人對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了重要的影響，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)量，但是對(duì)醫(yī)療行業(yè)還沒有產(chǎn)生重大的影響。機(jī)器人在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用受到使用工具的限制，這正是現(xiàn)在需要開發(fā)的。與用于制造業(yè)的機(jī)器人不同的是，醫(yī)用機(jī)器人對(duì)視覺效果和操作臂的控制有更高的要求，同時(shí)還需要能夠提供詳細(xì)的術(shù)前模擬機(jī)會(huì)，這些方面都是外科醫(yī)生十分感興趣的話題。</p><p>　　本

7、文所提到的這種方法的目的在于開發(fā)出機(jī)器人注冊(cè)和控制系統(tǒng)，使得機(jī)械操作臂能輔助外科醫(yī)生安全地插入脊椎固定螺釘，對(duì)骨骼進(jìn)行定位。注冊(cè)指的是在操作臂的協(xié)助下完成對(duì)骨骼幾何形狀的識(shí)別。這項(xiàng)研究是由愛荷華州大學(xué)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中心和退伍軍人醫(yī)療管理中心委員會(huì)合作完成。</p><p>　　在脊柱外科手術(shù)中，一些脊柱儀器常用來矯正變形和固定受傷的脊椎，這樣可以提高愈合的速度和質(zhì)量，常用到的脊柱儀器有掛鉤、金屬絲

8、、螺釘?shù)?，其中脊椎固定螺釘是短弦定位的最佳選擇。脊椎固定螺釘?shù)木_插入是手術(shù)成功的關(guān)鍵因素，插入時(shí)可以按照解剖標(biāo)志插入，或使用熒光透視法插入，不過這樣會(huì)使病人和手術(shù)小組人員都受到嚴(yán)重的輻射，還可以通過過渡解剖椎弓根來增大插入的空間，或者綜合上述方法來插入。因此，理論上的理想位置要精確地實(shí)現(xiàn)是很難的事，因?yàn)槟軌蛴脕聿迦肼葆數(shù)目臻g十分有限，而且在這周圍有大量的血管組織和神經(jīng)末梢。</p><p>　　隨著機(jī)械臂機(jī)器人

9、的使用，醫(yī)療器械行業(yè)力圖達(dá)到高的精度和程序控制的自動(dòng)化。在髖骨和膝蓋骨的替換手術(shù)、腦部腫瘤切除手術(shù)等方面取得了一些成就。近年來，機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步明顯，精確度達(dá)到0.0001″，往復(fù)能力達(dá)到0.0005″。</p><p>　　現(xiàn)在該項(xiàng)研究的長期目標(biāo)是為機(jī)器人輔助外科手術(shù)開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)化的方法，其中在機(jī)器人的協(xié)助下插入螺釘是最具有挑戰(zhàn)性的問題之一。這個(gè)目標(biāo)系統(tǒng)由以下部分組成：（1）、一個(gè)CT/MRI掃描系統(tǒng)，用來描繪出

10、骨骼幾何形狀的三維圖像。（2）、一個(gè)機(jī)械臂來協(xié)助完成螺釘?shù)臏?zhǔn)確插入。（3）、一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助工程界面，用來模擬出骨骼的幾何形狀，并對(duì)手術(shù)路徑做出規(guī)劃。這個(gè)系統(tǒng)工具加強(qiáng)了外科醫(yī)生對(duì)螺釘插入的可控制性，可以幫助外科醫(yī)生提高手術(shù)的成功率，有利于降低醫(yī)療行業(yè)的成本。</p><p>　　資料回顧(Literature Review)</p><p>　　因?yàn)檫@項(xiàng)研究內(nèi)容涉及很多學(xué)科，這里將回顧兩個(gè)主

11、要部分的相關(guān)資料：第一部分是與螺釘固定器械相關(guān)的論述，第二部分是與計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)以及骨骼注冊(cè)法相關(guān)的論述。</p><p>　　2. 1 脊椎固定螺釘?shù)牟迦?lt;/p><p>　　螺釘插入后的牢固程度與骨骼和脈絡(luò)的接觸表面以及骨組織的構(gòu)造有關(guān)，從定位孔中流出來的組織液可能會(huì)引起定位的失效。因此螺釘定位的穩(wěn)定性取決于螺釘與骨骼之間摩擦力的大小以及組織液的流出量。最近有一場關(guān)于脊柱的討論會(huì)，

12、會(huì)上專門討論了這種螺釘在脊柱外科手術(shù)中的應(yīng)用，另外還討論了替換外科手術(shù)的方法以及一些脊椎固定螺釘?shù)亩ㄎ黄餍怠?lt;/p><p>　　在1941年，Lyons指出當(dāng)時(shí)關(guān)于矯形手術(shù)的資料中并沒有為螺釘定位打預(yù)備孔的這一課題。直到1989年到1991年間，才有兩篇關(guān)于為螺釘定位打預(yù)備孔的相關(guān)文獻(xiàn)，在這兩篇文獻(xiàn)當(dāng)中，都把人工鉆孔技術(shù)與人工探針技術(shù)做了對(duì)比。</p><p>　　脊椎固定螺釘用于脊椎骨

13、折手術(shù)中來定位時(shí)會(huì)使愈合率比不使用醫(yī)療器械時(shí)提高將近20﹪。但是在使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，比如：螺釘?shù)乃尚浮⒒?、移位等，這樣使手術(shù)變得更加復(fù)雜。在最近對(duì)3498個(gè)案例的調(diào)查中，有1.7﹪到2.3﹪的螺釘發(fā)生了松懈，這個(gè)比例根據(jù)螺釘?shù)奈恢煤褪中g(shù)時(shí)間的變化而有所不同。在對(duì)脊柱動(dòng)手術(shù)時(shí)，脊椎固定螺釘通常放在胸椎下部和腰部的皮層當(dāng)中，用X射線成像處理技術(shù)來引導(dǎo)螺釘?shù)墓潭ǎ?，用X射線成像處理技術(shù)來確定插入點(diǎn)的位置容易引起誤差，由此直接引

14、起的失誤率高達(dá)8.1﹪，間接引起的失誤率高達(dá)14.5﹪。因此，Berlemann指出一張簡單的CT圖像不能確定一個(gè)給定直徑的螺釘穿過椎弓根的最佳路徑，而因該在椎弓根三維圖像重構(gòu)后再確定。</p><p>　　最近，Amiot等人做了一項(xiàng)關(guān)于在計(jì)算機(jī)輔助實(shí)現(xiàn)螺釘定位的方法的可行性研究，目標(biāo)精度達(dá)到±1.1㎜，角度精度達(dá)到1.6°±1.2°，傳感器誤差為±2.5㎜，三

15、D重構(gòu)誤差為±1.0㎜，這些數(shù)據(jù)都由專家測試完成。</p><p>　　2. 2 機(jī)器人輔助外科手術(shù)相關(guān)資料</p><p>　　機(jī)器人已經(jīng)廣泛地用于輔助外科手術(shù)中，其中有一部分取得了很大的成功。雖然臨床上還沒有使用機(jī)器人來輔助關(guān)節(jié)螺釘?shù)墓潭?，但是有專家已?jīng)開發(fā)出一種導(dǎo)航系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不再用X射線來導(dǎo)航，而且使用這種系統(tǒng)來導(dǎo)航后91﹪的螺釘定位是十分準(zhǔn)確的，不會(huì)受到椎弓根皮層的干

16、擾。在這個(gè)復(fù)雜的過程中，注冊(cè)通過一個(gè)脊柱標(biāo)記器來完成，如果外科醫(yī)生標(biāo)記準(zhǔn)確的話，這個(gè)系統(tǒng)還將允許脊柱在手術(shù)中有小量的偏移。</p><p>　　在法國的格勒諾勃大學(xué)，Lavallee、Benabid和Cinquin在神經(jīng)外科學(xué)的200多個(gè)領(lǐng)域使用了機(jī)器人，用IBM計(jì)算機(jī)對(duì)腦部進(jìn)行三維重構(gòu)，同時(shí)，外科醫(yī)生輸入運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)，將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分解為一連串的連續(xù)的直線動(dòng)作?，F(xiàn)在他們正致力于把這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到脊椎外科手術(shù)中去。

17、</p><p>　　瑞士聯(lián)邦政府技術(shù)研究所研制出了一個(gè)成功的用于外科手術(shù)的機(jī)器人（名叫Minerva），Glauser和Flury介紹了這種立體成像機(jī)器人的設(shè)計(jì)，它采用一個(gè)CT掃描儀來定義軌跡，確定病灶點(diǎn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后計(jì)算從工具末端點(diǎn)到手術(shù)入路點(diǎn)的最近可能的距離（在不傷害病患者的情況下）。</p><p>　　在矯形手術(shù)領(lǐng)域，最著名的可能要數(shù)Robodoc了，它是一個(gè)由圖像導(dǎo)引

18、的外科手術(shù)機(jī)器人，用來幫助外科醫(yī)生醫(yī)生為髖骨假體移植手術(shù)打孔，該機(jī)器人曾在十多家中心醫(yī)院進(jìn)行了臨床試驗(yàn)?，F(xiàn)在，這個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)在精度上又有了很大的提高，Robodoc使用框架法來固定股骨，將針頭插入骨頭中作為同步糾正參考和注冊(cè)標(biāo)記，其操作臂的類型為SCARA。</p><p>　　為了計(jì)算操作臂各關(guān)節(jié)點(diǎn)的關(guān)節(jié)變量，使其按照規(guī)定的路線運(yùn)動(dòng)，必須求出機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，這個(gè)問題早在1968年就有人開始研究了。求機(jī)械臂運(yùn)

19、動(dòng)學(xué)反解的方法現(xiàn)在已經(jīng)有了很多種，如：代數(shù)轉(zhuǎn)換法、幾何求解法、雙重矩陣法等。</p><p>　　坐標(biāo)系統(tǒng)的識(shí)別(Identifying Reference Frames)</p><p>　　機(jī)器人輔助外科手術(shù)中最主要的難點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)對(duì)骨骼的幾何形狀（相對(duì)于機(jī)械臂固定坐標(biāo)系）的識(shí)別。Nolte指出骨骼的相對(duì)坐標(biāo)有很多種識(shí)別方法，通過一個(gè)可操作的雙向坐標(biāo)匹配程序可以確定三到六個(gè)標(biāo)志點(diǎn)的相對(duì)

20、坐標(biāo)，從而得出整個(gè)骨骼相對(duì)于機(jī)械臂空間的相對(duì)坐標(biāo)。DiGioia在他的專著中提到，這種注冊(cè)方法有一個(gè)缺陷就是還是要用到比如針或是框架來固定股骨的方位，在手術(shù)過程中，必須將標(biāo)簽貼在患者體內(nèi)，并且這些標(biāo)簽在醫(yī)療圖像中是可見的。</p><p>　　本文所提到的骨骼注冊(cè)法，不用貼入任何標(biāo)簽，也不需要對(duì)骨骼上具體的某一點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行精確識(shí)別。因此，這種方法減輕了病人的痛苦，同時(shí)也降低了手術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，減輕了外科醫(yī)生的壓力。

21、這種方法是基于脊柱體的部分模型的三維圖像，而不是定義在一個(gè)平面上。</p><p>　　通過對(duì)不同種類的材料的實(shí)驗(yàn)，最終決定在骨骼注冊(cè)法中采用一種叫做Reprosil I型的牙齒印模材料，這種材料由乙烯聚合而成，曾用于牙齒的重構(gòu)等學(xué)科。Reprosil I型的材料具有低的粘滯度，呈中性，對(duì)人體無毒害作用，而且在骨骼上更容易固定。通過在新鮮的尸體上做的實(shí)驗(yàn)表明這種材料在被移開時(shí)不會(huì)傷害到人體組織和損壞印模，這種材料

22、被放置在一個(gè)固定的注冊(cè)裝置中。解剖開發(fā)病部位后，先將被解剖部分后面的圖像拍下來，然后再放入印模材料，2—3分鐘后，印模材料開始凝固，這時(shí)將開始凝固的印模拿開，這樣就獲得了骨骼的幾何形狀?？梢钥闯鲞@種方法不用在骨骼表面上貼入標(biāo)簽，也不用再使用對(duì)人體造成傷害的使用框架和針來進(jìn)行標(biāo)記，固定框架和針的這一手術(shù)過程（因?yàn)榭蚣芄潭ㄔ陲B骨上，所以固定時(shí)必須先進(jìn)行切開手術(shù)）也可以省去，減輕了外科醫(yī)生的工作量。采用注冊(cè)裝置的目的主要有兩個(gè)：</p&

23、gt;<p>　?。?）為印模材料提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。</p><p>　　為了保證注冊(cè)裝置里印模材料的安全，在其圓柱體部分做了一個(gè)T型缺口，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)保證了印模在旋轉(zhuǎn)是的安全性，還可以自由地組裝和拆卸。</p><p>　?。?）為操作臂末端執(zhí)行器輔助建立坐標(biāo)系。</p><p>　　為了識(shí)別注冊(cè)裝置的相對(duì)坐標(biāo)系，必須建立獲得它的位置和姿態(tài)

24、系統(tǒng)化方法。目前采用的方法是人工引導(dǎo)操作臂末端執(zhí)行器的尖端插入頂部的槽中，如圖1所示，從圖中可以看出，這個(gè)槽是專門設(shè)計(jì)的，只允許尖端在一個(gè)方向上插入，尖端插入后，在機(jī)器人空間中定義了印模和發(fā)病部位脊椎三維模型相對(duì)坐標(biāo)。通過計(jì)算操作臂的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，可以得出末端執(zhí)行器的位姿（即位置和姿態(tài)），再通過矩陣變換就可以識(shí)別出注冊(cè)裝置的相對(duì)坐標(biāo)系。如圖2。</p><p>　　4．通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)兩種模型的匹配(Computer

25、Meshing of Model)</p><p>　　為了識(shí)別骨骼的幾何形狀，必須將骨骼表面形狀經(jīng)過數(shù)字化處理后傳入計(jì)算機(jī)中，這可以通過CT掃描儀來獲得脊柱的CT圖像，這種CT掃描儀的最小掃描厚度為1.0㎜，圖4畫出了骨骼幾何形狀的外輪廓線。</p><p>　　將所有的剖面CT圖像輸入計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)（CAES）中，經(jīng)過處理后系統(tǒng)可以輸出脊柱的整體圖像，同時(shí)，印模的CT圖像也輸入到系

26、統(tǒng)中，系統(tǒng)也會(huì)重構(gòu)出印模的三維圖像，如圖5所示。</p><p>　　當(dāng)脊柱和印模的三維模型都輸入到CAE系統(tǒng)后，會(huì)在同一屏幕上顯示出來，因此必須建立這兩個(gè)模型的匹配標(biāo)準(zhǔn)。最簡單的一種方法是在兩個(gè)模型中都對(duì)脊椎上的椎弓根進(jìn)行識(shí)別，而且這種方法匹配的精度很高。但是在許多情況下，醫(yī)生的手術(shù)時(shí)是第二次進(jìn)入，脊椎有可能產(chǎn)生偏移，使得匹配程序延長。如果是這樣的話，必須通過脊柱體來識(shí)別印模的外輪廓，這并非不可能做到，只是會(huì)加

27、大手術(shù)的難度。圖6描述了兩個(gè)不同角度的匹配畫面（該圖種CT掃描儀每隔1.5㎜掃描一個(gè)剖面）。</p><p>　　可以看出掃描的厚度越小，匹配的精度就會(huì)越高。如果沒有象脊椎上的椎弓根這樣明顯的特征，也很實(shí)現(xiàn)定這樣一個(gè)高精度的匹配。目前使用這種方法能夠達(dá)到的精度是1.0㎜，此時(shí)CT掃描儀掃描時(shí)，剖面之間的間距為1.0㎜。</p><p>　　5. 模擬脊椎固定螺釘?shù)姆胖?Planning P

28、edicle Screw Placement)</p><p>　　一個(gè)3D-CAI軟件包括了以下幾個(gè)部分：計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)，三維模型重構(gòu)部分，操作臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，操作臂的路徑規(guī)劃以及剖面圖像操作系統(tǒng)。另外，為了給外科醫(yī)生指出螺釘插入的準(zhǔn)確位置，開發(fā)了一個(gè)針對(duì)三維模型的操作系統(tǒng)，可以從所有的CT剖面圖像中挑選出任意一張進(jìn)行操作。</p><p>　　但是，鉆頭的軌跡不是在某一張CT剖面圖

29、像的平面內(nèi)，而是由外科醫(yī)生用3D-CAI系統(tǒng)在整個(gè)三維空間中畫既定的軌跡，然后，由3D-CAI系統(tǒng)將畫出的路徑轉(zhuǎn)化為操作臂各個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)值。圖7表示的是將計(jì)算機(jī)代碼寫入計(jì)算機(jī)輔助工程系統(tǒng)的瞬間，這些代碼輸入后，允許用戶在工程圖中顯示出由外科醫(yī)生畫出的鉆頭的運(yùn)動(dòng)軌跡。下面的模塊圖概述了整個(gè)注冊(cè)的程序： 6. 關(guān)于計(jì)算機(jī)的實(shí)施(A Note On Computer Implementation)</p><p>

30、　　計(jì)算機(jī)輔助工程軟件為外科醫(yī)生和機(jī)器人操作臂之間提供了一個(gè)可視化的連接。這個(gè)系統(tǒng)是用AutoCAD軟件開發(fā)的，提供了一種正式的智能語言即Auto Lisp。這種語言允許在命令、數(shù)學(xué)函數(shù)以及AutoCAD里的其他程序界面等方面進(jìn)行拓展。</p><p>　　哈佛研發(fā)出來的試驗(yàn)代碼在常規(guī)的AutoCAD軟件的基礎(chǔ)上增加了四個(gè)新的菜單。在菜單“Robot”下的子菜單命令提供了以下功能：允許用戶操作機(jī)械臂，操作它的每一

31、個(gè)關(guān)節(jié)，還可以注冊(cè)關(guān)節(jié)的相對(duì)坐標(biāo)（圖8顯示了修正后的AutoCAD界面）。在菜單“Registration”下的子菜單提供的功能有：允許用戶求解操作臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，注冊(cè)印模，還允許CAD系統(tǒng)讀取以圖片格式保存的脊柱數(shù)據(jù)文件?！癙re Operative Simulation”菜單可以使用戶按照其所輸入的命令模擬特定的運(yùn)動(dòng)，還允許用戶為不同類型的機(jī)械臂加載不同類型的數(shù)據(jù)文件?！癟rajectory”菜單允許用戶從不同的角度來觀察一張?zhí)囟ǖ?/p>

32、CT剖面圖片，還可以將整個(gè)三維圖像轉(zhuǎn)換為機(jī)器人數(shù)據(jù)。圖9表示的是模擬式的操作臂和注冊(cè)裝置。</p><p>　　7. 精度 (Accuracy)</p><p>　　下面介紹了各個(gè)子系統(tǒng)可能的誤差。</p><p>　　7.1操作臂精度和往復(fù)性能</p><p>　　精度：在早期研究中用到的智能機(jī)器人的末端執(zhí)行器按其平均速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度在0.

33、01-0.03英寸之間，現(xiàn)在NASA Goddard Space研究中心研制的新型NASA 機(jī)械臂的精度可達(dá)0.001″。</p><p>　　往復(fù)性能：在工業(yè)用途上，往復(fù)性能是一項(xiàng)非常重要的指標(biāo)，要求在高的速度和加速度下完成大量的重復(fù)性工作。而在外科手術(shù)中，機(jī)器人手臂只需在很低的速度下完成一次鉆孔。</p><p>　　7.2坐標(biāo)識(shí)別是的誤差</p><p>　　

34、注冊(cè)裝置的空間相對(duì)坐標(biāo)是通過在它的頂部的槽中插入的工具來獲得的，在人工引導(dǎo)將操作臂插入時(shí)（通過一個(gè)示教器），操作臂各個(gè)關(guān)節(jié)的相對(duì)坐標(biāo)被記錄下來。最大的誤差來源于注冊(cè)裝置上的槽和末端執(zhí)行器之間的偏移，估計(jì)最大可能發(fā)生的偏移為2㎜，偏移角度為2°。</p><p>　　7.3 手術(shù)工具和注冊(cè)裝置的精度</p><p>　　手術(shù)工具和注冊(cè)裝置之間的誤差取決于它們的加工精度，使用CNC和

35、EDM加工時(shí)的精度可達(dá)±0.0005″,因此，這部分的誤差可以忽略不計(jì)。</p><p><b>　　7.4 匹配精度</b></p><p>　　CT掃描儀的掃描厚度為1.0㎜,匹配的最高精度受到CT掃描儀本身的限制，它為匹配程序提供了適當(dāng)?shù)姆直媛省?lt;/p><p>　　7.5 解剖建模的精度</p><p>

36、;　　解剖建模來源于CT圖像，使用Camera-projection系統(tǒng)掃描的分辨率大概為0.2㎜,掃描完成后，骨骼印模的圖像就輸入到CAE系統(tǒng)中。</p><p><b>　　7.6 印模材料</b></p><p>　　印模材料采用的是“Reprosil Putty”,這是一種粘性很強(qiáng)的材料，它不溶于水，因此可以獲得牙齒組織的準(zhǔn)確模型，制造商聲稱這種材料用來獲得牙

37、齒內(nèi)腔的精度為0.05㎜。</p><p>　　7.7 注冊(cè)所需要的精度</p><p>　　一個(gè)理想的螺釘定位系統(tǒng)能夠在不打孔穿過表皮組織的前提下實(shí)現(xiàn)螺釘?shù)奈恢煤妥藨B(tài)的確定，維持固定的銜接，螺釘穿過的深度可以提高螺釘?shù)膹?qiáng)度，防止螺釘?shù)幕觥Ｔ谌斯げ僮鳈C(jī)械臂打螺釘定位孔時(shí)時(shí)能夠打得更圓，而不至于打成一個(gè)橢圓型的孔。在注冊(cè)階段所需要的位置精度為±1㎜，角度精度為2-3°。

38、矯形外科的醫(yī)生在這類銜接的臨床中能達(dá)到的精度為5±2㎜和3±2°。這種誤差不是由外科醫(yī)生或是操作臂末端執(zhí)行器引起的，而是在于傳輸給操作臂控制器的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)表明了螺釘固定點(diǎn)的位置和姿態(tài)。數(shù)據(jù)的誤差可能是由于CT剖面圖像沒有清楚地表明螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)所引起的。</p><p>　　8.發(fā)展前景(Future Endeavor)</p><p>　　目前研究人員正致力

39、于開發(fā)一個(gè)反饋表，使得操作臂能夠?qū)崟r(shí)地測量出鉆頭尖端的受力并反饋給手臂控制器，從而確定鉆頭下一步的位置。這個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)通過螺釘?shù)姆答伩梢砸龑?dǎo)外科醫(yī)生的手，同時(shí)也將醫(yī)生的感覺傳給機(jī)器人操作臂。</p><p>　　繼續(xù)強(qiáng)化3D-CAI系統(tǒng)得模擬操作臂和脊柱體的功能，使之在手術(shù)前能完整地模擬出手術(shù)過程。通過研究來證明用機(jī)械臂來打孔比人工打孔的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　在手術(shù)過程中，因?yàn)椴∪说暮?/p>

40、吸可能會(huì)引起脊柱的相對(duì)移動(dòng)，這一點(diǎn)并沒有考慮，這是后面研究的一個(gè)重要方面。</p><p>　　9. 結(jié)論 (Conclusions)</p><p>　　本文講述了一種識(shí)別骨骼在機(jī)器人固定坐標(biāo)系中的幾何形狀的注冊(cè)方法，在這種方法中用到了機(jī)器人輔助程序來插入關(guān)節(jié)螺釘，實(shí)驗(yàn)表明，這種方法是無侵害的，而且有很高的注冊(cè)精度，這個(gè)精度主要取決于CT掃描儀的精度。這種方法有很高的柔性，不需要額外的手

41、術(shù)程序，在手術(shù)室里花很短的時(shí)間就可以完成。這種方法將會(huì)取代以前的定位方法。</p><p>　　通過使用印模材料這種獨(dú)特的方法來獲得一個(gè)部分的模型可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的注冊(cè)，但是隨之而來的困難在于印模和脊柱體的三維模型的匹配，如果脊椎上的凸起發(fā)生偏移的話，匹配難度將會(huì)更大。雖然關(guān)于這種材料對(duì)人體組織的副作用測試的結(jié)果還沒有出來，但是既然這種材料已經(jīng)用于牙科中，而且在牙科中也會(huì)切開傷口，因該不會(huì)對(duì)人體組織產(chǎn)生副作用。這

42、種材料的另一個(gè)好處在于，當(dāng)它凝固后從脊柱上把它拿開時(shí)，不會(huì)傷害到組織，也不會(huì)在脊柱上留下任何殘留物。</p><p>　　致謝(Acknowledgments)</p><p>　　作者感謝愛荷華州大學(xué)CARVER科學(xué)研究基金委員會(huì)為這項(xiàng)研究提供經(jīng)費(fèi)，感謝愛荷華州的Lutheran醫(yī)院提供的CT掃描儀器，同時(shí)還要感謝NASA Goddard Space中心為這項(xiàng)研究的繼續(xù)進(jìn)行提供的機(jī)械臂。

43、</p><p>　　參考文獻(xiàn)(References)：</p><p>　　1 Bray, T.J., Templeman, D.C., Principles of screw fixation Operative Orthopaedics, 2nd Edition, J.B. Lippincott Co. Philadelphis, 1993.</p><p>

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