（通信与信息系统专业论文）机器人辅助全膝关节置换手术系统及其关键视觉技术分析.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趣番建 e t 期：竺! 堇：生兰! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：盘盂生导师签名：篡篁垫i 日期：竺竺三生! ! 山东大学礅士学位论文 摘要 随着计算机技术和机器人学的发展，机器人外科手术的研究非常活跃，并且 出现t些实用化系统，但是到目前为止还没有直接针对膝关节手术的研究成果 和系统出- - 现。然而全世界每年有成千上万的患有膝关节疾病( 如风湿、类风湿性 关节炎，骨关节炎) 的病人接受了全膝关节置换( t o t a lk n e er e p l a c e m e n t ，t k r ) 手术，期望在一定程度上恢复行动，减轻痛苦。t k r 手术的效果主要取决于手 术定位和假体安装的精确程度。目前，t k r 手术中广泛使用传统的夹具系统来 进行切割定位，定位精度主要依赖于医生的经验而且夹具系统种类众多，操作 繁琐。这无疑增加了手术的不确定性，影响了假体的安装精度及膝关节运动功能 的重建。 传统机器人辅助全膝关节手术系统存在的定位精度差，初始定位难等诸多缺 点一直是人们的研究热点之一本文基于机器人集成手术系统的理念，针对全膝 关节置换手术，使用了机器人辅助全膝关节手术系统( r a s s t k r , r o b o ta s s i s t e d s u r g i c a ls y s t e mf o rt o t a lk n e er e p l a c e m e n t ) 的概念及命名方式对r a s s t k r 系 统的构建、定位跟踪、标定等关键技术在理论性与应用性上进行了全面的研究， 主要工作如下： 不管是从技术的可重复性还是经济利益角度考虑，只针对一个手术应用而专 门开发的系统都是欠高效的本文首先就如何利用现有的r a s s t k r 系统的理论 方法、技术与设备开发髋关节置换、脑外科手术等相近手术，以及提供与这些手 术的扩展接口等重要问题，在理论层面上阐述了r a s s t k r 系统的扩展性，并从 更广的概念上建立了可扩展的r a s s t k r 架构模型。这为新的手术应用提供了理 论基础和技术支撑 视觉( 光学) 定位跟踪技术是r a s s t k r 系统研究的关键技术之一本文详 细介绍了r a s s t k r 摄像机定位模型，描述了模型的建立过程与算法流程，同时 在文中根据计算机视觉理论并结合膝关节的生理特点及手术要求，提出了一种新 的股骨定位方法。为r a s s t k r 的手术实现提供了最直接的理论保障。 4 山东大学硕士学位论文 本文又重点介绍了r a s s t k r 的光学标定技术探针标定、摄像机标定、手 眼标定在探针标定技术中详细探讨了探针标定的实现过程并提出了探针新的点 标定方法在摄像机标定中，对摄像机标定过程进行了详细的讨论，并且在此基 础上讨论了立体视觉摄像机标定原理对手眼式r a s s t k r 系统中的关键技术一 手眼标定问题，本文首先对机器人手眼标定的基本概念及传统的解决方案作了简 要的总结，然后针对r a s s t k r 中的立体视觉系统提出了立体视觉手眼标定新方 案，充分利用双目摄像机之间以及摄像机与机器人手爪之间的约束关系解决手眼 标定中的问题。 应用r a s s n m 系统的各种关键技术，上海交通大学刘允才老师领导的课题 组( 我在该课题组完成本论文) 构建了国内第一个真正意义上的r a s s t k r 系统 一w 蛆 o 。针对w a t o 系统构建及其各组成模块进行了详细的阐述，为r a s s t k r 系统的发展提供了最为详实的理论总结与研究素材，为系统在临床上的应用研究 奠定了进一步深入的基础 关键词：机器人辅助外科手术全膝关节置换术机器人集成手术系统视觉定位 探针标定摄像机标定手眼标定 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h er o b o t i c s ，t h er o b o t a s s i s t e ds u r g i c a lt e c h n o l o g yi sp a i dm o r ea t t e n t i o nt ob ym o r ea n dm o r ep e o p l e s o m e a p p l i e ds u r g i c a ls y s t e m sa r ea p p e a r e d , w h i c hd on o tr e l a t et ot h es u r g i c a ls y s t e mf o r t o t a lk n e er e p l a c e m e n t h o w e v e r , t h o u s a n d so fp a t i e n t ss u f f e r i n gf r o mt h ej o i n t d i s a b i l i t i e ss u c ha sr h e u m a t o i da r t h r i t i sa n do s t e o a r t h r i t i sg ou n d e rt h et o t a lk n e e r e p l a c e m e m ( t k r ) s u r g e r yi no r d e rt or e a c t i v a t et h e m s e l v e sa n de a s et h ep a i n t h e p e r f o r m a n c eo ft k rm o s t l y l i e so nt h ep r e c i s i o no fp o s i t i o na n dp r o s t h e t i c c o m p o n e n t sf i x i n g p r e s e n t l y , t h ep o s i t i o n i n go ft h ej i g b a s e dt k rs y s t e m , w h i c h i n f l u e n c e st h eq u a l i t yo f t k r , d e p e n d so nc l i n i ce x p e r i e n c e ，a n dt h e r ea r em a n yk i n d s o f j i gs y s t e m st h a ta r ed i f f i c u l ti no p e r a t i o n t h ep r e c i s i o no fp r o s t h e t i cc o m p o n e n t s f i x i n ga n dt h eh e a l i n go f p a t i e n t sa r ea l s oi n f l u e n c e db y j i gs y s t e m s c l a s s i c a lr o b o ta s s i s t e ds u r g i c a ls y s t e m sh a v et h ed i s a d v a n t a g e so fu n i d e a l p o s i t i o n i n gp r e c i s i o na n dh a r di n i t i a ll o c a t i o n , w h i c ha r ea l w a y st h er e s e a r c hh o ts p o t s b a s e do nt h ec o n c e p to fr o b o ti n t e g r a t e ds u r g e r y , w eh a v eu s e dt h et e r mr a s s t k r f r o b o ta s s i s t e ds u r g i c a ls y s t e mf o rt o t a lk n e er e p l a c e m e n t ) t h ek e yt e c h n o l o g i e s o fr a s s t k rs u c ha ss y s t e mc o n s t r u c t i o n , p o s i t i o n i n ga n dc a l i b r a t i o na r cs t u d i e do n e i t h e rt h e o r yo ra p p l i c a t i o ni nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： c o n s i d e r i n gr e p e t i t i o n sa n de c o n o m yp r o f i t ，i ti sn o te c o n o m i c a lt od e v e l o p i n ga s p e c i a ls u r g i c a ls y s t e m s oh o wt od e v e l o ps i m i l a rs u r g i c a ls y s t e m ss u c ha st o t a lh i p r e p l a c e m e n ta n dn e u r o s u r g e r yb a s e do nr a s s t k ra n dd e s i g nt h ei n t e r f a c ew i t h t h e s es u r g e r i e sw i l lb ea ni m p o r t a n tt a s lb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a s s t k r , t h ee x t e n dc o n c e p t i o nm o d a lo fr a s s t k ri se s t a b l i s h e dt op r o v i d et h et h e o r e t i c a l b a s i sa n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fr a s s t k r i n t h i sp a p e r , t h ep o s i t i o n i n gm o d e lo fr a s s t k ri si n t r o d u c e d , a f t e rd e s c r i b i n gi t sc o n s t r u c t i o n a n da l g o r i t h mf l o w c o m b i n i n gt h ec o m p u t e rv i s i o nt h e o r ya n dt h ek n e ep h y s i o l o g i c a l f e a t u r e ，w ep r e s e n tan e wm e t h o do ff e m o r a lp o s i t i o n i n gw h i c hp r o v i d et h ed i r e c t 6 山东大学硕士学位论文 t h e o r e t i c a lc n s u r c n c ef o rt h eo p e r a t i o n s c a l i b r a t i o n t c c h n o l o 舀e sm c l u d i n gp r o b ec a l i b r a t i o n ，c a m e r a c a l i b r a t i o na n d h a n d e y ec a l i b r a t i o na r ea l s od i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h en e wp o i n tc a l i b r a t i o no f p r o b ei sp r e s e n t e d 毡d e r a i li nt h ep a r to fp r o b ec a l i b r a t i o n i nt h cp a r to fc a l b e l a c a l i b r a t i o n , t h em e m o do fc a m e r ac a l i b r a t i o na n dt h ep r i n c i p l eo fs t e r e oc a l i b r a t i o n a 托d i s c u s s e d f o rt h ek e yc a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yi nh a n d - e y er a s s t k r - - - h a n d e y e c a l i b r a t i o n , t h et r a d i t i o n a lh a n d e y ec a l i b r a t i o nc o n c e p t i o n a n dm e t l l o da r e s u m m a r i z e di nb r i e f a c c o r d i n gt ot h es t e r e os y s t e mi nr a s s t k r , an e wm e t l l o do f h a n d e y ec a l i b r a t i o nf o rs t e r e os y s t e ma r ep r o p o s e db yt a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a m e r aa n dr o b o t h a n d h a v i n ga p p l i e dt h ea b o v et e c h n o l o g i e si nr a s s t k r i n t oa p p l i c a t i o n , t h et c a n ll e d b yp r o f l i u y u n c a ii ns h n a g h a ij i a o t o n gu n i v e r s i t ye s t a b l i s h e st h ef a 苫- tr e a r a s s t i g rs y s t e m ( w a t o ) i no u rc o u n t r y ( if i n i s h e dt h i sp a p e ri nt h et e a m ) f o rt h e w a t os y s t e m , i t ss y s t e mm o d u l ec o n s t r u c t i o ni ss u m m a r i z e di nd e t a i l ，w h i c h p r o v i d e sc o m p r e s s i v et h e o r e t i c a ls u m m a r ya n da p p l i c a t i o ne x p e r i e n c ef o rt h ef t l n l l e r r e s e a r c hi nt h ec l i n i cs u r g e r y k e y w o r d s ：r o b o ta s s i s t e ds u r g e r y s u r g e r ys y s t e m p o s i t i o n i n g h a n d e y ec a l i b r a t i o n t o t a lk n e er e p l a c e m e n tr o b o ti n t e g r a t e d p r o b ec a l i b r a t i o nc a m e r ac a l i b r a t i o n 7 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 机器人辅助外科手术概述 第一章绪论 随着医学理论的不断进步与发展，外科手术也正朝着更加精细更加复杂的方 向发展。传统医学知识由于技术上存在的种种不足，而难以满足手术的需求。以 传统外科手术为例，诸如术前计划不充分、过分依赖医生经验等多种因素导致手 术质量难以保证 近几十年来高速发展的计算机、机器人、电子信息以及网络通信等技术已经 越来越多地应用于医学领域。诸如c t m r i 等医学成像、图像处理技术和设备的 出现大大推进了临床诊断的发展，同时为手术计划、术中导航和辅助手术等领域 奠定了基础【1 3 】 “机器人辅助手术”( r a s 。r o b o t a s s i s t e ds u r g e r y ) 系统在现代l 临床医疗中 已经被越来越多地采用。r a s 的含义是指利用当今医学领域的先进的成像设备， 在机器人与计算机的帮助下制定合理、定量的手术方案，来提高手术的精度，或 使用机器人来完成常规方法难以完成的复杂诊断和治疗手术，它的出现是社会需 求、科技进步和商业利益共同作用的产物类似的名称还有c a s ( c o m p u t e r a s s i s t e ds u r g e r y ) ，c l s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e ds u r g e r y ) ，i o s ( i m a g eg u i d e ds u r g e r y ) 众多国外医疗器械厂商【4 7 】已经相继推出了可用在骨科、神经外科、微创外科等 不同场合的辅助手术系统，一些著名研究机构【8 - 1 l 】也针对这项前沿技术展开开 拓性研究，采用诸如增强现实 1 2 1 3 ，虚拟现实【1 4 】、多模图像配准 1 5 1 7 等新 技术，进一步拓展了该领域的研究范围 从目前来看，r a s 的研究内容可分为如下四大类： 手术计划( s u r g i c a lp l a n n i n g ) ：包括医学图像处理和手术仿真 手术导航( s u r 西c a ln a v i g a t i o n ) ：包括术中影像获取和手术导航。 治疗( t r e a t m e n t ) ：包括手术工具定位和治疗方法与工具 教育培训( f a u c a t i o n ) ：包括手术计划训练和手术技术训练。 对于r a s 而言，正确性和安全性是最主要的衡量指标 1 s 2 0 网络通讯技 0 山东大学硕士学位论文 术使远程医疗( t e l e - m e d i c a ls e r v i c e s ) 2 1 , 2 2 成为可能。辅以其他技术，一种全新 的治疗模式远程手术( t e l e - o p e r a t i o n ) 2 3 2 6 治疗产生了r a s 的研究中往往 带有海量信息的存取，如医学图像三维重建、机器人模型手术仿真、远程手术场 景传递等。因此，辅助手术中的数据库技术也成为一个研究热点高质量手术需 要保证所传递的信息的可靠性、安全性与实时性，所以数据压缩、远程数据传输 等技术也是r a s 的支柱 r a s 的贡献不仅体现在手术质量和较高难度外科手术普及率的提高，它的 迅速发展对于社会其他方面的影响也是深远的。总的来说r a s 技术为我们带来 的变革主要有以下几个方面 高难度的手术开始普及以往，许多手术由于技术难度非常高，既需医生具 有非常丰富的手术经验，又对手术设备与环境有严格的要求。而在i 认s 的 专家系统的帮助下，经验较少的医生也能完成同样高难度的手术同时，为 r a s 专门设计的操作器械也大大降低了对手术环境和设备的要求，使得这些 难度大经验要求高的手术也能够在中等医疗水平的地区得到普及 产生全新的手术类型r a s 的出现引发了大量的关于手术方式的革新一些 以往从未想过的手术方式诞生了，内窥镜就是一个例子今天。微创手术也 在手术领域得到推广，融合了激光以及放射治疗的r a s 将在不久之后实现 无创伤手术 从社会的角度讲，r a s 是医疗事业的一个全新增长点不断涌现的新技术使 得医疗设备的市场与领域不断扩张，一些传统意义上的非医疗行业，如计算 机产业、机器人行业也将同在这个新舞台上展开竞争 社会医疗成本显著下降：从国外发达国家的现状及发展趋势来看，使用r a s 虽然一开始需要大笔资金购置设备和相关软件，但由于病人创伤减少、手术 过程简化以及手术质量提高，住院时间和相关费用也会相应减少，在提高医 疗水平的同时也能降低成本 1 i 2 机器人外科手术系统的国内外研究发展现状 医学机器人技术已经成为国际前沿研究热点之一它集机器人、电子通讯、 图像处理、虚拟现实、微创手术等诸多技术于一身，是从生命科学与工程学理论、 9 山东大学硕士学位论文 方法、工具的角度、将传统医疗器械与信息技术、机器人技术结合的产物，是诸 多学科交叉的新型研究领域【2 7 】。目前，机器人技术在医疗外科手术规划模拟、 微创手术、无损伤诊疗、新型手术治疗方法等方面得到了广泛的应用，不仅促进 了传统医学的革命，也带动了新技术、新理论的发展，并形成了新的高技术产业 r a s 的出现是社会需求、科技进步和商业利益共同作用的产物。目前对医疗机 器人的研究主要集中在外科领域，包括神经外科、心脏修复、胆囊摘除、人工关 节置换、整形外科、泌尿科和无损诊疗等。 美国i n t e g r a t e ds u r g i c a ls y s t e m 公司于1 9 9 2 年推出了r o b o d o c 机器人系 统，它是在传统工业机器人基础上开发而成的，可以完成全髓关节置换、修复和 膝关节置换等手术该公司还开发了o i 玎h o d o c 图像处理系统，根据c t 图片 进行的3 d 建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据，帮助医生完成监控和 虚拟手术 美国c o m p u t e rm o t i o n 公司在1 9 9 4 年研制成功a e s o p 手术机器人 2 8 1 该 系统能够模仿人手臂的功能，取消了对辅助人员手动控制内窥镜的需要，提供比 人为控制更精确，更一致的镜头运动，为医生提供直接稳定的手术视野1 9 9 6 年初，该公司利用研制a e s o p 系列机器人积累的在计算机和机器人方面的关键 技术，推出了z e u s 遥操作机器人外科手术系统，用于微创手术z e u s 系统采 用主从遥操作技术，分为s u r g e o n - s i d e 子系统和p a t i e n t s i d e 子系统，s u r g e o n - s i d e 是由一对遥操作主手和监视器构成，p a t i e n t s i d e 由两个用于定位的机器人手臂和 一个控制内窥镜机器人手臂组成 2 9 ，3 0 。 2 0 0 0 年1 月9 日，美国i n t u i t i v es u r g i c a l 公司成功开发出d av m c i 外科手 术机器人系统，它也是为数不多的商品化的实用技术之一系统包括一个医生控 制平台、多功能手术床，各种手术器械和图像处理设备 在国内，医疗研究越来越受到各方面的重视，也取得了一系列的成果北 京航空航天大学机器人研究所开发了遥操作远程医用机器人系统【3 1 】系统主要 由影像获取传输、虚拟手术规划，智能机械臂、病人头部( 病灶) 固定装置等部 分组成，可以完成手术靶点确定、三维病灶轮廓重建、定位器械引导、手术系统 定向等多个复杂步骤。这一手术突破了传统脑外科手术的定式，病人头上不必再 戴金属框架以辅助定位，定位也较传统手术精确该系统已实现多例临床手术 山东大学硕士学位论文 2 0 0 3 年9 月，北京海军总医院实现了中国首例异地机器人脑部手术。此次 异地遥控手术是在北京和沈阳之间进行，两地远隔6 0 0 公里，做手术的机器人叫 黎元北京海军总医院用鼠标发出数字指令，在沈阳的机器人两秒钟内能接收到 信号在此之前，海军总医院已经研制出了独特的机器人辅助无框架定位手术系 统，并已研制t - - 代机器人，一共成功实施了6 0 0 多例定位手术黎元是海军总 院研制出的第三代遥控操作机器人 此外，国内的一些典型研究还包括：哈尔滨工业大学与北京航空航天大学合 作研制的遥操作辅助正骨机器人系统：南开大学研究的机器人辅助显微外科手术 系统：上海交通大学成功研制出的微型智能介入式诊断系统；北京航空航天大学 研制的角膜移植显微手术机器人；清华大学研制的神经康复机器人等但目前这 些系统大多处在研究阶段。离临床应用还有很大差距 1 2 机器人辅助全膝关节置换的提出 每年有成千上万患有关节疾病( 例如风湿、类风湿性关节炎，骨关节炎) 的 病人接受了全膝关节置换手术( t k r , t o t a lk n e er e p l a c e m e n t ) ，期望在一定程度 上恢复行动，减少生活中的痛苦。据统计1 9 9 7 年意大利有1 6 0 0 0 例，1 9 9 8 年美 国有2 6 0 0 0 例，日本有7 5 0 0 0 例，德国有5 5 0 0 0 例，以上数据表明膝关节手术在 日常生活中存在着巨大的市场。通过全膝关节置换手术可以大幅度降低医疗成 本，减少病人痛苦，提高手术效率和质量 膝关节手术中，由于假体松动、脱位、断裂和感染造成的失败率达5 8 其中，术中假体的安放位置对术后的效果影响极大目前，术中假体位置主要由 临床经验和专用模板保证，人为因素很大，是误差的主要来源总的来说，传统 基于夹具t k r 系统主要存在以下缺点： 1 ) 夹具系统种类众多，操作繁锁： 2 ) 基准的间接选取造成定位误差： 3 ) 不稳定的锯削严重影响配合面的形位与表面的质量； 舢简单的评估手段缺乏说服力 针对基于传统夹具膝关节手术的诸多缺陷，计算机或机器人辅助全膝关节置 换手术应运而生目前，机器人手术系统还远远不能完全代替医生，其操作灵活 山东大学硕士学位论文 性及手术l 艋场判断是远远不及医生的，只是在医生的监视和控制下“辅助”手术 的实施。但是相比人工膝关节置换手术，采用计算机与机器人进行合理的辅助， 以及使用专家系统进行受力、运动的评估，获取最优的放置位置可以使机器人辅 助膝关节手术具有更好的操作精度，提高假体置换手术质量与成功率。机器人辅 助全膝关节手术的主要优点有： 1 ) 方便的进行受力、运动评估，获取最优放置位置 2 ) 省去了夹具系统的拆装 3 ) 减小病人的创伤，缩短手术时间 4 ) 减少感染引起的并发症，降低手术成本 1 2 1 国内外相关研究 人工膝关节置换手术是典型的骨外科人工假体植入手术其关键操作是对病 人的股骨做五次定向切割与胫骨上纵向开孔。术中假体的安放位置、切割与开孔 的精度直接关系到手术的质量。人工膝关节置换术中假体位置和对股、胫骨的切7 锯削割主要由手术医生的经验掌握，由专用定位模板保证，人为因素比较大，是 误差主要来源( 甚至是医疗事故的起因) 。机器人外科手术的优点是手术前可对 植入假体进行术前设计，手术中机器人进行关键操作，手术精度高、术后效果好。 九十年代以来，机器人外科手术的研究( 包括人造股骨头和人造膝关节置换手 术) ，特别是有关定位技术的研究日益活跃 3 2 3 4 】。 适用于膝关节置换术的最原始的定位方法是三维标点定位法，即在病人骨骼 上寻找生理标点或植入金属标点，再和模型中的标点进行配准达到定位的目的 早在九十年代初期，c h e r t 3 5 、s i n g h 3 6 等提出了采用生理特征点作为三维定位 标点，对c t 图像模型和m r i 图像模型进行坐标配准。这种方法的定位精度在几 个毫米的量级为了提高定位精度，在病人骨骼的手术部位植入金属标点的方法 相继提了出来。这些金属标点在手术室坐标系的位置可以用机械方法或光学的方 法测定九十年代以来，机器人辅助外科手术的研究，特别是有关定位技术的研 究日益活跃。1 9 9 2 年，t a y l o r 3 7 成功地研制出外植金属标点定位的人造股骨头 外科手术机器人其定位精度在亚毫米量级随后，该系统被美国的i n t e g r a t e d s u r g i c a ls y s t e m s 公司开发成产品( r o b o d o c ) ，并首次应用于德国的手术临床 山东大学硕士学位论文 外植金属标点的主要缺点是病人必须接受两次手术，其中第一次手术仅仅为了在 病人骨骼上端植入用以定位的金属标点。另外，r o b o d o c 系统庞大，价格昂贵， 不适于一般医院购置。同时r o b o d o c 系统为基于c t 模型的手术系统，由于c t 模型的存在必然引入模型重建、配准上的精度误差从而影响整个系统的精度。 为了避免两次手术，九十年代中期，v i a n t 等【3 8 】和h o f s t e r t t e r 3 9 提出了采 用光电子传感器定位的股骨修复手术机器人但实验证明定位精度较差，并且在 手术室环境中很难保证红外线光源和红外线接收器之间的光线不被遮挡。最近， b r o w n b a n k 4 0 提出了r 一框架定位法，将具有小孔和标点格阵的r 一型框架放 置于病人手术部位，采用c 一臂x 射线设备拾取投影图象：在x 射线图象中从所 感兴趣象素周围标点的二维坐标估算该图象点在手术室坐标系统中的位置。据报 道该方法的定位精度为0 4 2 3 4 毫米该方法虽然适用于手术室操作环境，但 不适合执行膝关节切割与开孔这类预先设计好的手术程序 最近，瑞士p is y s t e m 研制成功了g a l i l e o 手术机器人系统该系统采用红外 立体定位仪器对机器人的手术操作进行实时导航该专用机器人体积小、重量轻， 可以固定在病人的肢体上，为手术操作带来方便。其缺点是系统的初始定位( 即 机器人与病体的相对位置) 由人工确定，因为初始定位的精度直接关系到手术的 质量。 由于人工假体置换手术要求定位精度高。实际应用于临床的膝关节外科手术 机器人( 美国i n t e g r a t e ds u r g i c a ls y s t e m s 公司生产的r o b o d o c ) 仍然采用必须进 行两次手术操作的外植金属标点定位法在国内，上海交通大学的生命质量与机 械工程研究所与上海瑞金医院进行了类似的实验，同样采用了外植金属标点定位 法由于这种定位方法必须对病人进行两次手术( 首次手术仅仅为了给病人植入 定位用的金属标点) ，病人痛苦大，希望膝关节( 或股骨头) 置换的全过程能在一 次手术操作中完成。 目前，在国际上以r o b o d o c 的骨科手术机器人为典型产品，导航定位手术系 统则以g a l i l e o 的产品为代表到目前为止国内还没有具有自主知识产权的全膝 关节置换机器人手术系统 1 3 山东大学硕士学位论文 1 2 2 研究前景 鉴于以往系统存在的诸多问题，以及我国目前医疗机器人的发展状况，研究 开发具有自主导航、先进、经济并且具有自主产权的全膝关节置换机器人手术系 统具有重大的意义。这对于解决机器人辅助全膝关节手术系统( r a s s n 漾，r o b o t a s s i s t e ds u r g i c a ls y s t e mf o rt o t a lk n e er e p l a c e m e m ) 中存在的技术难题填补我国 在此领域的空白具有非常重要的研究价值。此外r a s s n 汊的研究成功将会对其 它机器人辅助关节外科手术系统，如髋关节手术系统的研究开发提供重要的依据 与指导作用 现在，我国人工关节外科的医疗力量无法满足大量手术需求，且手术总体质 量一般。鉴于手术机器人和计算机的协作手术能够达到非常好的手术质量开发 人工关节置换手术机器人系统将能对我国开展人工关节置换手术的普及，提高生 活质量有着重大意义r a s s t k r 系统的研究成功，将是外科手术领域的一次重 大突破。将为缩短骨科手术水平与不断增长的卫生要求之间差距，缓解新老医务 人员水平不等、医疗条件的城乡差异等长期存在问题作出贡献 i 山东大学硕士学位论文 第二章机器人辅助全膝关节置换手术系统( r a s s t k r ) 模型 综合机器人辅助外科手术系统与全膝关节置换术的特点，本文使用了机器人 辅助全膝关节置换手术系统( r a s s t k r ，r o b o t a s s i s t e ds u r g e r ys y s t e m f o r t o t a l k n e er e p l a c c m e m ) 的概念r a s s t k r 当然无力彻底解决命名不科学不完备的 问题，它的意义在于提出了一种新的命名思路：把研究内容和发展模式相结合 r a s s t k r 的命名方法是对整个t k r ( t o t a lk n c cr e p l a c e m e n t ) 相关研究领 域发展模式的一个概括r a s s n 文概念不仅详细考虑了用于t k r 手术辅助的 器械、设备以及实现手段，同时也将病人与医生包含到整个手术大环境中医生 先同病人和病体信息进行交流和交互，然后操作器械和设备，完成各个相应步骤。 医生作为系统中的一个对象，通过多样化的手段从病人获取相关信息，经过判断 和决策，控制器械和设备，完成手术执行的输出。 不管是从技术的可重复性还是经济利益角度考虑，只针对一个手术应用而专 门开发的系统都是欠高效的。考虑到r a s s t k r 系统本身在膝关节手术以外的应用 及系统本身的可扩展性，本文从更广的概念上建立了可扩展的r a s s t k r 架构模 型。为新的手术应用提供理论基础和技术支撑。 2 1 领域驱动 先进技术不断涌现，使得机器人在许多手术方向的应用成为可能为了实现 r a s s t k r 及提高t k r 手术质量，专用的先进手术技术同时会带来某一技术领 域的飞跃手术应用与先进手术技术在互动中不断发展，如图2 1 ，我们用矩阵 模型对r a s s t k r 领域及相近外科手术领域的发展模式进行了抽象与归类，其中 第一行专指r a s s t k r 领域的内容，而矩阵其它行指与r a s s t k r 可扩展的手术 领域的研究内容 矩阵模型由。手术应用技术专项”二维正交构成。手术应用范畴的组成 元素是手术应用，如全膝置换，全髋置换、脑部穿刺、脊柱整型；技术专项范畴 的构成元素是技术专项，如三维重建、图像配准、手术计划、术中跟踪定位、机 器人导向借助于手术应用与技术专项正交示意图，每一种专门手术所采用的技 术构成都能够清楚显现图中。涂黑方块表示纵坐标的手术领域用到了横坐标的 山东大学硕士学位论文 某种技术专项，而交叉线指可能用到某种技术，空白则表示未使用例如，基于 c t 建模的脑外科手术系统中有三维重建、图像配准等技术，而无c t 建模的 r a s s t k r 系统就不存在这两项技术内容领域内的科研项目基本上都是以一项 具体手术应用作为需求导向，也就是说手术应用需求总是被首先考虑。在手术应 用的基础上，进行系统层次上的考虑，之后才可能优化和深化技术专项 三维圈像事术厦踪机矗人 t 熏_ e 准计划定位导向 全膝 置换 全靛 置按 膝部 穿刺 臂柱 整型 图2 - 1 手术应用一技术示意图 图2 2 描述了r a s s t i c r 手术应用、系统和技术的层次关系，以及层次之间 的操作。领域研究采用了自上而下的分析，和自下而上的开发，整合与验证所 以，领域驱动是“手术应用”，而非技术专项 1 6 图2 - 2r a s s t k r 研发策略 曩成 和评信 睦 木 一 举瞄 蹙野 簪精 瓢嘲 山东大学硕士学位论文 2 2 技术体系 同一技术专项的研究内容在不同手术应用之间可能也会存在差别。例如，在 基于c t 建模的r a s s t k r 中的图像配准与在髋关节手术中的图像配准针对的手 术对象是不同的。虽然两个手术应用关于图像配准技术的研究内容有所差异，但 都基于同样的技术核心：硬组织的图像配准。基于此，将同一技术专项的研究内 容分为核心和应用两部分如图2 3 所示，核心部分通常指基本的、不因手术应 用而改变的研究内容；而应用部分则恰好是指那些因手术领域不同而有所差异的 研究内容。 矗节专席、臼t 配建 ，- - ，、 璺币l量_ 靶孽耳 ，l 、 i 1 1 援芒三叠筝 嗣钢一：图；耋囡：园 图2 - 3 技术研究内容的分类 把同一类或者相近的手术应用放在一起考虑，就构成了目标手术应用范畴。 根据范畴内手术应用的相近程度，同一技术专项的“核心与应用”划分将有所改 变：与r a s s t k r 相近的手术应用会有更多研究内容被划入核心部分理想的技 术体系核心部分应当占有较大比重，这意味着技术核心的可重用性较高为了达 到上述目标，可以将原本应用部分的一些技术内容归入到核心部分( 通过对于技 术专项核心部分的研究深度( d e p t h ) 划分) 例如，r a s s t k r 与脑部穿刺手术在 图像配准方面存在不同；前者的研究对象为硬组织；后者的研究对象为软组织。 按原先的方法，核心部分仅为硬组织配准，脑部穿刺应用中考虑的受力变形等应 归入应用部分但是，由于软组织受力变形研究在整个领域中有着广泛的应用， 如心脏、肾脏相关手术中的配准，所以也将其作为核心部分看待这样一来，关 于硬组织和软组织的配准研究同属于核心部分，之间的差别就用研究深度来区分 和表示图2 - 4 说明了深度( d e p t h ) 划分在技术研究内容划分中的应用 1 7 山东大学硕士学位论文 量詹i 童7 ，- k - - - 、 苎恿l甩： 田雌堆 蛀卓皈 ，_ 一- - - 、 e 嘎奎舟怛 口口 圆圈 ，一 田簟靠 静i 懦 图2 4 技术研究核心部分的深度划分 2 3r a s s t k r 技术扩展模型 不管是从技术的可重复性还是经济利益的角度考虑，只针对一个手术应用而 专门开发的系统都是欠高效的。结合r a s s 系统的特点，除了考虑r a s s t k r 系 统本身在膝关节手术上的应用外，还考虑其系统本身的可扩展性，为其它近似手 术的技术( 诸如全髋节置换，脑部穿刺等) 提供系统上的支持本节从r a s s n 文 系统出发结合其相近手术内容从更广的概念上建立了r a s s n 可扩展架构模 型( 如图2 - 5 所示) ，为新的手术应用提供理论基础和技术支撑。 1 8 图2 - 5r a s s t k r 技术模型 r a s s t k r 扩展技术模型由三个范畴( s p e c t r u m ) 正交构建：手术应用 一 二 髓 -，lrj，j ，。，。，o，0 应曩井打-o弗靠 ，卜，、 研嚷拜薯 ，0，上，。，。0 台靠囊。嚣 r。lj、。i 再元r 再 擐 f 器麓-，lrj，l， ，。-，k，。i ，毫饨他-t螺e蠢 ，p【 * 宪r 曩 山东大学颈士学位论文 ( a p p l i c a t i o n ) 、技术专项( s p e c i a l t y ) 与研究内容( c o n t e n t ) 研究内容范畴由两部 分组成：核心和应用。如前所述，与r a s s t k r 相近的手术系统具有深度划分不 等的核心部分，各系统的应用部分是完全不同的，可以继续保持特色。 用7 表示扩展模型中的技术立方，并作如下定义： k = t ( a p p l i c a t i o n ，s p e c i a l ( v , c o n t e n t , s 细a s ) l a p p l i c a t i o n = 1 ，2 ，s p e c 脚= 1 工c o n t e n t = o ，1 , 2 ，j 【t = o ，1 ) 【2 1 ) 其中：a p p l i c a t i o n 为手术应用s p e c i a l ( v , c o n t e n t 分别为手术应用、技术专项、 研究内容作为变化量在r a s s t k r 扩展技术模型中的坐标：s t d t z z $ 为 a p p l i c a t i o n 矗p e c i a l ( v 。c o n t e n t 对