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摘要 手眼式膝关节手术辅助机器人研究及准临床实验 摘要 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和复杂的方向发展。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。“机器人辅助外科手术”( r a s ，r o b o ta i d e ds u r g e r y ) 系统在现代临床医疗中已经被 越来越多地采用。 每年成千上万患有膝关节疾病的病人接受全膝关节置换手术( t k r , t 0 t a lk n e e r e p l a c e m e n t ) ，期望在一定程度上恢复行动，减少痛苦。目前，手术中假体位置主要由临床 经验和专用模板保证，是误差主要来源。针对基于传统机械导航模板的人工膝关节手术的诸 多缺陷，计算机或机器人辅助全膝关节置换手术应运而生。相比人工膝关节置换手术，采用 计算机与机器人进行辅助手术，并使用专家系统进行受力、运动的评估，获取膝关节假体的 最优放置位置，可以使机器人辅助膝关节手术具有更好的操作精度，提高膝关节置换手术的 质量与成功率。 传统机器人辅助全膝关节置换手术系统中存在的初始定位难，以及病人必须接受两次手 术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理念，针对传统全 膝关节置换手术的缺点，提出了手眼式机器人辅助外科手术( h e r a s ，h a n d e y er o b o ta i d e d s u r g e r y ) 模型。此模型将摄像机与刀具固定在机器人末端执行器上，利用相机标定与手眼标 定技术，构建动态导航系统，能克服静态手术导航中视角不能轻易改变的缺点；应用于全膝 关节置换术，根据红外探针获取的膝关节上生理标志点的位置，能得到术中切割平面的准确 位置及精确的下肢对线，提高手术精度。 本论文的工作包含四个方面：一是设计并实现了符合临床手术要求的基于h e r i s 模型的 准临床手术实验系统，二是t t e r a s 中的在线手眼标定问题，三是h e r a s 中的多体运动分割问 题，最后是h e p , a s 模型在膝关节手术各种实验中的具体应用与分析。综观全文，本论文的主 要创新性研究成果包括以下内容： 1 ) 设计并实现了符合临床手术要求的基于h e r a s 模型的准临床手术实验系统。此 系统根据手术要求，利用膝关节的生理特点，可进行高精度的股骨定位、胫骨 上海交通大学博士学位论文 2 ) 3 ) 4 ) 定位及手术切割，建立精确的下肢对线。满足了手术安全、环境、消毒等临床 医学要求，使h e r a s 模型在临床手术中的应用前景更加明朗； 针对在线手眼标定中退化运动和噪音对标定精度的影响，提出了根据运动序列 自身特点，自适应确定阂值的运动选择算法，提高了在线手眼标定算法的工程 实用性，为手眼式机器人在手术实施过程中的安全可靠使用提供了重要保障。 手眼式机器人进行辅助外科手术过程中，需要同时使用多个辅助定位工具并进 行多目标运动跟踪。在当前视觉伺服与跟踪技术的基础上，提出了基于多体三 焦点张量与直线光流的两种多体运动分割算法。利用直线特征对应进行计算， 可解决使用点对应时出现的特征遮挡问题，丰富了计算机视觉领域中多体运动 分割技术的理论和方法。 利用基于h e r a s 模型的机器人辅助全膝关节置换术实验系统一w a t o ，进行了假骨 模型试验、动物尸骨试验、尸体骨实验以及准临床手术实验( 尸体实验) ，进 行了详细的精度分析，对各阶段手术实验中遇到的问题提出了解决方法，为临 床手术积累了数据与经验。 关键词：机器人辅助外科手术，全膝关节置换术，最小侵入外科手术，手眼式机器人， 在线手眼标定，自适应运动选择，动态场景，多体运动分割，多体三焦点张量，直线光流， 准临床实验。 i i 摘要 h a n d e y er o b o ta i d e ds u r g e r yf o rt o t a l k n e er e p l a c e m e n ta n dp r e c l i n i c a lt r i a l s a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t so fm e d i c a lt h e o r i e s ，s u r g e r yo p e r a t i o n sh a v eb e c o m em o r e e l a b o r a t ea n dc o m p l i c a t e d s t a t e o f - a r tt e c h n o l o g i e s ，s u c ha sc o m p u t e r , r o b o t i c s ，e l e c t r o n i c i n f o r m a t i o na n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ，h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e di nm e d i c a la r e a s a sa r e s u l t ， r o b o ta i d e ds u r g e r y ( r a s ) i si n c r e a s i n g l ya d o p t e di nm o d e r nc l i n i co p e r a t i o n s e v e r yy e a r , t h o u s a n d so fp a t i e n t ss u f f e r e df r o mj o i n td i s e a s e s ，s u c ha sr h e u m a t o i da r t h r i t i s o ro s t e o a r t h r i t i s ，n e e d i n gt o t a lk n e er e p l a c e m e n t ( t k r ) s u r g e r yt or e c o v e rt h e i rn o r m a lf u n c t i o n s p r e s e n t l y , t h ep o s i t i o n i n go fp r o s t h e t i cc o m p o n e n t si ns u r g e r i e sm a i n l yd e p e n d so nc l i n i c e x p e r i e n c e so fd o c t o r sa n ds p e c i a ls u r g i c a lg u i d i n gd e v i c e s t oa v o i dt h el i m i t a t i o n so f j i g - b a s e d t k rs y s t e m s ，r o b o t c o m p u t e ra s s i s t e ds u r g e r i e sa r eq u i c k l yd e v e l o p e d ，w i t ht h ea i do fw h i c ha b e t t e ro p e r a t i o np r e c i s i o na n ds u r g i c a lq u a l i t ya r ew e l le x p e c t e d h o w e v e r , t h ec l a s s i c a lr o b o ta i d e ds u r g i c a l s y s t e m so ft k rh a sl i m i t a t i o n si n t h e o p e r a t i o n a lp r e c i s i o n sa n dt w i c es u r g e r i e s a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et k rs u r g e r y , w ed e s i g n e dah a n d - e y er o b o ta i d e ds u r g i c a ls y s t e ma n dm a d ei ta p p l i c a b l et oc l i n i c a lt r i a l s i n t h i sm o d e l ，b o t ht h ec a m e r a sa n dt h ec u t t i n gt o o la r ef i x e do nt h ee n d - e f f e c t e ro f t h er o b o t i nt h i s w a y , w eg e tad y n a m i cn a v i g a t i o ni ns t e mo fa ni n a d e q u a t es t a t i co n e i nt o t a lk n e er e p l a c e m e n t s u r g e r i e s ，t h ei n f o r m a t i o nf r o mf i d u c i a lm a r k sh e l p st h es u r g i c a lr o b o tt o a u t o m a t i c a l l y d e t e r m i n et h ep o s i t i o no fc u t t i n gp l a n e s u s i n gt h i sm e t h o d ，a na c c u r a t em e c h a n i c a la x i si s e s t a b l i s h e d t h em a j o rc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i si n c l u d e sf o u rp a r s ：f i r s t ，b a s eo nh e r a sm o d e l ，w e d e s i g n e da n dr e a l i z eap r e - c l i n i c a le x p e r i m e n ts y s t e m ，w h i c hc a nf u l f i l lt h er e q u i r e m e n to f c l i n i c a la p p l i c a t i o n s ；s e c o n d ，w er e s o l v et h ep r o b l e mo fo n l i n eh a n d e y ec a l i b r a t i o n ；t h i r d ，w e p r o p o s e dn e wm e t h o d sf o rm o t i o ns e g m e n t a t i o n ；a n da tl a s t ，w ea p p l i e dh e r a sm o d e lt ot k r c a d a v e rt r i a l sa n dr e s o l v em a n yp r o b l e m si nt h e s ee x p e r i m e n t s d e t a i l e dd e s c r i p t i o n so ft h e s e c o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： i i i 上海交通大学博士学位论文 1 ) d e s i g n a n dr e a l i z eap r e c l i n i c a le x p e r i m e n ts y s t e mb a s eo nh e r a sm o d e l i nt h i sm o d e l ， u s i n gt h ei n f o r m a t i o no ff i d u c i a im a r k so nt h ek n e e ，o n ec a ne s t a b l i s haf e m u r , t i b i a c o o r d i n a t es y s t e ma n dg e ta l la c c u r a t em e c h a n i c a l a x i s t h es y s t e mf u l f i l l st h e r e q u i r e m e n t so fc a d a v e rt r i a l sa n di sv e r ym e a n i n g f u lt o w a r dc l i n i ca p p l i c a t i o n s 2 ) i no r d e rt og u a r a n t e et h es a f e t yo fs u r g e r i e s ，o n l i n eh a n d e y ec a l i b r a t i o nw i l ln e v e rb e o v e r l o o k e d a f t e ra n a l y z i n gt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fo f f l i n eh a n d e y ec a l i b r a t i o na n d o n l i n eh a n d e y ec a l i b r a t i o n ，w ep r o p o s e dan e wc o n c e p to fa d a p t i v em o t i o ns e l e c t i o nf o r o n l i n eh a n d e y ec a l i b r a t i o n ，w h i c hw i l ln o to n l ya v o i dt h ed e g e n e r a t ec a s e s ，b u ta l s o a v o i ds m a l lr o t a t i o n st h a tw i l ll e a dl a r g ee r r o ri nc a l i b r a t i o n 3 ) i nt h em o d e lo fh e r a sf o rt k r ，w eu s u a l l yu s es e v e r a la s s i s t a n tg u i d e ss i m u l t a n e o u s l y t ot r a c km u l t i p l em o t i o n s b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k so fv i s u a lt r a c k i n ga n dm u l t i b o d y m o t i o ns e g m e n t a t i o n ，w ep r o p o s e dt w on e wm e t h o d so fs e g m e n t i n gm u l t i p l e3 dm o t i o n s f r o ml i n ec o r r e s p o n d e n c e s - o n ei sb a s e do nm u l t i b o d yt r i f o c a lt e n s o r , w h i l et h eo t h e ro n e i sb a s e do nl i n eo p t i c a lf l o w 4 ) m o r e o v e r , w ee m p l o y e dd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，s u c ha sp h a n t o m s ，a n i m a lb o n e s ，h u m a n b o n e sa n dc a d a v e r w er e s o l v e dp r a c t i c a lp r o b l e m si nt h e s ee x p e r i m e n t sa n dm a d e a c c u r a c ya n a l y s i s t h ee x p e r i e n c e sa n dt e c h n o l o g i e sw i l lh ev e r yh e l p f u lf o rt h ec l i n i c a l s u r g e r yi nt h ef u t u r e 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 , t o t a lk n e er e p l a c e m e n t ，m i n i m a l l yi n v a s i v e s u r g e r y , h a n d e y er o b o t ，o n l i n eh a n d e y ec a l i b r a t i o n ，a d a p t i v em o t i o ns e l e c t i o n ，m u l t i b o d y m o t i o ns e g m e n t a t i o n ，m u l t i b o d yt r i f o c a lt e n s o r , s t r a i g h t - l i n eo p t i c a lf l o w , p r e - c l i n i c a lt r i a l i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：我璃 日期：闭年6 月e l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并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。本人授权上海交通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 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：强姥指导教师签名： 汆3 乞未 日期：。坷年6 月j f 目 日期：砷年石月，日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近几十年来，医学理论在范同和深度上不断拓宽与进步，外科手术也朝着更精细更复 杂的方向发展。高速发展的计算机、机器人、电子信息以及网络通信等技术也已经被越来 越多地应用于医学领域的各个分支，诸如c t m 附等医学成像、图像处理技术和设备的出 现大大推进了临床诊断的发展，同时也为手术规划、术中导航和辅助手术等技术奠定了基 础【l 3 】。机器人辅助外科手术系统就是信息技术在现代临床治疗中的重要应用成果。 相较于传统外科手术，机器人辅助外科手术系统具有以下主要优点： ( 1 ) 外科手术对定位的要求是精益求精，机器人辅助外科手术系统能够实现很高的定位 精度，优于传统人工手术技术。 ( 2 )机器人辅助外科手术系统可以在术前完成手术方案设计，通过病体的可视化计算机 三维模型能够实现病灶的精确定位，使手术操作方案更细化更完善。 ( 3 )采用机器人辅助外科手术系统，不需要常规手术中必须使用的定位器、导板等辅助 器械，避免了手术过程中辅助手术器械给病人带来的创伤；同时由于操作时间短， 减少了病人的麻醉时间和出血量。 1 1 1 机器人辅助外科手术概述 “机器人辅助外科手术”( r a s ，r o b o ta i d e ds u r g e r y ) 系统在现代临床医疗中已经被 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 i 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 g s ( 1 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f l - 5 】已经相继推出了可用在骨科、神经 外科、微g l j p b 科等不同场合的辅助手术系统，采用诸如增强现实【6 】 7 】、虚拟现实 8 】【9 】、 多模图像配准 1 0 - 1 2 1 等新技术，一些著名研究机构 1 3 2 0 也针对这项前沿技术展开开拓性 研究，进一步拓展了该领域的研究范围。 上海交通大学博士学位论文 根据机器人在外科手术中承担的角色，可分为以下五类： ( 一) 手术助手( i n t e r nr e p l a c e m e n 0 21 2 2 ： 机器人在手术中承担辅助性的工作，替代原先由手术助手或其它实习医生承担的工作。 如传递手术器械，或在腹腔镜检查中握持相机。机器人助手相较于人的优势在于：( 1 ) 可 以减少手术室中的人员数量，从而降低手术费用；( 2 ) 能到达和完成人类助手不能到达的 位置与姿态，从而完成人类助手很难做到的动作与任务；( 3 ) 不会如人一样产生疲劳与注 意力不集中，从而提高手术的安全性。 ( 二) 远程手术电视手术( t e l e - s u r g i c a ls y s t e m s ) 2 3 - 2 5 4 7 - 5 4 】： 利用远程电视手术技术，即使外科医生不能实际接触患者，仍可以得到直接控制手术 器械的感觉。远程电视手术有两大优势：( 1 ) 最重要的一点是，远程手术可以在战场或者 灾难现场进行，并可以对偏远地区提供专家技术；( 2 ) 可以帮助医生到达人体内很难到达 的部分，并可在实施复杂的微小手术时避免手术器械的抖动。 ( 三) 手术导航( s u r g i c a ln a v i g a t i o n ) 【2 6 - 3 7 】： 手术导航系统中，由成像设备在术中获取病人影像，为外科医生提供精确的定位信息。 如内窥镜、超声波检查法、术中介入c t m r i 以及手术立体显示等均属此类。通过这些信 息，可以获得手术工具的精确导向。相应的研究包括术中手术工具的位置测量与跟踪，术 前与术中图像的配准，器官变形分析与补偿等。 ( 四) 精确定位与治疗( p r e c i s ep o s i t i o n i n ga n dt r e a t m e n t ) 【3 8 4 6 】： 手术工具定位与手术导航不同，其主要研究如何按照手术计划，安全、精确地使手术 工具到达手术部位，同时保持工具在手术时的稳定性。该项技术与手术导航在基本技术上 有着很多共性，也必须获取空间位置信息。新的治疗方法以及手术工具，如手术激光，显 微外科机器人，新发明的手术器械等，为上述研究提供了实施的途径与载体。 ( 五) 手术计划训练( e d u c a t i o n ) 13 ： 手术计划训练为的是在术前提供仿真演练，训练医生在术中的判断与决策能力。通常， 这种训练在虚拟环境下进行，医学图像信息的可视化技术以及交互技术是重要研究方向。 手术计划的训练目的在于提高临场操作熟练程度，与手术计划相辅相成。除了上述手术计 划训练提供具有真实感的视觉信息外，还需要模拟手术中的触觉状况，增强沉浸 2 第一章绪论 ( i m m e r s i o n ) 、交互( i n t e r a c t i o n ) 及想象( i m a g i n a t i o n ) 程度，通过反复的练习，主刀医生可以 在胸有成竹的状态下走上手术台。 r a s 的贡献不仅体现在提高手术质量和扩大较高难度外科手术的普及率，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。 ( 一) 高难度手术的普及。以往，许多手术由于技术难度非常高，需要医生具有非常丰 富的手术经验，又对手术设备与环境有严格的要求。这种情况下，这类手术的主刀任务仅 能由极少数医术高超的医生担当，并且手术进行的医院也必须拥有特殊的设备和完善的条 件。而在r a 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。 ( 二) 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。一些过往 从未想过的手术方式诞生了，如内窥镜 5 5 】。另外，微创手术也在手术领域得到推广 5 3 5 6 5 8 ，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。 ( 三) 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 业也将同时在这个新舞台上展开竞争。 ( 四) 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 1 2 机器人辅助外科手术的研究和应用现状 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、方法、工具的角度， 将传统医疗器械与信息技术、机器人技术相结合的产物，是诸多学科交叉的新型研究领域 【5 9 1 。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，它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 3 i ：海交通大学博i ：学位论空 作州的产物。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【戈1 ，置换、整形外科、泌尿科和无损诊疗等方面。 医学手术机器人的发展经历了两个主要阶段： ( 一) 早期阶段 在发展初期，既经济、叉快捷的方案是将标准i 。业机器人改造为医j j 机器人以满足 机器人辅助手术的需要。 ( 二) 近埘阶段 由于临床手术对机器人在动作的复杂性和专业性、定位精度、系统安全性与可靠性等 方面提出了一系列特殊的要求暴露出由t 业机器人改造的医用机器 很多缺点，促使人 们转为按临床要求研发专用手术机器人成为近期手术机器人研发的主流趋势。 1 9 8 6 年美国i b m 的t h o m a s jw a t s o n 研究中心和加利福尼弧_ 人学的研究人员基于i b m s e a r a 机器人合作开靛了一种创新的系统，以便进行髋戈仃置换手术。在此基础上，1 9 9 2 年成立了in l e g m t e ds u r g i c a ls y s t e m s 公司并推出了r o b o d o c 髋机器人系统【6 0 】【6 l 】( 幽 1 i ) 这是主动式机器人麻用于商用的第一个系统，它在传统j 业机器人技术基础上开发 ；藤擅门 ：，j 譬 图i 【o r t h o d o c 和r o b o d o c 手术系统 f i g il o r t h o d o c m dr o b o d o cs u r g i c a ls e m 而成，可以完成人。f 髋关肖和膝关节置换等手术。相麻的，该公司还开发了o r t h o d o c 图像处理系统，根据c t 幽片进行3 d 建模和手术规划，为手术提供所有需要的数据，帮助 医生完成手术仿真和监控。该系统已经通过美国食品与药品检验局( f d a ) 认证在美国、 欧洲、中东、亚洲菩地得到麻蚪j 。 第一章绪论 幽12a e s o p 外科干术机人 f i g l2 a e s o ps u r g i c a lr o b m 1 9 9 4 年炎圜c o m p u t e r m o t i o n 公r 研制成功a e s o p - 1 0 0 0 刑手术机器人【6 2 】。a e s o p 系统j 应挥了介入手术使患者 h 苫乖i 损伤减轻、康复快和花销低的特点，模仿人手臂的功能t 井取消了对辅助人贝手动控制内窥镜的需要，挺供比人为控制更精确、更一致的镜头运动， 为医生提供了直接、稳定的手术视野。住此摹础上，c o m p u l e rm o t i o n 公司分别0 1 9 9 6 年 lih 和1 9 9 8 年l 爿研制成功1 什界上第一台川语音控制的a e s o p - 2 0 0 0 型外科手术机器人 和筇一台具有7 个门由度的a e s o p 3 0 0 0 掣外科手术机器人川丁内窥镜手术，见时】2 。 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 公可成功扦发小d a v i n c i ( 逃芬奇) 外科下 术机器人系统【6 3 j ，它是日前为数币多的商品化手术机器人之一。它由医生控制平台、多 功能手术眯、各种手术器械和削像处理设备组成。手术睦生在控制台上通过“t 手”操作 机器人动作，通过脚蹄扳米控制i h 质城的视觉系统。多功能手术眯包括2 个机器人手臂和 一个内窥镜挟持手臂。为避免损伤患者徽细组易 和神经，山窥镜手臂在f 术切ii c m 上订 同转。凹l3 为巨生麻川d av i n c i 外科手术机器人系统进行心脏下术。 ，羔嘲睫 旷b 口 刚13j q 用d a v i n c i 外科于术机人系统进行心脏 术 f i 9 1 3 d a v i n c i s u r g i c a ls y m e m 罗 釜够 j ”_ l 上海交通大学博士学位论文 i n t u i t i v es u r g i c a l 公司还开发了一套完整的具有7 个自由度的手术器械e n d ow r i s t ，能 灵活地模拟人手腕的运动。每种器械具有不同的用途，例如夹钳、缝合和组织处理等。 d av i n c i 系统可以为医生提供如同开放式手术一样的直觉控制、运动范围和组织处理 能力，医生可以在别的房间、甚至其它医院，通过“主手”远程控制从动机械手，实施修 复心脏瓣膜等多种精密手术。如果医生在操纵控制杆时手臂发生颤抖，系统会自动纠错， 避免出现误操作。此外，机械臂还能完成一些人手无法完成的极为精细的动作，手术切口 也可以开得很小，从而缩短患者术后恢复的时间，同时还可以提高手术效率，节约费用。 目前，已经有多家研究机构和医院基于此系统提出了针对不同功能的改进方法并进行了临 床手术 1 3 3 9 - 4 1 4 3 儿7 0 7 2 。 除此之外，国外还有一些比较成功的研究成果，如德国z e i s s 公司的脑神经显微外科 机器人系统m k m s m n ，日本i m m i 公司的神经外科机器人系统n e t r o m a t e ，瑞士l e i c a 公司的神经外科手术机器人系统w i l d m 6 9 5 等。 在国内，北京航空航天大学机器人研究所与海军总医院神经外科中心合作研制了机器 人辅助神经外科手术系统 6 7 6 9 1 ，并于1 9 9 7 年5 月应用于临床。它采用p u m a 2 6 2 标准 工业机器人，术前对c t 图像进行3 d 重建，经过术中与术前坐标空间转换，再经过机器人 控制将探针指向穿刺靶点。在此基础上，由北京航空航天大学机器人研究所、清华大学计 算机图形图像中心和海军总医院共同开发了遥操作远程医用机器人系统，如图1 4 所示。 该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，可以完成确定手术靶点、重建三维病灶轮廓、引导定位器械、手术工具定向等多 个复杂步骤，治疗脑部纵深病变而无需开颅。这一手术突破了传统脑外科手术的定式，病 人头上不必再戴厚重的金属框架以辅助定位，造成的创伤面比传统手术小得多，定位也较 传统手术精确，并于2 0 0 3 年在北京与沈阳之间完成了国内首例异地控制机器人脑部手术。 上海交通大学成功研制出微型智能介入式诊断系统 6 8 】，用于人体消化道的无创检测， 解决了插管式创伤大、患者异常疼痛、检测部位不全等弊端。系统包括生物遥测胶囊、体 外便携式记录仪、数据处理站等，可以实现压力、温度、p h 值的检测。该系统已经在猪身 上进行了实验验证。上海大学、中国科学院合肥机械研究所、重庆大学等也进行了类似的 研究。 此外，国内的一些典型研究包括：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 2 3 1 1 2 5 1 ；南开大学研究的机器人辅助显微外科手术系统；北京航 6 第一帝持论 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，以及其他 一些丈学和研究机构开发的无损诊疗和辅助外科手术机器人系统等。目前这些系统人多处 在研究阶段离l 陆床应用j 丕有很大的差距。 1 2 问题的提出 圈l4 脑外科手术机群 “黎“” f i g 1 4 b m ms u g i n lr o b m “k iy u a n ” 藤关节是人体摄人与最重要的荧节之一，膝关节的病损将严重影响患者的活动功能 降低其生活质量。对于严重病变的膝关1 ，而言，诸如重度膝蕉订骨关节炎、类风湿性膝关 节炎晚期病变、严重的黄节创伤后膝关节功能障碍、涉及关节面的膝关节软骨坏死、肿瘤 等，保守的药物和物理疗法以及传统的手术方法往往娃无效的，而这样的病例并非少数。 如何蛙大限度的巫建膝关节功能，提高患者的生活质量，这是骨科医生面临的重人课题。 全膝戈竹簧换术( t o t a lk n e er e p l a c e m e n t ) 正是这样一种关1 f 功能的重建术。母年成千上 万患有关节疾病( 例如风湿、类风湿性关节炎骨关节炎) 的病 接受了全膝关节置换手 术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 倒， 1 9 9 8 年美国有2 6 0 0 0 倒日本有7 5 0 0 0 例，德国有5 5 0 0 0 例 7 3 】以上数据表明腺关节手术 在日常生活中存在着巨大l i 勺市场。通过全膝芙1 ，置换手术可毗大幅度降低医疗成本，减少 病人辅苦，提高手术效率和质量。 1 2 1 人工全膝关节置换术的进展 自1 9 世纪6 0 年代，v e r n e u i l 以及f e r g u s o n 等以切除膝关节病损的关节面并以臼体筋 膜包裹等方法治疗严重的膝关节病变以获得膝关节的活动以来，相继有不同的作者报告了 不同的膝关节成形的手术方法。经过近一个世纪的艰苦探索直至2 0 世纪5 0 年代，才出 上海交通大学博士学位论文 现了真正意义上的人工膝关节假体，即s h i e r s 铰链式人工膝关节。2 0 世纪7 0 年代开始， 由于g u n s t o n ，t o w n l y ，f r e e m a n ，s w o n s o n ，l n s a l l 等众多骨科医生及工程技术人员大量的卓有 成效的理论研究和临床工作，现代膝关节成形术的概念得以形成 7 4 】。自上世纪7 0 年代至 今的二三十年中，人工膝关节置换外科获得了极大的发展。无论在假体设计理念、材料与 生物力学研究以及外科操作技术等方面都获得了许多进展，尤其是大量病例优良的随访结 果令医生和患者对人工膝关节假体置换树立了信心。我国的人工膝关节置换是从1 9 8 0 年开 始引进的，起步较晚，迄今仅限于少数医院，与先进国家比较仍有较大差距【7 5 】。 现行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) 。目前的膝关节手术中，由于假体松动、脱位、断裂和感染造成的失败率达5 8 。总的来说，传统基于机械导航模板的t k r 系统主要存在以下缺点： ( 1 ) 夹具系统种类众多，操作繁琐； ( 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状与表面的质量； ( 4 ) 简单的评估手段缺乏说服力。 1 2 2 机器人辅助全膝关节置换术的研究和应用现状 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不能完全代替医生，其操作灵活性及手术临场判断是 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，并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。 8 第一章绪论 上个世纪九十年代以来，机器人辅助膝关节外科手术的研究( 包括人造股骨头和人造 膝关节置换手术) 日益活跃，十多年来积累了丰硕成果【7 6 】。定位技术是膝关节置换术中 的关键技术。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2 0 世纪9 0 年代初期，c h e n 7 1 、s i n g h 7 8 等提出了采用生理特征点作为三维定位标点，分别 对c t 图象模型和m 刚图象模型进行坐标配准。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，随后提出了在病人骨骼的手术部位植入金属标点的方法。这些金属标 点在手术室坐标系的位置可以用机械方法【7 9 】或光学的方法测定出来。1 9 9 2 年，t a y l o r 等 【8 0 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 ds 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 ) f 6 0 】【6 l 】，并首次应用于德国的手术临床。这种外植金属标点方案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。不过 r o b o d o c 系统近年来开始使用解剖配准的方案t 8 1 。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；此系统为基于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。在早期采用过外植金属 标点定位方案的还有美国两北大学 8 2 】和德国的c a s p a r 系统【8 3 】。 为了避免两次手术，九十年代中期，v i a n t 等【8 4 】和h o f s t e r t t e r 8 5 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。后来，b m w n b a n k 8 6 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 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。另外为了保 证手术的安全，英国伦敦帝国理工学院的研究人员研制出一种用于全膝关节置换术的手持 式机器人 8 7 】【8 8 ，叫做a c r o b o t 。术内操作时，这个特制的机器人是装在一个定位设备上 的，由医生引导着进行手术。a c r o b o t 采用动态约束控制以便将刀具的运动约束在预先设 定的范围之内，这样医生就可以安全地对关节骨头进行高精度的切割了。 然而上述绝大部分系统都是基于c t 模型的手术系统，他们不但在术前需要采集病人 的大量c t 图像，对病人造成x 射线辐射伤害，而且由于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。 9 上海交通大学博士学位论文 机器人全膝关节置换术在不断地进化、发展着。最近，l a s k i n 和r i c h a r d 描述了机器 人辅助t k r 中的一些新技术、新概念【8 9 】，尤其是最小侵入外科手术( m i s ，m i n i m a l l y i n v a s i v es u 唱e 叮) 。实现m i s 的一个比较好的途径是采用无c t 的图像导航系统，它通常 基予光学跟踪手术器具，同时配备可视化的骨头