机器人辅助膝关节手术系统设计与术后评价算法研究

摘要

随着以计算机和机器人为代表的信息技术的不断发展,外科手术已进入由生物学、信息学、物理学相互融合的生物智能时代,微创和计算机辅助成为外科手术发展的必然趋势。近几十年来,世界上出现了不少实用的计算机辅助外科手术系统(ComputerAssisted Surgery,CAS)。骨科是目前外科领域中应用新技术、新器械较多的学科之一,计算机辅助骨科手术系统(Compmer Assisted Orthopaedic Surgery,CAOS)是过去十年CAS中发展最活跃的一个分支。
　　 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(TKR,Total KneeReplacement),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,是误差的主要来源。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,可以使手术具有更好的操作精度,提高了膝关节置换手术的质量与成功率。
　　 在现有机器人辅助膝关节手术系统的基础上,本文构建了一套基于视觉导航的手眼式机器人辅助全膝关节手术系统-WATO-Ⅱ。WATO-Ⅱ将红外立体摄像机与刀具固定在机器人末端执行器上,构成手眼式机器人结构。在手术中,WATO-Ⅱ根据红外探针获取的膝关节上生理标志点的位置确定出病体切割平面的准确位置及精确的下肢对线,进而引导机器人完成整个手术过程。大量石膏骨实验和人体尸骨实验表明,WATO-Ⅱ具有很高的手术精度,为该系统进入临床应用打好了良好基础。
　　 在计算机辅助膝关节手术系统中,除了手术系统设计外,另一个重要的内容是术后评价算法的研究。膝关节术后评价包括定量评价膝关节内外侧软组织的对称平衡性,以及定量评价患者术后的膝关节运动模式。目前这类评价主要依靠医生的经验,主观性较强,评价结果缺乏精确性。为了获得合理和准确的术后评价结果,同时考虑到软组织是典型的三维变形体结构,膝关节是典型的三维连接刚体结构,我们提出了一系列基于计算机视觉的变形体和连结刚体三维运动分析方法,为膝关节术后定量评价提供了新的途径。
　　 本文的主要研究成果集中在以下几个方面:
　　 1)设计并实现了符合临床手术要求的WATO-Ⅱ实验系统。在系统架构方面,我们设计了WATO-Ⅱ的系统组成、探针和标志牌结构、刀具结构等。在系统核心算法方面,我们设计了系统标定模块、工具标定模块、手术规划和导航模块；提出了系统摄像机、立体对、机器人手眼一体化标定算法；红外探针标定算法；刀具标定算法；基于生理标志点的股骨、胫骨定位与截骨面计算算法等。WATO-Ⅱ利用膝关节的生理特点,使用立体视觉导航系统,可以进行高精度的股骨定位、胫骨定位及手术切割,使其在临床手术中的应用前景更加明朗；
　　 2)为验证WATO-Ⅱ系统的整体工作性能和手术精度,我们对其进行了大量实验测试,主要包括石膏骨实验和人体尸骨实验。为检验手术效果,我们设计开发了股骨远端外形测试部件用于对截骨面进行定性测量,同时我们设计了使用三维数字化仪的股骨力线测量算法用于对截骨面进行定量测量。大量实验结果表明,WATO-Ⅱ具有很高的手术精度,这为该系统进入临床打好了基础,积累了数据与经验。
　　 3)在使用WATO-Ⅱ系统完成膝关节置换后,需要对手术效果进行定量评价。膝关节内外侧软组织的对称性平衡性对手术效果具有重要影响,这些软组织都是典型的可变形结构,而基于计算机视觉的变形体建模方法由于其所具有的非接触性和准确性,是对术后软组织形变进行分析的有效方法。本文在变形体的三维运动分析方面提出了基于L∞范数和二阶锥规划的双目变形体运动分析方法、基于L∞范数和线性规划的单目变形体运动分析方法,以及基于L2范数的单目变形体运动分析方法。
　　 3)除了膝关节内外侧软组织的对称性平衡性外,全膝关节置换术效果优劣的另一个重要评价标准是判断术后患者的行走模式是否恢复到了正常状态。膝关节由股骨和胫骨通过关节点连结在一起,可以用典型的连结刚体模型对其进行建模。事实上,无论是人体的各个关节还是人体的整个骨骼结构,连结刚体模型都是对其进行建模和运动分析的理想工具。本文在借鉴量子计算和量子进化算法思想的基础上提出了一种新的进化算法--概率进化算法,并在此基础上提出了基于概率进化算法的连接刚体三维跟踪方法。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 计算机辅助手术概述

1.2 计算机辅助膝关节手术系统的研究意义

1.3 计算机辅助膝关节手术系统研究现状

1.3.1 主动系统

1.3.2 半主动系统

1.3.3 被动系统

1.4 膝关节手术的术后评价

1.5 论文的研究内容

1.5 论文结构

第二章 全膝关节置换手术基础

2.1 基本概念

2.1.1 膝关节解剖结构

2.1.2 下肢力线

2.1.3 膝关节假体

2.2 人工全膝关节置换术[51]

2.2.1 股骨手术

2.2.2 胫骨手术

2.2.3 髌骨手术

2.2.4 假体安装

2.3 本章小结

第三章 机器人辅助膝关节手术系统设计

3.1 WATO-Ⅱ系统结构

3.2 WATO-Ⅱ系统标定原理

3.2.1 摄像机内参数标定

3.2.2 立体摄像机标定

3.2.3 机器人手眼标定

3.2.4 系统标定过程

3.3 WATO-Ⅱ工具标定原理

3.3.1 探针标定

3.3.2 刀具标定

3.4 WATO-Ⅱ手术过程

3.4.1 股骨手术

3.4.2 胫骨手术

3.5 本章小结

第四章 机器人辅助膝关节手术系统实验测试

4.1 WATO-Ⅱ手术步骤

4.2 石膏骨实验

4.3 手术误差检测

4.4 尸骨实验

4.5 本章小结

第五章 膝关节术后评价中的变形体运动分析

5.1 变形体三维运动分析研究现状

5.2 背景知识

5.2.1 变形体三维运动分析的数学描述

5.2.2 凸优化与SOCP、LP

5.3 基于L∞范数和SOCP的双目变形体运动分析

5.3.1 特征点对应

5.3.2 形状约束

5.3.3 完整算法

5.3.4 模拟数据试验

5.3.5 真实数据试验

5.4 基于L∞范数和LP的单目变形体运动分折

5.4.1 特征点对应

5.4.2 形状约束

5.4.3 减少未知量维数

5.4.4 初始化

5.4.5 优化初始值

5.4.6 模拟数据试验

5.4.7 真实数据试验

5.5 基于L2范数的单目变形体运动分析

5.5.1 特征点对应

5.5.2 L2范数近似

5.5.3 形状约束

5.5.4 模拟数据试验

5.5.5 真实数据试验

5.6 膝关节软组织重建

5.7 本章小结

第六章 膝关节术后评价中的连结刚体运动分析

6.1 连结刚体三维运动分析研究现状

6.2 量子进化算法[145]

6.2.1 量子位编码

6.2.2 量子进化算法流程

6.3 概率进化算法

6.3.1 PEA中的个体表示

6.3.1 PEA中的观测操作

6.3.2 PEA中的更新操作

6.3.3 PEA算法流程

6.3.4 PEA中的参数设置

6.4 概率进化算法性能测试

6.4.1 测试函数

6.4.2 算法参数设置

6.4.3 计算结果与分析

6.5 基于概率进化算法的三维人体运动分析

6.5.1 基于PEA的人体跟踪框架

6.5.2 人体运动数据

6.5.3 三维人体模型

6.5.4 目标函数

6.5.5 实验结果

6.6 膝关节运动模式评价

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文工作总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文和申请专利情况

致谢

博士期间参与的项目