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计算机辅助骨科手术在创伤骨科中的应用
目前,我国计算机辅助骨科手术(CAOS)的应用中,比较成熟的项目主要有人工髋和膝关节的置换、重建膝关节位置的交叉韧带以及植入椎弓根,可是CAOS在四肢骨折方面的应用还不太成熟.本文主要分析CAOS在创伤骨科中的具体应用现状,同时提出相应的手术注意事项和展望.CAOS的微创化进程具有非常重大的意义以及实际应用价值,需要对有关问题进行有效的处理,使其能够更好地发展.
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主从式长骨骨折复位机器人的实验研究
目的 对新近开发的主从式长骨骨折复位并联机器人的精确度及可操作性进行评估,并对实验数据进行统计学分析.方法 利用长骨骨折复位并联机器人作为复位的主体部分(从手),并安装在骨科手术床上,将远近端环形架连接在折断的长管状骨上.系统的操作部分(主手)同为一并联结构.术者通过操纵主手,经由主手与从手间的有条件映射控制器对从手进行同步操作,实现对骨折的复位,并用统计学方法对复位精度、操作次数进行单因素方差分析.结果 三位术者在操控机器人复位精度上没有显著性差异(P＞0.05),在直视下比通过显示器观测使用更少的操作次数(P＜0.05).结论 该机器人系统能够满足复位精度要求,减少成像设备的频繁使用,降低医生工作强度,操作学习曲线短,为长骨骨折的复位提供了一个有效的方法.
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计算机辅助骶髂关节螺钉优通道自动规划技术研究
目的 经皮骶髂关节螺钉内固定是治疗骨盆骨折的重要手段,由于骶髂关节周围解剖结构复杂,骶髂关节螺钉的误置容易损伤重要血管和神经.手术机器人以其高精度、稳定性好、安全度高的特点,越来越多的运用在经皮骶髂关节螺钉手术中.但目前的手术机器人只能解决精确定位问题,手术规划仍然依赖医生手动完成.本研究旨在基于数字建模与几何规划,研究个性化的骶髂关节螺钉优通道自动规划方法,实现自动化、定量化、优化的螺钉通道规划.方法 将14套骶髂关节螺钉术后骨盆CT导入Mimics 17.0中,分割出骨盆模型用于自动规划;计算术后螺钉位置,作为手动规划结果进入对照组.将骨盆模型导入自动规划模块,手工指定螺钉通道起点和终点的种子点,自动生成起点和终点点阵,联接任意起点和终点构成一条螺钉通道.遍历所有螺钉通道,以体素模型布尔运算的方法筛选出完全位于骨性结构中的通道作为安全通道,再定义通道周围表面点到通道中心线的短距离为通道安全度,选出安全通道中安全度高的一条作为优手术规划.结果 对比实验中,10例S1骶髂关节螺钉自动规划安全度为6.339 mm±1.499 mm,优于手动规划安全度2.482 mm±1.571 mm,差异有统计学意义(P<0.001);10例S2骶髂关节螺钉自动规划安全度为5.777 mm±1.250 mm,优于手动规划安全度1.784 mm±1.531 mm,差异有统计学意义(P<0.001).S1骶髂关节螺钉自动规划优良率为100％,手动规划优良率80％;S2骶髂关节螺钉自动规划优良率为100％,手动规划优良率60％.结论 实验结果表明本研究提出的自动规划方法能够实现个性化的骶髂关节螺钉优通道自动规划,规划结果明显优于手动规划,为骨科手术的自动规划方法研究提供了新的思路.
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术中透视图像质量对双平面定位算法精度的影响
目的 术中透视图像作为计算机辅助骨科手术(computer assisted orthopedic surgery,CAOS)系统重要的源头数据,其质量水平对系统定位精度有显著影响.本文定量研究四种典型图像质量参数对双平面定位算法精度的影响.方法 使用带有钢珠的标尺作为实验对象,用高精度数字放射平板采集高质量基准图像,通过定量化的人为干预来降低图像质量.使用降低质量后的透视图像作为算法输入,通过双平面定位算法得到靶点位置坐标,与测量得到的真值进行比较,得到定位误差数据.然后使用蒙特卡洛方法分析图像随机误差对定位算法精度的影响.结果 相关性分析发现图像分辨率和图像畸变与定位误差有显著相关性,对比度和信噪比对定位误差影响不显著.蒙特卡洛分析发现,[-10,10]像素的随机图像误差,可导致(11.65±9.06) mm的定位误差.结论 术中透视图像质量会显著影响空间定位精度,其中分辨率和图像畸变对定位误差有显著影响,对比度和信噪比影响相对较小.因此在保障手术精度的前提下制定合理的术中透视图像质量标准,对于提高CAOS系统定位精度有重要意义.
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一种新型计算机辅助全膝关节置换手术系统:华佗(WATO)
目的 评估计算机辅助骨科手术(CAOS)系统--华佗(WATO)系统的操作精度,并进行临床应用前的检测,为系统改进和临床使用提供实验依据.方法 本研究包括假骨切割和尸体膝关节切割两部分,实验组使用WATO系统作为术前规划和股骨、胫骨的定位工具,根据定位过程中确定的参考力线,驱动机器人做精确的截骨;对照组由高年资关节外科医生使用常规手术工具进行截骨.截骨结束后比较测量力线和规划的理想下肢力线的偏角,并进行统计学分析.结果 实验组使用WATO系统切割了200根假骨,平均偏角为0.98°±1.17°(0°-5.3°),对照组使用标准全膝关节置换工具切割了30根假骨,平均偏角为2.09°±1.96°(0.1°～7.1°).两者平均偏角比较差异有统计学意义(P<0.01).实验组使用WATO系统进行5具尸体膝关节的截骨,平均偏角为1.44°±0.52°(0.9°～2.3°),对照组使用标准全膝关节置换工具进行5具尸体膝关节的截骨,平均偏角为4.38°±2.72°(1.1°～7.9°).两者平均偏角比较差异有统计学意义(P<0.05).结论 WATO系统与传统全膝关节置换术相比具有良好的准确性和稳定性,有望在将来的临床使用中辅助关节外科医生实现更好的术后力线重建.
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关键词：
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计算机辅助股骨干骨折治疗研究进展
股骨干骨折的治疗经历了从保守治疗到切开复位钢板固定,再到微创闭合复位髓内钉内固定的过程;但目前认为是金标准的髓内钉内固定术仍然存在着术中医生和患者的辐射及旋转畸形等问题;计算机辅助骨科手术的出现,凭着智能、微创、精准等基本特性,有力地改善了传统骨科手术损伤大、辐射量高、操作不精确等不足,必将展现出巨大的应用价值.
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快速成型技术在复杂肱骨近端骨折治疗中的应用研究
目的：通过与常规手术比较，探讨快速成型技术在复杂肱骨近端骨折手术治疗中的可行性和临床应用价值。方法：选择2012年9月-2014年6月间医院收治的27例复杂肱骨近端骨折（Neer三部分及四部分）临床患者（研究组13例，对照组14例），研究组患者进行CT扫描，将所获DICOM数据运用Mimics软件数据进行建模处理，再应用快速成型技术打印三维骨折模型，用于明确诊断及制定个性化手术方案，模拟手术过程，并按规划实施手术，术后对两组患者手术操作时间、术中出血量、术中透视次数、骨折愈合时间、肩关节Constant评分等进行统计学分析，并与术前规划在钉板系统位置、长度等方面进行比较。结果：快速成型所获得的肱骨近端骨折三维模型，可直观展现及任意方位观察骨折移位的方向、程度，用于手术前诊断、医患沟通、手术规划设计、数据测量、预选内固定物及模拟手术效果。本组27例均获随访，随访时间6-18个月。两组骨折愈合时间无明显差异（P＞0.05）。研究组的手术操作时间、术中出血量、术中透视次数低于对照组，而肩关节Constant评分高于对照组（P＜0.05）。结论：快速成型技术应用于复杂肱骨近端骨折的治疗临床可行性良好，通过该技术获得的肱骨近端骨折模型可清晰展示骨折情况，利于明确骨折分型，判断骨折损伤程度，有助于手术团队对复杂肱骨近端骨折的理解和术前手术方案的制定，便于医患沟通，可降低医患纠纷风险、提高手术效果、减少术中损伤。
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长骨骨干骨折复位机器人研究现状与展望
介绍了长骨骨干骨折复位治疗方法的发展及存在的不足,按照复位装置的结构特点分别从基于Stewart平台以及其演变结构的并联式复位机器人系统、基于工业机器人的串联式复位机器人系统和自主设计结构及控制方式的复位机器人系统3个方面阐述了国内外长骨骨干骨折复位机器人相关技术发展和实验进展情况,分析了长骨骨干骨折复位机器人的复位执行结构模型和相关图像处理及导航技术的新进展,指出了长骨骨干骨折复位机器人未来可向发展多模态示踪导航系统、设计更加科学的复位结构模型、控制单元与执行单元分开、改变供电模式、实现多种工作模式、进行模块化设计几个方向发展.
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计算机辅助技术在骨关节疾病中的应用
背景:以往采用二维图像资料如X射线片、CT、MRI扫描等进行骨关节病手术设计,在反映骨关节病变严重程度、病变位置和畸形情况等方面不全面、欠准确,而且缺少直观性.目的:研究计算机辅助设计和快速成型技术辅助骨关节伤病手术治疗的新方法.方法:按反求工程的基本原理,采用医学CT/MRI扫描获取106例骨伤病患者骨骼二维图像资料,采用计算机辅助三维重建建立骨、关节解剖模型,将骨、关节解剖模型输入CAD软件进行精确分析,进一步采用快速成型技术制作骨关节原型进行实物原型分析,然后将骨关节解剖模型输入计算机进行外科手术过程设计、预演,选择合适的内固定材料,计算机辅助设计、快速成型技术制作外科手术辅助模板、个性化植入物等,后精确实施骨关节外科手术.结果与结论:31例骨关节畸形患者术后恢复良好的解剖外形和功能;17例前后交叉韧带损伤患者术后膝关节功能良好;31例骨折患者术后3～6个月获得骨折愈合;7例个性化假体和8例内固定重建肿瘤切除后骨缺损患者,随访期间未发现内固定器械断裂、假体松动和肿瘤复发;12例髋臼发育不良患者术后恢复正常髋臼包容和良好髋关节功能.提示计算机辅助技术可应用于骨关节畸形精确数字化矫形,设计个性化假体,辅助前后交叉韧带重建,疑难假体置换,辅助特殊疑难骨折、关节内骨折、陈旧性骨折复位、固定,骨肿瘤的个性化切除设计、结构与功能重建.
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计算机辅助骨科手术在创伤骨科的应用
本文从CAOS的原理入手，通过脊柱方面、关节方面和四肢骨折方面，详细的阐述了计算机辅助骨科手术在创伤骨科中的应用，并提出CAOS的注意事项以及对未来的展望。在当前的CAOS应用中，已经较为成熟的项目有人工髋、膝关节置换以及膝关节交叉韧带的重建和椎弓根植入，而在四肢骨折方面，CAOS技术尚未成熟，但其优越性已经显现出来。目前CAOS 正在进一步的高速发展，我们要注意客观的评价和分析，在发展的同时不断完善，同时强调CAOS的辅助功能和医生的主导地位，不颠三倒四，抓好微创观念，才能使其更好的发展。
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计算机导航在人工全膝关节置换术中的应用
近十年来,随着电子计算机技术的飞速发展,骨科手术学进入了一个崭新的研究领域--计算机辅助骨科手术, 亦称为计算机手术导航.该技术是将空间导航技术、计算机图像处理技术与医学影像技术及机器人技术的结合.
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骨科机器人及导航技术研究进展
随着微创外科技术、精准医疗的不断发展,骨科机器人及其导航技术引起了人们的广泛关注.凭着智能、微创、精准等基本特性,骨科机器人在应用中展现出巨大的应用价值,有力地改善了传统骨科手术损伤大、辐射量高、操作不精确等状况.骨科机器人从早期的基于工业化机器人改造逐渐发展为专用骨科机器人,体积由大到小,功能由简单到复杂,智能化程度不断提高,甚至实现了远程遥控操作.骨科机器人的操作离不开导航技术的引导,各种导航技术不断涌现,产生了基于CT、2D透视、3D透视、无图像、超声、电磁等导航系统,以及多模态导航.由此,本文主要对骨科机器人及其导航技术的基本特征、分类进行总结.
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术前计划在脊柱微创手术机器人椎弓根螺钉置入操作中的价值探讨
[目的]探讨术前计划在脊柱微创手术机器人椎弓根螺钉钻孔中的应用价值,总结应用经验,优化系统的结构设计.[方法]实验牛脊骨标本16具,随机分为两组.术前对实验组牛脊骨标本(8具)拟进钉平面进行横断面CT扫描,测量左右椎弓根螺钉术前计划进钉角度、进钉点与棘突的间距,术中应用C型臂标定牛脊柱标本各个椎体与机械臂钻头的相对位置,应用脊柱微创手术机械人系统按照术前计划进行椎弓根螺钉置入前的钻孔操作.对照组牛脊骨标本(8具)术中直接在C型臂X线透视下应用脊柱微创手术机器人进行椎弓根螺钉的钻孔操作.记录系统连接平均建立时间,每个钻孔平均操作时间,透视次数及累计透视时间.术后行CT扫描,评估两组克氏针的位置情况.[结果]系统连接建立时间平均为(351.7±24.9)s.实验组与对照组每个钻孔操作平均时间为(89.5±6.1)s与(447.5±90.7)s,术中X线平均透视时间为(2.9±0.8)s和(11.5±3.8)s,平均透视累计时间为(2.9±1.0)s和(11.1±3.2)s.各指标差异均存在明显统计学意义(P=0.000,t=-11.143; P=0.000,t=-6.243;P=0.000,t=-7.002).术后CT评估,实验组克氏针完全位于椎弓根内68枚,手术操作成功率达到85.0％.对照组克氏针完全位于椎弓根内63枚,手术操作成功率达到78.8％.两组准确率差异无明显统计学意义(x2=1.053,P=0.412).[结论]通过术前计划,应用脊柱微创手术机器人系统进行椎弓根螺钉钻孔操作,手术时间、X线累计透视时间都明显缩短,术前计划在脊柱微创手术机器人椎弓根螺钉钻孔操作中具有重要的临床应用价值.目前脊柱微创手术机器人的研制仍然处于初级阶段,值得进行更加深入的研究完善.
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基于 CT 的主动红外线光学导航系统精确度影响因素分析
目的：探讨常见临床因素对基于CT的主动红外线光学导航系统精确度的影响。方法将模拟人腰椎（ L1～L5）的Sawbone模型骨俯卧位固定，于同一椎体模型（本实验选用L2）表面的不同位置紧密嵌入4个钛合金标记点（简称钛点），完成点对点注册过程。采用导航软件记录每个节段位于棘突及双侧横突3个钛点的临床精度，观察手术床状态（升高或降低、头高位或头低位、左倾位或右倾位）、摄像头与示踪器的距离（100、125、150、175 cm ）以及无影灯照射对该导航系统精确度的影响（临床精度数值越大，表明精确度越差）。结果与初始位置比较，手术床升高或降低、头高位、右倾位时临床精度均升高，P均＜0．05；头低位、左倾位时临床精度均无明显变化，P均＞0．05。手术床状态改变后恢复初始位置，其临床精度与初始位置比较，P＞0．05。摄像头与示踪器的距离对配准用椎体L2的临床精度无明显影响（P均＞0．05）。 L1、L3、L4、L5的临床精度随着摄像头与示踪器距离的增大而升高，多组间比较P均＜0．01。与关闭无影灯比较，开启无影灯后L1和L5的临床精度均升高，P均＜0．05；L2、L3、L4的临床精度无明显变化，P均＞0．05。结论手术床状态改变、摄像头与示踪器的距离过远以及无影灯的开启均会影响主动红外线光学导航系统的精确度。
关键词： 计算机辅助骨科手术 脊柱 主动红外线光学导航系统 精确度 -
计算机辅助骨科手术在创伤骨科的应用
目的:研究计算机辅助骨科手术(CAOS)在创伤骨科中的实际应用,讨论分析其具体意义.方法:观察分析CAOS在创伤骨科中的基本原理、应用操作及相关问题,分析对应的解决策略,总结其实际意义.结果:当前,随着科技发展和信息技术的普及,CAOS 在创伤骨科的应用已经显示出其较为显著的优越性,但是具体应用及相关技术尚未成熟,操作程序有待进一步提高和完善.结论:计算机辅助骨科手术在创伤骨科中具有明显的应用意义,它的更高价值有待研究人员继续开发和实践,以促进CAOS更好的应用于创伤骨科等医疗领域.
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计算机辅助带锁髓内钉固定胫骨骨折全程规划手术系统的实验研究
目的 评价计算机辅助带锁髓内钉固定胫骨骨折全程手术规划系统的有效性及临床可行性.方法 在分析系统结构和操作流程的基础上,利用塑料胫骨模型(9根)和尸体胫骨(12具下肢肢体)进行基于C型臂透视图像的术中骨折肢体图像拼接、骨折闭合复位及髓内钉置入仿真测量实验;利用胫骨模型及尸体胫骨进行图像拼接精度分析,以验证图像拼接与规划模块的正确性.利用尸体胫骨进行计算机辅助骨折闭合复位试验,分析骨折复位机构模块的操作可行性.结果 图像拼接模块只需术中采集7～10张有效的C型臂图像即可拼接出下肢长骨的全景图像,为采集图像所需的术中透视时间为(19.75±0.61)s;计算机进行X线透视图像采集和拼接总时间为(4.17±0.86)min;塑料模型拼接精度达(1.26±0.76)mm.结论 该系统实现了基于C型臂拼接图像的计算机辅助胫骨骨折髓内钉内固定全程手术规划,术中可完成骨折复位图像分析、手术规划、虚拟仿真,髓内钉型号选择以及骨折复位等关键操作,为计算机辅助骨科手术系统治疗长骨骨折搭建了精确、安全、稳定的软硬件技术平台.
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双平面骨科机器人系统辅助骶髂关节螺钉置入的实验研究
目的本研究应用双平面骨科机器人系统进行尸体骨骨盆骶髂关节螺钉置入的实验研究,评估该系统的安全性和有效性.方法双平面骨科机器人系统是由北京航空航天大学和北京积水潭医院联合开发的一种基于术中X线图像的手术导航系统.在该系统辅助下对4具尸体骨骨盆进行骶髂关节螺钉置入,共12枚空心钉,均置入S1.作为对比,由同一位医生操作,应用传统方法在C型臂透视控制下对模型骨盆进行骶髂关节螺钉置入,同样为12枚空心钉.记录从采集图像到置入空心钉导针所需透视的次数、透视累计时间及操作时间,并进行统计学分析.置入骶髂关节螺钉后,通过目测、透视和锯开骶骨直接测量的方法检查螺钉的位置.结果在机器人导航辅助下,置入一枚导针的平均透视次数是2.5次,平均透视累计时间为1.5 s,平均操作时间为253 s;12枚骶髂关节螺钉均在安全区内.在透视控制下徒手操作,置入每枚导针的平均透视次数是20.3次,平均透视累计时间为13.7 s,平均操作时间为246 s;12枚骶髂关节螺钉中,两枚螺钉误置.应用双平面骨科机器人系统辅助操作的透视次数和透视累计时间少于徒手操作,二者差异有显著性意义(P＜0.05).而操作时间二者差异无显著性意义(P＞0.05).结论双平面骨科机器人系统为骶髂关节螺钉置入提供精准的空间定位和稳定的路径导航,而这一切都在短短的数分钟之内完成,具备极好的安全性和高效性,并使患者和医生受到的X线照射量显著减少.目前的应用结果鼓舞我们进一步的临床实验应用.
关键词： 计算机辅助骨科手术 双平面骨科机器人系统 骶髂关节 螺钉 -
双平面骨科机器人系统辅助股骨颈骨折空心螺钉内固定术的实验研究
目的应用双平面骨科机器人系统进行模型骨股骨颈空心螺钉内固定的实验,通过对空心钉导针置入平行度的计算、导针的位置和术中所需X线透视时间来评估该系统的准确性、安全性和有效性.方法双平面骨科机器人系统是由北京积水潭医院和北京航空航天大学联合开发的一种基于术中X线图像的手术导航系统.对5例Synbone模型股骨颈内置入15枚空心钉导针,每例3枚.测量每例任意两枚空心钉导针入点处和出点处距离,用其差值与股骨颈内导针长度的比值(P)来评价导针的平行程度,观察导针在股骨颈内的位置,记录术中X线透视时间,并与12例常规手术中空心钉导针置入X线透视时间及透视次数进行比较.结果 P值为0.003 7～0.018 1,即在100mm的导针长度内,大平行偏差小于2 mm.使用机器人辅助系统的X线透视时间为2.32 s,平均照射次数为4.4次.常规手术中的X线透视时间为28.30 s,平均照射次数为54.3次.结论双平面骨科机器人系统为股骨颈空心钉导针的置入提供精准的空间定位和稳定的路径导航,同时极大地减少了术中医护人员的X线照射时间,便于临床应用.
关键词： 计算机辅助骨科手术 双平面骨科机器人系统 股骨颈骨折 空心螺钉 -
计算机辅助骨科手术的应用和进展
计算机辅助手术(CAS)是近年来在外科手术领域发展为迅速的一个领域.CAS在骨科手术中的具体应用被称为计算机辅助骨科手术(CAOS).CAOS的含义是利用当今医学领域的先进成像设备如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、数字血管减影(DAS)、超声成像(US)以及医用机器人(MR)所得到的多模图像数据,在计算机的帮助下,对医学图像信息进行处理并结合立体定位系统,对人体骨骼的解剖结构进行显示和定位,并由计算机规划手术路径,制定合理、定量的手术方案,进行术前手术模拟,在适当的图像监视和立体定位系统下,利用一定的导引系统,在骨科手术中使用计算机和医用机器人进行手术干预,为骨科医生提供强有力的工具和方法.CAOS在提高病灶定位精度,减少手术损伤,执行复杂外科操作,提高手术成功率方面有卓越的表现,配准和定位是CAOS的核心技术.CAOS已应用在脊柱外科、人工关节置换术、创伤骨科、骨肿瘤治疗中.
