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《中国人民解放军医学院》 2019年
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创伤骨科机器人系统的应用研究

王锟  
【摘要】:背景机器人在外科手术领域已得到广泛应用,其具有智能、微创、精准等优势。目前,在骨科领域已有多款机器人应用于临床,包括脊柱定位机器人、关节置换机器人、骨折导航定位机器人,但目前在创伤骨科领域能对骨折进行智能化、精准复位的机器人应用极少。基于上述背景,解放军总医院创伤骨科团队联合多家单位研制出了用于长骨骨折复位的机器人系统,该系统集复位机器人、定位机器人、导航系统、双目视觉系统为一体。但前期研究发现问题如下:1.整体系统实验操作时间较长;2.实验精度存在差异;3.各系统布局不合理导致实验中反复调整系统位置;4.手术流程相对繁琐、步骤不明确。目的1.对创伤骨科机器人系统的空间布局合理化展开研究并进行优化,构建创伤骨科机器人系统的合理化空间布局体系。2.基于新的空间布局系统,通过尸体骨标本及尸体实验,全方位优化手术流程,并提出基于该创伤骨科机器人系统的标准化手术流程。为该系统后续开展临床试验研究提供理论基础及临床操作规范。方法1.分析机器人系统各组成部分的物理参数及工作半径,计算出系统的新合理化空间布局。通过尸体股骨标本实验对前面的数据计算结果进行验证。依据视觉系统置于患肢远端并与下肢成的角度进行分组,其中Q1组为视觉系统置于患肢远端并与下肢成22.5°,Q2为0°,Q3组为45°,将15对尸体股骨随机分到上述三组,每组5对,取其右侧股骨作为骨折研究对象,左侧股骨作为镜像配准。对系统获得患侧股骨实时空间位置所需时间进行对比。2.全面分析现有手术流程,将手术流程分为软件操作流程及硬件操作流程。对上述进行优化,依据优化情况将手术流程分为未优化组、软件优化组及软件和硬件同时优化组,通过尸体骨标本实验对每组X线采集次数、时间及复位前配准时间进行对比分析。3.结合空间布局的结果及手术流程优化后的结果进行尸体模拟实验,真实模拟临床手术环境。在实验中总结一套基于此创伤骨科机器人系统的标准化手术流程。结果1.创伤骨科机器人系统股骨千骨折手术中较为合理的空间布局为:①手术床布局:以手术床会阴柱为基准,置于手术室正中心;②复位机器人布局:上平台中点距离手术床会阴柱的距离为L=L0+15cm(L0为健侧股骨长度);③定位机器人的布局:置于患侧髂前上棘和股骨外侧髁连线中点的水平垂线上,离连线中点2的距离为L3≤1.69-(((L_0+5)/2)~2)~(1/2)m;④双目视觉系统的布局:放置于患侧脚端,可与下肢成0°、22.5°或45°,距离髂前上棘和复位平台Marker连线中点1966mm。其中手术床、复位机器人及定位机器人的布局理论上位置相对唯一。双目视觉系统有三个可能的最佳布局。2.新的合理化空间布局平均时间最短且精度最高的是Q1组,平均实验时间为36.80±4.55min。复位精度:轴向位移误差为1.70±0.68mm;侧方位移误差为0.98±0.37mm;旋转角度误差为2.06±0.85°,侧方成角误差为1.84±0.45°,且均明显优于Q2和Q3(P0.05)。3.流程的优化:软件手术流程优化:①软件操作流程中2D/2D配准升级为2D/3D配准。②在导航系统的软件中增加了粗配准后的自动配准功能。硬件手术流程优化:C型臂采集X线顺序从“骨折近端正位——骨折近端侧位——骨折断端正位——骨折断端侧位——骨折远端正位——骨折远端侧位”改变为“骨折近端正位——骨折断端正位——骨折远端正位——骨折远端侧位——骨折断端侧位——骨折近端侧位”。尸体实验结果显示未优化组平均拍摄次数66.00±13.75次,平均拍摄时间为51.33±14.30min,平均配准时间为82.33±22.14min,平均总耗时133.67±27.15min;软件优化组平均拍摄次数33.50±10.61次,平均拍摄时间为 28.50±2.12min,平均配准时间为 23.00±11.31min,平均总耗时 51.50±9.20min;软件和硬件同时优化组平均拍摄次数16.25±3.10次,平均拍摄时间为9.25±2.99min,平均配准时间为 17.25±2.63min,平均总耗时 26.50±1.92min。结论该研究推导了新的创伤骨科机器人系统空间布局,新布局下骨折复位精度较高。在新布局的基础上,将软件及硬件优化,可缩短骨折复位的配准时间和手术时间,减少X线采集次数。总结的创伤骨科机器人系统标准化操作流程图(股骨干骨折)可为后续研究提供参考。
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