基于医学影像的骨盆骨折复位过程软组织约束个性化建模研究

Fracture reduction is a crucial step in the treatment of pelvic fractures, which has a great impact on the life quality of patients. In order to increase the success rate of pelvic reduction, robot-assisted fracture reduction systems have become a future direction of fracture treatment. However, without the understanding of biomechanics during the fracture reduction, the robot-assisted fracture reduction systems can hardly be applied to the clinical pelvic treatment. This project intends to build a model describing the constraining force of soft tissue during the pelvic fracture reduction, including: acquiring the force and displacement data before and during the pelvis treatment through medical imaging and intraoperative measurement; estimating the load conditions and optimized model by solving “deformation-mechanical properties-constraining force” equation; and establishing a method to build an individuation modeling method based on medical image. The result of this project would be used for the constraining force description in pelvis reduction and helping us have a better understanding of the fracture reduction during the treatment. On the other hand, based on the research results, a mechanical testing platform of pelvis reduction would be built, which would provide a theoretical basis and data support, for the robot-assisted fracture reduction systems development.

骨折复位操作是骨盆骨折治疗中至关重要的一步，对患者的生命健康与生活质量有很大影响。为了增加手术成功率，避免骨盆复位不良，骨折复位机器人系统已成为未来骨折复位技术的发展方向。但是，由于现阶段骨折复位手术研究缺少对骨盆骨折复位过程中复杂的软组织约束力研究，导致已有的骨折复位机器人无法适用于真实的骨盆骨折手术。本项目拟基于医学影象建立骨盆骨折复位过程中软组织约束力模型：通过医学影像与术中测量，采集患者复位过程中力与位移的数据；建立“形变-力学特性-约束合力”的方程组解算并优化软组织力学参数；建立一套基于医学影像的骨折复位过程中软组织约束力个性化建模方法。本项目研究成果将用于描述骨折复位过程中最大约束力和方向等力学因素，加深对骨折复位过程的理解，优化骨折复位手术方案；另一方面，基于研究成果搭建的力学仿真平台，将为骨折复位机器人系统开发奠定重要的理论和技术基础。

为了增加手术成功率，避免骨盆复位不良，骨折复位机器人系统已成为未来骨折复位技术的发展方向。但是，由于现阶段骨折复位手术研究缺少对骨盆骨折复位过程中复杂的软组织约束力研究，导致已有的骨折复位机器人无法适用于真实的骨盆骨折手术。.本研究通过开展临床骨盆骨折复位过程的力学测量，采用一手真实临床数据结合影像信息，建立并优化了骨盆骨折复位过程中的软组织约束有限元模型，并搭建基于弹性系数的物理模型同步开展验证，最终在搭建的有限元模型上通过模拟确认了骨盆骨折复位过程中的辅助弹性牵引、把持方式、骨折复位策略等信息，用于骨盆骨折复位机器人设计和优化。.本项目成果作为骨盆骨折复位机器人的力学基础，对骨折复位机器人的自动复位运动提供了重要指导，项目成果由北京罗森博特科技有限公司进行转化，形成骨盆骨折复位机器人系统产品，该产品为III类医疗器械，除了具有传统骨科手术机器人常规的导航、定位功能外，还具有大负载力位协同的自动复位功能，是全球首个具有骨盆骨折自动复位功能的骨科手术机器人。转化成果于2021年完成注册样机检测，2022年进入NMPA创新绿色通道。于2022年开展全国6中心注册临床试验，累计完成骨盆骨折微创闭合复位手术80余例。