基于软硬骨组织生物力学特性的机器人辅助颈椎间盘置换手术磨削机理

Based on the biomechanical properties of cervical soft and hard bone tissue, several key issues of robot-assisted cervical disc replacement surgery are involved in this research, i.e. the biomechanical properties of the surface between cervical disc properties and cervical bone joints, the grinding mechanism of soft and hard bone tissue, grinding model, the trajectory optimization of grinding surgery and so on. In view of the biomechanical properties of cervical vertebrae and its surrounding cartilage tissue, a physical modeling approach is proposed which combines multi-structure, multi-level and various materials. The finite element model of human cervical cartilage and bone tissue is established. The grinding mechanism of the body soft and hard bone tissue is explored witch contains the intrinsic relationship between the grinding speed, depth, stress, force through simulation analysis. The measurable variable relevant to grinding amount is analyzed and determined based on the mechanism. The dynamic model of the grinding process is established using support vector machine. Considering the cervical biomechanical properties and grinding characteristics, grinding trajectory optimization method is provided according to grinding characteristics of hard and soft bone tissue based on the doctor's clinical experience. The cervical disc replacement surgery of live animal is completed to verify the correctness of the proposed model through the disc grinding parallel robot which has been developed by our laboratory. The study provides a solid theoretical basis for robot-assisted cervical disc replacement surgery in the clinical application and promotes the true clinical application.

针对颈椎软硬骨组织的生物力学特性，研究机器人辅助颈椎间盘置换手术中，颈椎间盘假体与椎体骨接合面生物力学特性、软硬骨组织的磨削机理、磨削建模、手术磨削轨迹优化等方面的关键问题。从颈椎椎体、及其周围软骨组织的生物力学特性出发，提出多结构、多层次、多种材料并存的物理建模方法，完成人体颈椎各软硬骨组织的有限元模型的建模。通过仿真分析揭示磨削速度、磨削深度与应力、磨削力之间的内在关系，探讨人体软硬骨组织的磨削机理。在此基础上，分析确定与磨削量相关的可测变量，采用基于支持向量机建模方法，建立磨削过程的动力学模型。考虑颈椎生物力学特性及磨削特性，借助医生的临床经验，提出基于软硬骨组织磨削特性的磨削轨迹优化方法。利用实验室已研制的间盘磨削并联机器人，完成活体动物的颈椎间盘置换手术，验证所提模型的正确性。该研究为机器人辅助颈椎间盘置换手术系统在临床上的应用提供坚实的理论依据，向真正的临床应用迈进一步。

传统的人工颈椎间盘置换手术是使用夹具系统来进行磨削定位，手术精度较低，且具有不确定性，对于重症患者的手术，难度更大。随着机器人、医学影像、生物力学以及材料等相关技术的发展，机器人辅助医疗技术已成为提高医疗技能的一种重要手段。因此，开展专门的骨科机器人手术相关理论和关键技术的研究，不仅能解决目前骨科手术中存在的问题，促进该技术在我国的发展和应用，而且对促进我国高端医疗外科手术技术和器械的发展具有重要的意义。. 为了获得高质量的假体置入配合面，提高置换手术质量，保证手术能够更安全、更准确地实施，课题针对颈椎软硬骨组织的生物力学特性，面向临床应用，研究机器人辅助颈椎间盘置换手术中，颈椎间盘假体与椎体骨接合面生物力学特性、软硬骨组织的磨削机理、磨削建模、手术磨削轨迹优化等方面的关键问题。首先，从颈椎椎体、及其周围软骨组织的生物力学特性出发，提出多结构、多层次、多种材料并存的物理建模方法，完成人体颈椎各软硬骨组织的有限元模型的建模。通过仿真分析揭示磨削速度、磨削深度与应力、磨削力之间的内在关系，探讨人体软硬骨组织的磨削机理。在此基础上，分析确定与磨削量相关的可测变量，采用基于磨削参数建模方法，建立磨削过程的动力学模型。考虑颈椎生物力学特性及磨削特性，借助医生的临床经验，提出基于软硬骨组织磨削特性的磨削轨迹优化方法。利用实验室已研制的间盘磨削并联机器人，完成活体动物的颈椎间盘置换手术，验证所提模型的正确性。. 由于骨科机器人具有“医－工”多领域交叉的特点，涉及多个学科的前沿关键技术，因此，课题的研究对机器人技术和相关学科的发展具有典型的示范性和巨大的带动作用，为机器人辅助颈椎间盘置换手术系统在临床上的实际应用提供坚实的理论依据，向真正的临床应用迈进了一步。