基于生物接骨理论的复位机器人系统研究

Fracture treatment effect is closely related to reduction procedure. Biological osteosynthesis and computer-assisted orthopeadics are new technology with rapid development in recent years. However, accuracy defects of biological osteosynthesis and bio-security monitoring failures of computer-assisted technology have been the main obstacle to the application of the two technologies. 3D data of body contralateral is introduced in this project for the first time to build a template for functional reduction of fracures. We also optimise icp algorithm with fuzzy theory to build a reduction criterion with great quickness and precision. We build a nerve and blood vessel rolerance model based on the graphy theroy with medical engineering and finite element method and path optimization algorithm in line with collision theory to quantify the biological osteosynthsis. On this basis, we use robitics to develop the fracture reduction platform to realize precise reduction procedure; we use sensor technology to detect a variety of surgical information like blood flow、 EMG、 position and force to provide accrute guidance for reduction procedure; we use buile a control strategy of multi-imformation fusion with force and position control to realise security monitoring of the reduciton procedure. We would provide new theoretical and technical support for the application of quantified biological osteosynthesis in robot-assisted orthopeadics through mechnism exploration and technical expansion and application of this project.

骨折复位操作与治疗效果密切相关，生物接骨技术和计算机辅助骨科是近年来迅速发展的新技术。但生物接骨的精度缺陷和计算机辅助复位的生物安全监控缺失，成为两种技术应用的瓶颈。本项目首次采用人体健侧的三维数据，构建基于生物理论的骨折功能复位模型，并利用模糊理论优化icp算法，建立快速、精确的功能复位操作标准；采用医学工程实验和有限元计算，建立基于图论的神经血管容受度模型。提出基于碰撞理论的路径优化算法，实现量化的生物接骨治疗。在此基础上，采用机器人技术，研制骨折复位平台，实现精准的复位操作；采用传感技术，检测血流、肌电、位置、力等多种手术信息，为复位控制提供准确指导，并采用力位控制方法，建立多信息融合的控制策略，实现复位操作的安全控制。通过该项目的机理探索及技术的拓展应用，为量化生物接骨技术在机器人辅助骨科的应用提供新的理论和技术支持。

智能、微创、精准、个性化的骨科手术已经成为未来骨科最重要的发展方向之一。国内外骨科手术机器人在最近10余年获得了飞速发展，国外已经有诸多商业化产品上市销售，如关节置换机器人Think和Mako Plasty，Mazor公司脊柱手术机器Renaissance等，经大量临床实验证实具有显著优势和确切临床疗效。但是，国内外目前尚未有任何一款复位机器人获得批准上市销售，原因在于其研究难度较大。课题组在国家自然科学基金的资助下，历经4年，创新了骨折复位理论，引入ICP配准算法，整合生物接骨理论，突破机器人硬件构型设计，成功完成预定任务，研制出复位手术机器人硬件和配套导航软件系统。.研究内容主要包括：复位机器人构型的优化研究；基于健侧骨镜像的复位配准策略研究；最优复位路径规划研究；骨折周围血管神经容受度分析和安全手术界面分析；医学图像处理和三维重建技术研究；基于光学的导航策略的研究；长骨骨折典型临床手术解决方案和手术流程研究。.重要结果：研制出优化后的复位机器人硬件样机；研制出复位机器人配套软件，具有DICOM图像处理、分割、三维重建、基于健侧骨镜像的ICP配准、实时光学导航、友好人机交互界面等功能和特性。建立了新式骨折机器人分型CAOS-F，完成了最优骨折复位路径规划；通过模型骨、动物骨、临床实验，验证了复位机器人系统的基本性能、安全性、有效性、稳定性；制定了下肢骨折机器人手术解决方案和手术流程规范。.复位机器人具有6自由度，复位长度误差小于1.2mm，角度误差小于3°，复位力量大于70Kg，复位操作空间大于200mm×200mm×200mm。.复位机器人相比医生具有更高的稳定性、可重复性、精确性、抗疲劳特性，经过进一步深入研究和优化，可辅助医生完成难度更高甚至是既往属于“手术禁区”的骨科手术，从而带来巨大的医疗、社会、经济效益。