图像三维重建复合逆向工程技术在机器人导航骶髂关节螺钉内固定手术中的应用基础研究

Unstable pelvic fracture is a severe trauma with high morbidity and mortality. Sacroiliac screws internal fixation is the best surgical choice to cure unstable pelvic fracture. But due to the complex structure and deep location of pelvic, the insertion of sacroiliac screws requires extremely high precision. The pre-operative planning of optimal channel and intra-operative surgical navigation for sacroiliac screws surgery will be studied. Personalized optimal channel planning will be achieved based on 3D reconstruction of CT images and reverse engineering technique. The rapid prototype of pelvic with drill guide will be used as intermediate links to achieve intra-operative registration through 3D bony landmarks. Then a surgical robot will be used to realize accurate surgical navigation. Put the former part together will establish an intelligent surgical solution for sacroiliac screws surgery. Finally, cadaveric bone experiments and data envelopment analysis based evaluation will be used to prove the efficiency of this surgical solution. This study will not only provide new intelligent ways and means of minimally invasive treatment for pelvic fracture, but also provide a theoretical basis for the research of image process, intelligent planning, spatial registration and clinical evaluation of CAOS, which is conducive to the popularization and development of CAOS technology.

不稳定骨盆骨折是致残、致死率较高的难治性创伤。骶髂关节螺钉内固定是治疗不稳定骨盆骨折的优选术式，但由于骨盆结构复杂、位置深在，因此对螺钉置入的位置和精度要求极高。本项目将针对骶髂关节螺钉最优通道的术前规划和术中导航问题开展研究，利用CT图像三维重建和逆向工程技术，研究个性化的骶髂关节螺钉最优通道规划方法；利用3D打印的骨盆快速原型作为媒介，通过三维骨性标志点的配准，实现术前规划与术中透视图像的匹配以及基于手术机器人的术中导航；建立起骶髂关节螺钉的智能化手术解决方案。之后再通过尸体骨实验和基于数据包络分析的定量评估方法验证本方案的有效性。本项目的研究不仅能够为骨盆骨折提供新的智能化微创治疗方法和手段，还将为CAOS系统图像处理、智能规划、空间配准、临床评价等方面的研究提供理论依据。

不稳定骨盆骨折是致残、致死率较高的难治性创伤。骶髂关节螺钉内固定是治疗不稳定骨盆骨折的优选术式，但由于骨盆结构复杂、位置深在，因此对螺钉置入的位置和精度要求极高。.本项目针对骶髂关节螺钉最优通道的术前规划和术中导航问题开展研究，利用CT图像三维重建和逆向工程技术，实现了基于术前 CT 图像的骨盆的三维重建和虚拟复位，在VTK可视化环境中实现了基于Spin image和ICP等算法的骨盆骨折虚拟复位方法，复位效果良好，为计算机辅助骨盆复位奠定了坚实的理论基础；完成了标准3D图像处理及骶髂关节手术3D导航模板制作流程的建立，并完成了一种个体化骶髂关节螺钉几何最优通道的规划方案，实现自动化、定量化、最优化的螺钉通道规划，探索出了一条骶髂关节螺钉的最优通道智能化计算方法，降低对术者手术经验的需求，实现了骶髂关节更稳定可靠的固定，为相关手术导航提供了理论依据；实现了基于三维骨性标志点和双平面算法的空间配准，实现了术前ct和术中图像的准确定位，可用于指导术中机器人导航，增加了机器人导航在骨盆复位手术应用的精确性和安全性。.本项目的研究不仅能够为骨盆骨折提供新的智能化微创治疗方法和手段，还将为CAOS系统中图像处理、智能规划、空间配准、临床评价等方面的研究提供理论依据，带动CAOS 技术的普及和发展。