脊柱微创智能手术环境基础问题研究

The application of Minimally invasive spinal surgery(MISS) is limited by some scientific and technology problems, such as the narrowed operational field of vision, the absence of continuous observation of instrument in spine，the lack of objective security for operation and the radiation damage to the surgeon. To solve these problems,the purpose of this proposal focuses on research works to realize instrument realtime positioning in human body, operation process visualization, robot force feedbacking, risk evaluationg and warning..The main scientific problems on building an intelligent environment for MISS include how to fuse the isomerous deformed medical images for positioning the surgery instrument in sufferer body, how to build the multilayer spine model for visualization driven by the realtime data, how to achive transparent force-feedback operation in minimally invasive robotic surgery, how to ensure the safty in spine sergery by intraoperative neurophysiological monitoring. A complete technology architecture will be formed by robot-based integrating the intraoperative instruments location, operation process visualization, force feedbacking operation and neurophysiological monitoring. An integrated prototype system will be developed and some experiments will be done in hospital to validate the achievements..The result of researches can be applied for safer procedure and better efficacy of MISS. With the achievements on this research topic, the development and application of MISS can be promoted with large benefits for economy and society. The achievements can also be benefit for the intelligence， automation, remote operation of the surgery robot.

本项目针对制约脊柱微创手术发展的术野受限、无法连续观察器械体内位置、缺乏客观安全保障、医生辐射累积等问题，深入开展器械体内连续定位、手术过程模型构建及可视化导引、机器人手术力觉反馈、手术安全及预警机制等基础研究工作。重点解决异构变形医学影像融合与体内器械实时定位、实时数据驱动的手术过程可视化多层模型建立、高透明度双向力/位混合主从控制、手术损伤的多模式电生理信号检测与预警等基础科学问题。建立以手术机器人为核心，集成器械实时连续定位、手术过程可视化、力反馈操作、电生理监测等功能的智能手术环境技术体系。构建集成验证系统，开展临床验证试验，为后续应用系统的研发提供技术验证平台。项目研究成果将促进脊柱微创外科手术技术发展和推广，具有广阔的应用前景，社会经济效益明显，为手术机器人向智能化、自动化、远程化的发展提供相关理论基础和关键技术。

本项目研发团队，针对制约脊柱微创手术发展的医生术野受限、无法连续观察手术器械体内位置、缺乏客观安全保障、医生辐射累积等问题，开展了器械体内连续定位、手术过程模型构建及可视化导引、机器人手术力觉反馈、手术安全及预警机制等基础问题的研究，建立了包括器械实时连续定位、手术过程可视化、力反馈操作、电生理监测等功能在内的脊柱微创手术机器人技术体系。.项目团队在图像处理去噪恢复、多模态医学图像配准方法、手术器械连续定位方法等研究内容上，取得了一些创新性理论成果，在国际知名学术期刊和会议上发表了相关学术论文；在复杂手术环境中的动态机器人定位、增强现实的导航、机器人操作力反馈、多模式电生理信号检测与预警方面，取得了技术突破。主要研究成果包括：1）研发了脊柱微创手术规划软件系统，提出了基于GPU的实时处理方法，可辅助医生完成有效的手术路径规划；2）提出了基于稀疏表达的图像去噪恢复算法、基于扩展集员滤波估计的图像配准算法，实现了术前CT影像与术中X光影像的精确配准；3）研发了手术机器人定位、跟踪及基于增强现实的可视化导航系统和主从式力反馈控制系统，提高了手术机器人的定位导航的精度和实时性，为脊柱微创手术提供了可视化的硬软件系统；4）搭建了脊柱微创手术智能化平台和试验验证系统，实现了手术器械连续定位、手术过程可视化、力觉反馈、安全预警等功能。项目团队完成了相关的动物离体/在体及前期临床对比实验，验证了系统和平台的有效性和先进性。. 项目研发团队共发表论文44篇，其中SCI收录期刊论文23篇；申请发明专利10项, 授权发明专利4项。在项目研发过程中，培养博士后3名、工学博士12名、工学硕士12名。. 本项目的成果对于脊柱微创手术机器人向遥操作化、自动化、智能化的发展提供了相关理论基础和关键技术，对医疗机器人和脊柱微创手术技术的发展和应用起到积极的促进作用。