刘永刚[1]2011年在《骨折分类叁维数字化模型的建立及其在虚拟手术中的应用》文中认为研究背景分类是人们认识自然规律的基本逻辑方法之一。一个优秀的骨折分类系统能够准确地描述骨折特征,使大量繁杂的各种骨折资料条理化、系统化,指导治疗或干预治疗方法的选择,预测治疗效果,成为教育和培训的工具。传统的骨折分类依据的是X线片,参照骨折分类的文字叙述和平面骨折图谱。然而骨折本身是叁维立体的,而X线片、骨折图谱是二维平面的,需读片者具有一定的空间思维能力。在把二维的骨折影像资料和平面图谱还原为叁维的立体图像时,可能会出现偏差。目前获得叁维的影像资料已经比较容易,然而骨折分类的参考工具——骨折图谱却仍然是二维平面的,我们拿着叁维的图像去对照二维的骨折分类图谱,来确定具体骨折的分类,显然已经不合时宜了。因此,建立一套叁维的骨折图谱是必要的。数字医学是一门以医学和数字化高新技术相结合为主要特征,涵盖了医学、生命科学、电子信息学、机械工程学等多种学科的一门新兴的医工交叉学科。当前数字骨科学的研究主要包括叁个方面：数字骨科解剖学、数字骨科手术学和骨科虚拟教学。建立数字化的骨折分类模型数据库是数字骨科手术学的重要内容之一。骨折分类的目的是描述骨折特征、反映损伤程度、指导治疗或干预治疗方法的选择、预测治疗效果。对骨折进行正确分类是选择治疗方法的前提之一。骨折分类模型数据库的建立也是开展虚拟手术培训的基础之一,可以使虚拟手术培训更加规范化、程序化和标准化。建立骨科虚拟仿真系统是目前数字骨科学研究的热点之一。虚拟现实技术在虚拟手术中的应用是最活跃的领域,可以帮助完成手术,进行术前规划和模拟手术过程。外科手术培训是一名外科医师成长的重要环节。传统的创伤骨科手术培训主要是在尸体标本和患者身上进行,数量有限,重复性较差,动手机会少。所以,寻求一种接近真实的、不受数量限制的、可以反复操作的手术培训方法是有重要意义的。虚拟手术是利用各种医学影像数据,利用虚拟现实技术在计算机中建立一个虚拟的环境,使用者借助虚拟环境中的信息进行手术术前计划、手术训练,以及在实际手术过程中进行引导的新兴学科。在虚拟的培训环境中,医师沉浸于虚拟的场景内,对培训内容的叁维结构进行漫游观察,通过视、触、嗅、听等感知并学习各种实际操作技术动作,从而使医学生或年轻的医师快速成长。手术培训的一个重要的要求是达到培训的规范化、程序化和标准化。创伤骨折的表现多样、种类繁多,手术方法和内固定的选择也是差异显着。如何使年轻的医师快速、正确地掌握手术方法和内固定物的选择是医师成长的重要内容。利用骨折分类系统,医生可以根据骨折的分型对手术入路、复位方法以及内固定物的选择做出相应决定,因此,将骨折分类系统引入创伤骨折虚拟手术的培训有利于培训标准化的建立。目的1、建立一套叁维数字化的骨折分类模型,为医学教学和临床骨折分类提供一种新的、有益的工具。同时,叁维数字化骨折分类模型库为进行数字骨科手术模拟打下基础。2、建立骨折手术相关的手术器械和内固定物叁维数字化模型,满足虚拟骨科手术的需要。3、建立骨折分类虚拟手术系统,为骨科手术培训提供一个新的平台,并且使手术培训更加规范化、程序化和标准化。同时也为临床手术前的规划和医患沟通提供一种新的工具。方法1、骨折分类叁维模型的建立。选取3名志愿者,志愿者1,男性,35岁,身高171cm,体重70kg；志愿者2,男性,42岁,身高175cm,体重73kg；志愿者3,女性,32岁,身高165cm,体重58kg。行Lightspeed 16排螺旋CT扫描,扫描参数：电压120～140kV,电流强度240～300 mA,螺距1.375～1.75mm,矩阵512×512,扫描层厚7.5mm,重建层厚0.625mm。扫描获得的图像以DICOM格式进行存储并刻录到CD-ROM光盘上。然后将DICOM格式的图像导入Mimics 10.01软件,导入的图像信息包括骨骼及软组织,利用图像分割功能把目标骨骼从图像中单独分割出来,对目标骨骼进行叁维重建,并进行平滑处理,依据相关骨折分类的文字叙述及平面示意图,利用软件的切割等功能模拟出各型骨折的骨折线和移位等情况,根据骨折的特点可以对各骨折块进行移动、旋转、透明化等操作,并可以对各骨折块分别标以不同的颜色。使用截图软件对各型骨折从前、后、内、外等侧面进行截图保存,并给予适当排列,以便于观察,利于和二维图谱进行比较。利用软件的影片输出功能,分别浏览每型骨折的360。旋转短片,并以.avi格式保存。2、手术器械和内固定物模型的建立。对于结构比较简单的手术器械和固定物,如导针、套筒、钻头、骨膜剥离器、骨凿、骨刀、松质骨螺钉、垫片等器械,使用游标卡尺测量器械的数据,在UG4.0软件中,利用建模模块中的特征操作、成型特征功能以及使用草图功能,依据原始测量的数据进行手术器械的叁维建模。对于结构复杂、设计精细的手术器械,比如锁定加压钢板、锁定螺钉等,不易手工测量或者测得的数据容易产生误差,则采用3DSS双目系列叁维光学扫描仪扫描,获得点云数据,导入软件,将点云数据网格化,建立器械的叁维模型。建立的叁维器械模型可根据不同的需要进行一定程度的简化或渲染以满足特定的要求。3、骨折分类虚拟手术系统的建立。骨折模型和器械模型均以STL格式导出,然后导入FreeForm Modeling System中,运用力反馈设备,进行虚拟骨折手术模拟。利用FreeForm Modeling System的GHOST开发出虚拟切割和骨折复位固定的软件,然后利用力反馈设备PHANTOM,对手术器械和骨折块进行操纵,模拟器械组装、钻孔、螺钉拧入,骨折复位、植骨等动作,完成骨折复位、内固定等手术操作。每型骨折各建立了一个骨折分类虚拟手术系统,使用者可以根据骨折的特点决定手术方案、选择内固定物,在虚拟系统中进行反复的操作练习。结果1、建立了全身骨骼骨折常见分类的叁维可视化仿真模型。叁维骨折分类模型形态逼真,立体感强,骨折模型可以放大和缩小,可以进行透明化处理,并可从任意角度旋转观察。由于各骨折块用不同的颜色表示,骨折线和移位情况容易判断。每型骨折均可从多个侧面进行截图、保存,并按一定的次序排列,以便于观察、理解,并有利于和传统的线条二维图谱相比较。每型骨折相对应的影片可以360。旋转观看,动态、立体地观看骨折情况,并可反复播放。与传统的二维图谱相比,叁维图谱有很多特点和优势。2、骨折分类数字模型具有形态逼真,立体感强等特点,并可导入虚拟手术系统中,通过PHANTOM可以随意操纵各骨折块进行手术操作,能够满足骨折分类虚拟手术的操作要求。建立的骨折分类手术相关的手术器械和内固定物叁维数字化模型形态逼真,立体感强,颜色、尺寸与真实器械基本一致。通过PHANTOM可以随意操纵各手术器械和内固定物进行手术操作,能够满足骨折分类虚拟手术的操作要求。3、本研究建立的骨折分类虚拟手术系统的硬件设备为SensAble Technologies公司开发的具有力反馈功能的交互设备、具有触觉反馈的虚拟手术系统PHANTOM Desktop、1.6MHz计算机以及显示设备等组成,并利用FreeForm Modeling System的GHOST开发出虚拟切割和骨折复位固定的软件,然后利用力反馈设备PHANTOM,对手术器械和骨折块进行操纵,模拟骨折复位、内固定等手术操作。在FreeForm Modeling System中,建立的虚拟手术环境具有很强的真实感、沉浸感和临场感,并有交互性和力反馈功能。使用者可以随意操纵手术器械和内固定物,模拟器械组装、钻孔、螺钉拧入,骨折复位、植骨等动作,使用者能够获得一定程度的类似于实际手术中的感觉,且带有力反馈的感觉。系统具有叁维模型放大和缩小等功能,可以清晰展现和观察感兴趣的解剖结构；具有叁维模型旋转功能,可以任意角度旋转,方便观察与操作；具有叁维模型整体或部分透视的功能,有助于观察骨折块的空间位置和毗邻关系,有助于比较观察骨折复位、固定情况；具有单独显示和联合显示组织模型的功能,可以方便的进行器械组合,有利于完成复杂的手术操作；具有“撤销”功能,使用者发现错误可以随时纠正,返回上一步或从头开始,也可重复练习；具有力反馈功能,通过PHANTOM可以感知虚拟环境的力反馈,有利于调整手术操作,使虚拟手术更具真实感。4、同一部位的骨折,类型不同,治疗方法也有区别,例如胫骨平台骨折Schatzker分类六型骨折各具特点,手术方式不同,内固定物的选择也有区别。每型骨折各建立了一个胫骨平台骨折Schatzker分类虚拟手术系统,使用者可以根据骨折的特点决定手术方案、选择内固定物,在虚拟系统中进行反复的操作练习。通过这样的练习,不但可以增加手术操作过程的熟练程度,而且可以逐渐理解和掌握胫骨平台骨折Schatzker分类各型骨折的手术方案和内固定物选择的原则。结论1、使用Mimics软件建立了叁维数字化骨折分类模型,该模型形态逼真,立体感强,各骨折块可以用不同的颜色表示,骨折线和移位情况容易判断。可以人机交互使用,骨折模型可以放大、缩小、任意角度旋转,并可进行透明化处理。每型骨折相对应的影片可以360。旋转观看,动态、立体地展现骨折情况,并可反复播放。2、叁维数字化骨折分类模型有利于骨折类型的判断,与传统的二维平面图谱相比有许多优势,是临床工作中一种新的骨折分类参考工具。建立叁维数字化骨折分类模型库是进行数字骨科手术模拟的一个基础工作,是数字骨科学研究的一个重要内容。骨折分类模型接近真实的解剖情况,有利于对骨折类型的理解,易于激起学生的学习兴趣,是医学教学中一种新的、有益的工具。3、使用UG软件建立的手术相关的手术器械和内固定物叁维数字化模型形态逼真,立体感强,颜色、尺寸与真实器械基本一致。通过PHANTOM可以随意操纵各手术器械和内固定物进行手术操作,能够满足虚拟手术的操作要求。4、在FreeForm Modeling System中,建立的虚拟手术环境具有很强的真实感、沉浸感和临场感,并有交互性和力反馈功能。利用GHOST SDK开发出虚拟切割和骨折复位固定的软件,然后利用力反馈设备PHANTOM,对手术器械和骨折块进行操纵,模拟器械组装、钻孔、螺钉拧入,骨折复位、植骨等动作,使用者能够获得一定程度的类似于实际手术中的感觉,通过PHANTOM可以感知虚拟环境的力反馈,有利于调整手术操作,使虚拟手术更具真实感。5、胫骨平台骨折Schatzker分类每型骨折各建立了一个胫骨平台骨折Schatzker分类虚拟手术系统,使用者可以根据骨折的特点决定手术方案、选择内固定物,在虚拟系统中进行反复的操作练习。通过这样的练习,不但可以增加手术操作过程的熟练程度,而且可以逐渐理解和掌握胫骨平台骨折Schatzker分类各型骨折的手术方案和内固定物选择的原则,使培训更加规范化、程序化和标准化。该系统也可以作为临床手术前的规划和医患沟通的工具之一。
张勇[2]2002年在《医学图像可视化技术及其在虚拟骨折手术中的应用》文中研究表明医学图象叁维重建及可视化技术的研究内容涉及到数字图象处理、计算机图形学、计算机视觉以及医学等多学科领域。本文对以叁维表面重建的原理和方法为主的相关技术及其在虚拟骨折外科手术规划和手术仿真教学实验系统中的应用进行了研究，研究内容主要包括叁维空间中断层图象间的插值、叁维重建目标区域的边界轮廓提取、叁维表面重建及模型处理、实体几何模型与叁维表面模型间的相互转化以及模型间的碰撞检测技术。 本文首先进行了断层图象插值的研究。提出了一种基于对象灰度概率知识引导的对应点匹配的灰度插值算法，解决了传统灰度插值的不同种对象物质交界处的模糊问题；对于只关心物体边界和重构目标形态信息的情况，介绍了当相邻断层上的对应轮廓线的形状不相似，位置差异大时，利用改进的轮廓加权平均算法进行轮廓形变插值的方法。 然后对叁维重建目标区域的轮廓提取进行了研究。对于基于轮廓线的表面重建，利用主动轮廓模型(Active Model，又称Snake Model)来完成断层图象上目标轮廓的提取，可以获得单象素连通的封闭的目标边界轮廓；针对基于体素的表面重建中实施了分割后的体数据，提出了一种基于主动轮廓模型完成二值图象中轮廓跟踪记录的方法，可以对同属于重建目标的内外邻接多区域进行正确和准确的边界轮廓跟踪，使得在跟踪当前轮廓时不会跨越到相邻轮廓，且主动轮廓的精度可以根据参数交互决定，尤其是能够在主动轮廓成长的同时主动定义轮廓关键点。 在由断层图象重建叁维表面模型的问题中，本文研究了重建的原理和方法以及对重建模型的处理。首先分析了连接轮廓线法中需解决的关键问题。采用基于全局的柱体生长法来判断断层间轮廓的相互对应关系；针对轮廓线表面重建中的难点问题—分叉问题，提出了一种基于主动轮廓模型的过渡轮廓构造方法，这种方法从物体主动生长这一角度出发考虑过渡轮廓的构造，能够产生综合两断层上轮廓特征的过渡轮廓，是一种基于全局性高层信息的有效轮廓构造算法；利用相邻轮廓线同步前进法进行轮廓拼接。然后在分析轮廓投影关系特性的基础上，给出“连接表面投影区域”的概念以及一种基于投影的体数据转化表面重建方法，选择Marching Tetrahedras(MT)算法进行基于体素的等值面重建，并根据重建的要求对MT算法进行改进。最后提出了一种基于Delaunay叁角剖分的骨骼模型的任意骨折模拟方法。 本文还对实体几何模型和叁维表面模型间的相互转化进行了研究。研究了实体几何模型向叁维表面模型的转化，针对手术规划及仿真教学系统中的医疗器械模型，提出了一种利用叁维实体造型系统构建实体模型，然后转化为本文虚拟系统所支持的表面模型的方法，能够方便、精确和参数化地建立模型；针对断层扫描图象，给出了基于CT图象反求技术进行实体几何造型的主要步骤，以使骨骼模型能够在本研究所开发的特征造 大连理工大学博士学位论文型系统3D M。defer中得到进一步的处理。 最后研究了叁维模型间碰撞检测及基于快速检测和响应的虚拟骨折半自动复位接合。为了增强虚拟系统的真实感以及引导骨骼模型的正确接合和器械的合理置入，本文分析和研究了提高碰撞检测速度的主要方法。针对临床常见的腿骨（包括股骨、胚骨或排骨）骨不连骨折，提出了一种快速的断骨模型复位接合方法，其中通过减少包围盒数量降低了碰撞计算量；同时，针对层次包围盒的树形数据结构，提出了一种基于工作包围盒缓存的碰撞检测加速方法，使碰撞对能够尽快被检测到。
周六杰[3]2016年在《椎弓根螺钉内固定术治疗腰椎骨折的叁维数字化术前规划及有限元分析》文中研究表明目的:(1)腰椎骨折椎弓根螺钉固定的叁维术前规划。(2)椎弓根螺钉治疗腰椎骨折的叁维有限元分析方法:(1)志愿者均以解剖学姿势平躺于CT床,扫描数据以DICOM格式进行储存。CT数据导入Boholo医学图像处理软件中,重建生成正常及骨折脊柱的叁维模型。通过不同的图像阈值仔细观察骨折形态、位置、粉碎程度,有无异物坠入椎管压迫脊髓或神经,评估软组织损伤程度。(2)在充分评估基本生命体征伤情及骨折周围骨及软组织损伤后,在软件的横切面、冠状面及矢状面叁个视图窗口下分别识别与置钉相关的结构,利用Mimics软件自带的测量工具,精确评估钉道相关参数。(3)然后将计算机辅助设计软件(Solidworks软件)设计的椎弓根螺钉以STL格式导入模型中。调整置钉方向及角度,模拟手术操作将椎弓根螺钉置入相应位置的过程,并观察椎弓根螺钉与周围骨结构的位置关系,从而确定螺钉置入点。(4)利用有限元分析各动作状态下力学相关参数。结果:(1)利用该软件可对常规CT扫描而成的DICOM数据生成叁维影像,模型精确重建了脊柱相关结构,将爆裂骨折的细微结构展现于临床医师面前。对脊柱进行周围组织显像并位置拟合后,可清楚的观察骨性结构与周围器官与组织的位置关系及相互关系,并进行快速的器官,组织损伤的快速可视化评估。(2)第11胸椎椎弓根宽度为4.34~4.83mm,置入角度为0~14.79,置入长度为36.10~51.37 mm;第一腰椎椎弓根宽度5.57~671 mm,置入角度0~16.92,置入长度39.13~52.72 mm;第2腰椎椎弓根宽度5.66~7.32 mm,置入角度0~23.96,置入长度39.28~51.13 mm。(3)内固定在平卧状态下受力最小,应力分布较为均匀;正常站立动作下,内固定物的应力在骨折处也相对较小,其中椎弓根螺钉的应力较平卧状态下增加约25%;上楼梯动作下,椎弓根应力明显增加且出现应力集中现象,较平卧动作下椎弓根受力约增加100%。结论:(1)本研究利用Boholo医学图象处理软件可以对伤椎进行快速伤情评估,进而辅助医疗决断。(2)利用Mimics可以进行初步的术前规划,精确测量椎弓根相关参数,辅助手术,以减少手术并发症的发生。(3)利用相关软件可以进行有限元模型的建立,进而分析脊柱在各种动作下的力学参数。
邵刚[4]2010年在《颅面部螺旋CT扫描数据叁维重建及虚拟手术研究》文中指出目的探讨基于螺旋CT扫描数据重建颅面部叁维数字化模型的方法及其应用价值；建立个性化叁维数字虚拟手术设计平台,实现颌面部整形手术的模拟,以期能够为颌面部畸形术前诊断和制定定量化手术方案提供参考。方法1.基于螺旋CT扫描数据的颅面部叁维重建研究1例经螺旋CT增强连续扫描检查的健康志愿者数据集,以DICOM(医学数字成像和传输)格式导入Mimics10.01(交互式医学图象控制系统)软件,运用阈值选取技术、手动编辑技术、叁维区域增长技术对颅面部结构进行叁维重建。2.基于螺旋CT扫描数据虚拟手术仿真的研究1例下颌骨前突伴颏部后缩畸形的患者(知情同意),术前行头部螺旋CT扫描,获得的容积数据信息以DICOM格式导入Mimics10.01软件进行叁维重建,获得颅骨及软组织的叁维数字化模型。在此虚拟模型的基础上,模拟骨组织的切割、旋转和平移等手术操作,并预测相应手术方案的术后软组织变化。结果1.基于螺旋CT扫描数据的颅面部叁维重建研究获得了颅面部诸结构的叁维数字化模型。该模型可以任意缩放和任意角度旋转,可显示不同结构间的毗邻关系和空间构象,并可进行叁维的距离、角度测量。2.基于螺旋CT扫描数据虚拟手术仿真的研究应用颅颌面叁维数字化模型,模拟了LeFortⅠ型截骨术、双侧下颌骨升支矢状劈开截骨术(BSSRO)和水平截骨颏成型术。通过上颌骨前移、下颌骨后缩获得理想的咬合关系,应用前移与后退的不同数据模拟手术过程,预测术后颌面软组织的改变效果,设计出了最佳手术方案。结论1.基于螺旋CT扫描数据的颅面部叁维重建研究在个人电脑(PC)上应用Mimics软件可以方便快捷地建立颅面部结构的叁维数字化模型,为人体解剖学教学、神经外科、口腔颌面外科和影像诊断学提供了形态学参考,并为颅颌面外科虚拟手术平台的建立奠定了基础。2.基于螺旋CT扫描数据虚拟手术仿真的研究虚拟手术能够快速整合多种医学影像数据信息,直观模拟手术设计与术后效果；促进了医患之间的交流与合作,并为正颌外科制定个体化最佳手术方案提供了实用有效的技术和依据。
刘斌[5]2009年在《股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究》文中研究说明计算机辅助手术技术可以把先进的治疗设备和外科医生的诊断有机地结合起来,能够充分利用获取的信息使患者得到安全、精确、微创的手术治疗。其研究内容涉及到数字图像处理、计算机图形学、计算机视觉以及人体解剖学等多学科多领域。本文主要针对临床上常见的两种修复性骨科手术——人工股骨头置换和复位后骨折钢板固定的计算机辅助术前规划若干关键技术进行了系统的研究,内容主要包括人体骨骼患处CT图像的获取及其去噪增强处理、叁维空间网格模型中骨骼患处关键面的分割、髋臼凹面上数据点集的采样方法和提纯处理、基于曲面拟合的股骨头修复建模及其模型匹配分析、预配准机制下的断骨叁维空间模型拼接及钢板预弯模拟。首先,本文对手术关键部位骨骼CT图像的预处理方法进行了研究,在提取图像中感兴趣区域后,提出一种改进机制下的Curvelet变换去噪方法,有效利用不同尺度下变换系数之间的相关性进一步增强了Curvelet变换提取图像边缘细节信息的能力,利用形态学去噪补充抑制了Curvelet降噪图像中的划痕伪影,很好地改善了结果图像的视觉质量,对于后续的图像分析与建模具有非常重要的意义。其次,对骨骼模型中患处关键面的叁维网格分割问题进行了讨论,采用一种基于顶点法矢特征方法对髋臼关节面和断骨截面实施叁维网格分割,同时采用二维图像处理中中值滤波的原理方法来消除子网格面中的孤立噪声点,并且对子网格边界进行了平滑处理,该方法的分割效果和时间效率均优于目前的典型算法。在髋臼凹面上采集空间数据点集的过程中,首先利用一种专门面向股骨头和髋臼的精确自动分割方法,在感兴趣区域中去除髋关节的股骨头部分,提取髋臼边缘;然后提出一种等距栅格采样法与辐条式采样法相结合的混合采样法,在髋臼序列图像上进行空间数据点集的采样:最后对数据点集内的坐标实施进一步的萃取,剔除无效的脏数据。股骨头的计算机模型建立是计算机辅助修复手术的基础,本文提出基于球面拟合模型和基于椭球面拟合模型两种股骨头修复建模方法。在球面拟合方法中,首先将股骨头凸面看做是一个规则球形,然后利用提纯处理后的髋臼凹面坐标点数据集来拟合求取球心和半径的数值:在椭球面拟合方法中,考虑到椭球面的各向异性特征,首先将股骨头凸面看做是一个不规则的二次曲面,然后利用提纯处理后的髋臼凹面坐标点数据集来拟合求取椭球面的位置和角度等参数。本文对股骨头模型和髋臼模型之间的匹配质量从几何和应力等方面分别进行分析计算,证明本文方法能够实现两模型之间的有效匹配。最后,本文对计算机辅助叁维空间内的断骨模型术前自动拼接进行了较为深入的研究,提出了基于带方向最小包围盒、基于断骨轴线和基于断骨脊线叁种预配准方法,可缩小两断骨模型之间的旋转和平移错位,提高后续精确配准过程的效率。本文首先分析了传统ICP算法的特点,然后提出一种基于非迭代估计的断骨模型自动配准算法,与ICP算法相比,该方法的计算复杂度和时间代价均有所降低。在此基础上,本文在拼接后的断骨模型上实现了固定钢板的用户化设计和预弯模拟,首先在模型表面上提取控制点,然后采用直接绘制控制点网格曲面的方法得到钢板的叁维模型,从而可以在术前测量得到钢板模型的各种几何参数,缩短手术时间。
张鹤[6]2012年在《脊柱微创手术机器人系统（遥控型）及关键技术研究》文中认为手术的精准化、数字化和智能化是现代外科技术的标志，也是未来外科技术的发展方向。发达国家在以手术机器人为代表的自动化、智能化手术设备的研发上投入巨大，且发展迅速。其中，最具代表性的就是美国研制的Da Vinci系统。但由于该系统是根据内窥镜技术需要而设计的主从式（主端--医生控制端、从端--机器臂控制端）机器人，所针对的手术对象主要是内窥镜可达、需要实时叁维视觉及触觉反馈辅助操作的脏器。但对于需要影像学设备辅助进行患处显示、疾病诊断及相关手术操作的骨骼，该机器人系统并不具有优势。鉴于上述原因，Da Vinci系统目前并未在骨科应用。骨科手术机器人的研究与临床应用已有20年历史，但这些手术机器人主要集中在关节外科领域。由于脊柱特殊的解剖结构（邻近重要的神经和血管），要求手术操作具有极高的精确性、安全性和稳定性。虽然德国、以色列、美国、日本、韩国等对脊柱外科手术机器人系统进行了多年的研究，但目前商品化系统仅有能引导医生进行打孔操作的SpineAssist系统。微创脊柱外科是脊柱外科主要的发展方向之一，具有手术创伤小、术中出血少、术后恢复快等特点，深受患者喜爱。为尽量减少手术创伤，微创脊柱外科医生需要反复使用C型臂X线机影像辅助手术操作，以确保其精确性与安全性。而长时间和大剂量的X射线辐照不但能造成医护人员的损伤，也阻碍了微创脊柱外科事业的发展。同时，其较开放手术小得多的微创“锁孔”术野，不仅为微创脊柱外科医师进行手术操作增加了难度，也限制了微创脊柱外科医师的培训。近年来基于图像引导的计算机辅助手术（computer assisted surgery, CAS）则有望解决上述难题。针对国内外现状，结合微创脊柱外科的特点，在导师的指导下，我们设计、研制了脊柱微创手术机器人系统，并构建了该系统的实验环境。在此基础上，对该手术机器人系统操作性及精准性进行相关实验研究，主要内容包括：1．脊柱微创手术机器人系统关键技术设计与实验环境的构建着眼学科发展前沿并结合本科室特点，研究者设计、研制了脊柱微创手术机器人系统（遥控型）。为配合该系统进一步的实验研究，同时也为该手术机器人系统的后续升级、完善奠定基础，研究者对脊柱微创手术机器人系统及相关仪器的安全操作与注意事项、实验人员责任等问题进行了规范，并根据实际情况确定了该手术机器人系统实验环境内各仪器的位置。在上述实验结果的基础上，我们对实验用动物标本进行了初步研究，并确定使用牛腰椎骨标本进行实验。根据实验所需，确定牛脊锥骨标本标签格式；根据牛脊锥骨形态特点及实际应用效果自制牛脊锥骨夹具；通过该手术机器人系统灵活性分析（依据实验性操作及各关节活动范围实测数值）确定木质实验台的高度，根据实验用动物情况确定木质实验台的长、宽等参数并制作该实验台，确保了该手术机器人系统进一步研究的顺利进行。2．脊柱微创手术机器人系统操作性的研究在上述研究的基础上，通过长时间、多次数、多角度的操作方式，对手术机器人系统各关节温度及位移角度与方向等进行测量，并对该手术机器人系统操作稳定性及安全性进行初步评价。结果显示该系统操作灵活、稳定，但仍存在纵深移动操纵杆“自行移动”等现象。通过一系列“重力补偿”实验，证明该现象是由于纵深移动操纵杆力矩传感器测量值随时间漂移导致重力补偿不足引起。该问题目前可通过在医生控制台手动执行“骨钻钻孔”—“停止操作”—“骨钻钻孔”的循环操作实现重力补偿，从而减免“自行移动”现象的发生，而此问题的根本解决还有赖于下一步对脊柱外科专用机械臂系统的设计与研发。3．脊柱微创手术机器人系统精准性的研究基于上述实验结果，结合该手术机器人系统现状，我们通过单纯依赖实验中C型臂X线机辅助以及结合实验前CT扫描与实验中C型臂X线机影像辅助等方法对脊柱微创手术机器人系统进行了牛脊椎骨标本实验研究。结果显示遥控操作该手术机器人系统进行打孔可避免操作过程中X射线对医生的损害，且打孔精确，满足临床应用需求。其中，单纯依赖实验中C型臂X线机辅助脊柱微创手术机器人系统打孔结果显示“克氏针置入计划”角度与克氏针放置的实际角度之间无统计学差异，其侧位偏离在1mm内的占91.6%，在2mm内的占99.5%，全部偏差均在3mm内；正位偏离在1mm内的占71.1%，在2mm内的占89.6%，在3mm内的占94.8%。此外，结合实验前CT扫描与实验中C型臂X线机影像辅助脊柱微创手术机器人系统打孔结果显示通过实验中C型臂X线机的辅助，该手术机器人系统可依据术前CT扫描数据制定的打孔计划精确打孔，实际打孔结果与术前制定的打孔计划无统计学差异。此外，上述两种方法的实验中均有明显的学习曲线存在。通过实验室及相应实验器具的设计、实验标本选择等为脊柱微创手术机器人系统营造了一个适当的实验环境。在该实验环境中，针对遥控型脊柱微创手术机器人系统的操作性及精准性进行相关实验，结果表明该手术机器人系统操作灵活、稳定，打孔安全，精度满足临床所需，同时可避免打孔过程中X射线对医生的损害。虽然，该系统具有一定的学习曲线，但熟悉该系统后，通过影像学设备辅助该手术机器人打孔置入的克氏针与打孔前计划无统计学差异。
刘彦士[7]2017年在《六轴并联机构在创伤长骨骨折移位复位中的研究与应用》文中研究指明目的:长骨骨折移位畸形是骨科最为常见的疾病,针对该类病例,骨外固定技术已在临床上获得大量成功的应用案例。然而目前主流的骨外固定复位技术均使用X线平片作为诊断测量依据,受点光源投影成像原理和手工测量操作的制约,这类方法在精度上存在一定的不足。针对此不足,本文对传统测量方法进行了改良,且提出一种基于叁维重建的长骨骨折畸形复位新技术,并在临床中探讨其可操作性、精确性和有效性,验证其能否有效提升骨折复位的精度。方法:(1)收集从2016年2月至2016年8月就诊于我院并采用Stewart平台六轴并联机构(天津新中泰勒骨外固定器)进行治疗的胫腓骨骨折病人21例。其中,男性17例,女性4例,年龄14-76岁,平均42±15.2岁。获取所有患者术后患肢的正侧位X线片(GE XR656)及CT影像Dicom格式数据(GE 750叁维螺旋CT);(2)运用Mimics 17.0、Coreldraw X7软件对传统测量方法进行改良,并应用于临床进行效果评价;(3)借助Mimics软件,处理CT影像数据并生成叁维重建模型;(4)导入Stewart平台环精确叁维模型并与Mimics的叁维重建模型环配准;将骨段叁维模型及环叁维模型同步实施虚拟复位运动,记录多个运动关键点;(5)借助Solidworks 2017软件,提取各个关键点下Stewart平台近端环和远端环的相对位姿;(6)使用Matlab软件进行平台的运动学求解,计算平台各支链在调整运动中的目标长度,获得精确的调整方案;(7)拍摄调整后的患肢标准X线正侧位片,评价骨折畸形复位后的残留位移与角度,并进行统计学分析。结果:(1)本文所纳入的全部患者(21例)均得到了较好的骨折复位效果,对位对线良好,正位片中残余位移与成角畸形分别为2.9±2.5mm和1.3±1.1°,侧位片中残余位移与成角畸形分别为2.8±2.0mm和1.2±1.1°,均达到功能复位标准。(2)其中基于叁维重建模型新算法进行二次复位的15例患者在理论上能进行更精准的复位,进行数据分析后显示:再次复位前后正位片中残余位移与成角畸形及改善度分别为3.3±2.7mm(52.17%)、1.3±1.2°(72.92%)和1.2±1.0mm(82.61%)、0.8±1.1°(83.33%),侧位片中残余位移与成角畸形及改善度分别为2.8±1.8mm(42.86%)、1.3±1.1°(53.57%)和0.9±1.1mm(81.63%)、0.5±0.9°(82.14%),且基于叁维重建模型新算法的畸形改善度均大于改良测量法。进一步进行统计学分析后发现:在正位位移、侧位位移、侧位成角畸形残余方面,基于叁维重建模型的新方法优于改良测量法,且具有明显统计学意义(P<0.05);在正位成角方面尚不能在统计学上判断是否同样具有优势(未在统计学上得出显着性差异,P=0.159)。综合分析数据可得出基于叁维重建模型的新算法优于二维平片测量法。结论:(1)本文提出的改良测量法相较传统测量法在理论上能够提高Stewart平台机构的复位精度;(2)本文提出的基于术后叁维重建的长骨骨折复位方法相较于现有的二维平片测量法有效地降低了骨折参数辨识难度,具有更高的复位精确度;该方法可以用于骨折复位术后残余畸形的调整、对现有的主流骨折外固定调整技术遗留的偏差进行弥补,同时为术中骨折自动化复位技术研究提供一定的参考,在骨折复位领域具有广泛的临床用途。
塔依尔.阿力甫[8]2012年在《单侧唇裂修复术下叁角瓣法虚拟手术平台的初步建立》文中进行了进一步梳理目的：将计算机技术与传统的唇裂手术结合，力争在唇裂修复的临床治疗、教学模拟、医患沟通等方面尝试新的方法。方法：收集新疆医科大学第一临床医学院颌面外科住院手术治疗，符合唇裂分类标准的30名非综合征型单侧完全性唇裂患儿术前、术中、术后，在自然光照下的正侧面静态照片以及手术视频资料，运用RPBF法提取每名患儿平均40个面部特征点，作为建立叁维虚拟模型的数据资料，通过叁维重建软件3DS MAX，构建出中性脸的单侧完全性唇裂叁维通用模型，再采用网格编辑和动画制作方法实现虚拟的下叁角瓣手术修复过程。结果：在使用真实唇裂患者数据的基础上，初步构建出中性脸的单侧唇裂通用模型，实现了单侧唇裂修复术下叁角瓣法虚拟手术过程，包括：定点，切开、对位和缝合步骤。结论：通过单侧唇裂下叁角瓣修复手术的虚拟演示平台的初步建立，表明了计算机技术与传统的颌面部手术结合的可行性，为口腔颌面外科医、教、研尝试开辟了一种全新的、直观的叁维虚拟平台。
邱峰[9]2011年在《远程医学教育临床技能培训模式与平台研究》文中进行了进一步梳理迈入21世纪,人类更加关注自身的卫生健康与生命,由此,医学教育领域得到了日新月异的发展。无论从临床诊断到手术治疗,还是从医疗设备到医疗理念均发生了沧桑巨变。目前,随着信息通信技术与远程医学教育的发展,医学教育中的临床医学技能培养正在酝酿一次全新的革命,即把计算机软、硬件技术、叁维图形图像、自动控制与导航、机器人、生物化学以及核技术等同传统临床医学有机结合起来,催生了先进的临床医疗理念、方法、手段和设备。尽管医疗设备日趋精密、智能、高效,医疗系统也正在向信息化、数字化、网络化高速迈进,但是任何现代高、精、尖、新的诊疗技术均无法替代医务工作者实际的临床基本诊疗技能。因此,如何对医务工作者(包括在读医学生)开展科学、规范、有效的临床基本技能培训,已成为高素质医学人才培养和高等医学教育改革的关键之一,①它也是当今全球医学教育领域中非常关注的研究课题之一在研究目标上,论文从医学教育国际化进程中临床基本技能教学的现状以及我国医学教育临床基本技能教学的实际出发,根据高等医学人才培养的标准和“全球医学教育最低基本要求”,综合利用现代教育技术、虚拟现实、视音频、多媒体及计算机网络等技术,结合新疆生产建设兵团对医务人员和医学院的学生在临床理论知识学习、问诊、体检、常规操作、医患沟通、综合分析、以及危重病例处理等临床技能的实际要求,探索临床医学知识学习和技能培训的有效模式及途径,并设计与实现能支持这一要求的远程临床技能培训平台。为兵团临床医学教育的信息化和现代化进行有益尝试。在研究内容上,论文重点梳理了临床医学教育的相关理论、分析了远程临床医学教育的国内外现状和未来发展趋势,讨论了不同的学习理论与模式：如米勒的金字塔医学模型、基于实践的学习与提高(PBLI)理论、情境认知学习理论、知识管理理论、认知学徒模式、以及协同学习理论等。结合网络通信、多媒体以及现代教育技术与医疗技术,针对远程医学教育的特点和新疆生产建设兵团对临床医学人才的实际需求,构建支持远程临床技能培训的新模式,基于新模式来设计与实现远程临床技能培训的平台原型。最后,将通过实践运用来检验培训模式与平台设计的合理性与有效性。在实证研究上,论文选择了模式与平台应用的四个不同案例和一个问卷调查,从不同维度和视角对远程临床技能培训模式和平台原型设计的可行性和有效性进行了分析和评价。应用案例的验证与测评重点围绕临床技能培训学习的四个主要流程、实验对照组的临床知识能力考核、虚拟与真实手术模拟结果比较、临床解剖教学案例分析评测,而问卷调查则重点关注学习者对平台实际使用的感受和效果,并运用SPSS13.0工具进行问卷调查结果的统计分析。统计与分析结果初步验证了远程临床技能培训模式与平台的设计已达到了预定设计目标,无论在临床医学理论知识的学习或技能培训方面都可以较好地满足学习者的需求。今年初,由于平台的实际应用效果良好,本论文研究的部分成果已被列入“新疆生产建设兵团区域医疗卫生信息化建设的十二·五规划”方案之中。
冯飞[10]2006年在《腕关节可视化研究及其在月骨假体设计中的应用初探》文中认为目的通过对腕关节在冠状位薄层断面解剖标本与MRI图像进行对比,研究该部位的骨、关节以及韧带连接解剖形态的细微结构、相互关系及MRI的影像特征,找出各解剖结构在冠状面上的最佳显示层面。增添腕关节在冠状位的断层解剖学资料数据,为腕关节病变的影像学诊断提供确切的形态学依据;建立腕关节叁维可视化数字模型,观察腕关节骨、韧带的叁维空间位置及相互毗邻关系,为计算机辅助关节外科手术提供立体形态学基础;应用腕关节的可视化模型,设计符合国人月骨解剖特性的假体,为制作月骨假体提供可靠的解剖学依据。材料和方法1.选用无关节病变的新鲜成人腕关节标本22例(中国数字化可视人体10例,单独腕关节标本12例),将各标本(12例横断位、10例冠状位)摆放成休息位,用5%蓝色明胶包埋,低温条件下对标本进行层厚为0.2mm的薄层铣切。2.选取腕关节冠状位连续薄层断面数据,将断面图像与相对应的冠状位MRI图像对照研究。3.运用图像分割软件,分别对腕关节桡、尺骨,远近两列腕骨(共8块),掌骨(5块)及桡尺韧带、腕关节盘(叁角纤维软骨)、关节盘同系物、桡月韧带、桡叁角韧带、舟头韧带、桡舟头韧带、舟月韧带、月叁角韧带、尺叁角韧带、尺月韧带、叁角头韧带、钩头韧带共28个结构进行结构数据的分割和提取,并完成在休息位腕关节内主要解剖结构的叁维重建。4.在已获得的腕关节断层解剖图片和叁维模型上观察月骨解剖形态,与相毗邻关节腕骨的空间位置关系,探讨影响月骨假体稳定的因素;5.在22例腕关节叁维可视化模型上测量月骨的解剖参数并进行计算、统计分析,设计月骨假体远、近两端的两个重要曲线(月骨凹面曲线和凸面曲线)方程。应用传统解剖学方法获取4例完整的新鲜月骨剖面水平图像,Photshop软件建立同一坐标系,曲线上任意取坐标点,取相同x值,将月骨叁维可视化模型所得的凹面和凸面曲线方程计算的y值结果与月骨解剖标本实测y值结果统计学方法检验,对在叁维可视化模型上进行月骨假体设计的科学性和可行性做出探讨。结果1.获取腕关节断面数据集22套(冠状位10套,横断位12套),数字化摄影分辨率分别为630万像素,所对应的每个24 bit断面图像文件大小为36 M,为TIFF文件格式。组织结构无变形、移位,可在原位对腕关节的内部结构进行观测。2.在腕关节的冠状断面,可清楚显示桡尺远侧关节、桡腕关节、腕中关节、腕骨间关节及各关节中韧带的形态特征,并找出腕骨间韧带、叁角纤维软骨及桡尺远侧关节韧带等在MRI冠状位的最佳显示平面。3.完成了腕关节内主要解剖结构的叁维重建。重建结构可多结构、多色彩模式显示,在叁维空间绕任意轴旋转,对叁维结构进行透明显示、任意缩放,并可对有关结构进行精细的测量。4.分析了月骨假体置换后容易引起假体脱位的主要因素,提出了在假体置换时应注意的问题。5.应用叁维可视化模型和传统解剖学方法得出设计月骨假体所需的头月关节的凹面曲线方程和在桡月关节的凸面曲线方程。统计学分析相同x值时,月骨叁维可视化模型所得的凹面和凸面曲线方程计算Y值结果与4例月骨解剖标本实测Y值结果均无明显差异,月骨可视化模型得出的曲线方程真实有效。结论1.冠状连续薄层断面可良好显示腕骨间相互关系、桡腕关节韧带、腕骨间韧带、叁角纤维软骨及桡尺远侧关节等结构。深入了解腕关节内部细微结构的连续薄层断面形态特征及变化规律,结合相对应的冠状MRI图像对照研究,为腕关节疾患的MRI影像学诊断提供解剖学资料。2.叁维可视化模型能直观再现腕关节内细微结构的空间形态、毗邻关系和变化规律,对分析腕关节的运动机制、腕关节病变的形态学改变原因等具有指导意义。同时对于功能和立体定向关节外科在腕关节区域的手术也具有重要的参考价值,并为计算机辅助虚拟手术提供操作平台。3.应用腕关节的叁维可视化模型可以对各结构进行准确测量。通过观测月骨断面细微结构了解维持月骨稳定的重要因素,并取得影响月骨假体稳定最重要的两个曲线方程。用传统解剖学方法取得新鲜月骨标本,对月骨可视化模型得到的两个曲线方程进行验证,结果显示两个方程符合月骨的生理曲线,具有明显的代表性,因此,用叁维可视化模型方法得出的月骨曲线方程为设计制作月骨假体提供了可靠、有效的解剖参数。
参考文献：
[1]. 骨折分类叁维数字化模型的建立及其在虚拟手术中的应用[D]. 刘永刚. 南方医科大学. 2011
[2]. 医学图像可视化技术及其在虚拟骨折手术中的应用[D]. 张勇. 大连理工大学. 2002
[3]. 椎弓根螺钉内固定术治疗腰椎骨折的叁维数字化术前规划及有限元分析[D]. 周六杰. 天津医科大学. 2016
[4]. 颅面部螺旋CT扫描数据叁维重建及虚拟手术研究[D]. 邵刚. 青岛大学. 2010
[5]. 股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究[D]. 刘斌. 大连理工大学. 2009
[6]. 脊柱微创手术机器人系统（遥控型）及关键技术研究[D]. 张鹤. 第叁军医大学. 2012
[7]. 六轴并联机构在创伤长骨骨折移位复位中的研究与应用[D]. 刘彦士. 天津医科大学. 2017
[8]. 单侧唇裂修复术下叁角瓣法虚拟手术平台的初步建立[D]. 塔依尔.阿力甫. 新疆医科大学. 2012
[9]. 远程医学教育临床技能培训模式与平台研究[D]. 邱峰. 华东师范大学. 2011
[10]. 腕关节可视化研究及其在月骨假体设计中的应用初探[D]. 冯飞. 第叁军医大学. 2006
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