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计算机辅助骨科手术在创伤骨科中的应用

中华骨科杂志 2006年第10期26卷 703-706页

作者：王满宜王军强北京积水潭医院创伤骨科 100035

计算机辅助骨科手术(computer-assisted orthopaedic surgery,CAOS)是利用计算机对数字化医学影像的高速处理及控制能力,通过虚拟手术环境为骨科医生从技术上提供支援,使手术更微创、更安全、更准确的一门新技术。

关键词：计算机辅助骨科手术创伤骨科计算机图像处理 surgery 数字化医学影像医学影像设备立体定位系统导航手术

计算机辅助骨科手术在骨盆骨折治疗中的应用进展

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中华创伤骨科杂志 2014年第11期16卷 1000-1003页

作者：崔昊旻周东生山东大学附属省立医院(山东省骨科医院)创伤骨科济南250021

骨盆骨折多由巨大暴力直接作用于骨盆所致,约占全身骨折的3％,但其死亡率却达到13.4％.在多发伤患者中,骨盆骨折的发生率可上升至25％,而在交通伤中其发生率高达42％[1].对于骨盆骨折,由于切开复位内固定术存在创伤大、术中出血量多及... 详细信息

骨盆骨折多由巨大暴力直接作用于骨盆所致,约占全身骨折的3％,但其死亡率却达到13.4％.在多发伤患者中,骨盆骨折的发生率可上升至25％,而在交通伤中其发生率高达42％[1].对于骨盆骨折,由于切开复位内固定术存在创伤大、术中出血量多及血管神经损伤等问题,风险较大,目前大多数学者主张采用闭合复位微创内固定治疗[2].近年来,计算机辅助骨科手术（computer-assisted orthopaedic surgery,CAOS）在创伤骨科领域迅速发展[3],使得很多复杂的手术不再单纯依赖术者的经验,而更多取决于术者的规范,被认为是骨科手术里程碑式的革命[4].医生可以通过导航系统对手术部位的CT、单光子发射计算机断层成像术、磁共振成像、数字减影血管造影等多模医学图像融合重建出三维模型,将手术部位实体配准到三维模型坐标系中并显示在导航系统的屏幕上,引导医生尽量避开一些细微而关键的神经和血管,将手术器械准确送达骨折部位,降低手术风险,减少患者痛苦,使微创得以实现[5].然而,现有的CAOS技术在骨盆骨折的治疗中仍存在一些局限,尚待进一步完善.本文就CAOS在骨盆骨折治疗中的应用研究进展作一综述.

关键词：计算机辅助骨科手术骨盆骨折固定治疗应用数字减影血管造影血管神经损伤切开复位内固定术计算机断层成像术

加强计算机辅助骨科手术的基础研究,稳步推进临床应用

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中华医学杂志 2006年第9期86卷 589-591页

作者：王满宜王军强王田苗北京积水潭医院创伤骨科 100035 北京航空航天大学机器人研究所

外科的发展已进入由生物学、信息学、物理学相互融合的生物智能时代(bio-intelligence age),微创(minimally invasive surgery,MIS)是外科发展的必然趋势.目前,微创外科已经逐渐进展到由影像学、信息科学、自动控制技术等高新技术组合... 详细信息

外科的发展已进入由生物学、信息学、物理学相互融合的生物智能时代(bio-intelligence age),微创(minimally invasive surgery,MIS)是外科发展的必然趋势.目前,微创外科已经逐渐进展到由影像学、信息科学、自动控制技术等高新技术组合的计算机辅助微创技术,骨科是目前外科领域中应用新技术、新器械较多的学科之一,因此,微创亦是骨科手术的未来发展方向。

关键词：计算机辅助骨科手术基础研究临床应用 surgery 微创外科自动控制技术立体定位系统医学图像信息外科发展信息科学

计算机辅助骨科手术系统在股骨远端骨折内固定中应用的实验研究

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计算机辅助骨科手术系统在股骨远端骨折内固定中应用的实验研究

作者：栗威广西医科大学

学位级别：硕士

第一章股骨髁形态观察和几何参数的测量目的:对股骨髁进行形态学观察和测量,掌握股骨髁的形态特征,用于指导股骨远端手术中的定位判断。方法:将90侧下肢防腐标本经物理、化学方法去除软组织做成干燥下肢骨骼标本,有86侧可用于观察、... 详细信息

第一章股骨髁形态观察和几何参数的测量目的:对股骨髁进行形态学观察和测量,掌握股骨髁的形态特征,用于指导股骨远端手术中的定位判断。方法:将90侧下肢防腐标本经物理、化学方法去除软组织做成干燥下肢骨骼标本,有86侧可用于观察、测量。对股骨髁形态进行大体观察。测量股骨外髁前后径(X1)、髁膑面前切迹深(X2)、髁膑面切迹前后径(X3)、髁间窝深(X4)、外髁高(X5)、髁膑面下切迹深(X6),计算股骨髁膑面前切迹深指数(X2/X1)、股骨髁间窝深指数(X4/X1)、股骨髁膑面下切迹深指数(X6/X5)。对数据进行统计学处理。结果:股骨髁形态不规则,各部分有一定特征。X1为57.5±4.7mm,X2为6.3±2.3 mm,X3为23.1±2.9mm,X4为28.1±3.0 mm,X5为35.8±4.8 mm,X6为8.7±1.1 mm。X2/X1为0.109±0.040(95%的参考范围0.032—0.199),X6/X5为0.246±0.033(95%的参考范围0.198—0.323),X4/X1为0.488±0.028(95%的参考范围0.431—0.549)。其中,X1与X2、X4正相关,相关性有统计学意义;X1与X2/X1、X4/X1不相关;X5与X6正相关,X5与X6/X5负相关,相关性有统计学意义。根据X2/X1、X4/X1、X6/X5可以推断股骨髁间凹陷相对于股骨外髁的位置。结论:1、了解股骨髁的形态特点有利于指导股骨远端骨折的内固定定位定向操作;2、股骨膑面前切迹深指数、股骨膑面下切迹深指数、髁间窝深指数为解剖学研究增加了新的内容,且可以用于推断股骨髁问凹陷相对于外髁的位置,从而指导股骨远端内固定手术中定位定向操作。第二章计算机辅助骨科手术系统在股骨远端骨折内固定中应用的实验目的:通过用标本模拟手术实验,探讨计算机辅助骨科手术系统在股骨远端骨折内固定手术中应用的方法和价值。方法:90侧股骨标本,做成33B1、33C1型骨折模型各30侧,骨折复位克氏针临时固定,保留完整骨骼30侧。将90侧标本分别用氯丁胶、聚氨酯海绵粘贴包裹做成模拟有软组织覆盖的完整标本。每种模型标本的固定操作用抽签法随机决定用传统方法(传统组)或在CAOSS(ComputerAssisted Orthopedic Surgery System,计算机辅助骨科手术系统)导航辅助下(导航组)进行;要求B1型骨折模型行3枚松质骨螺钉固定,记录操作时间、错误钻孔数、钉道方向偏离角度、钉道间距、螺钉距骨面的距离;C1型骨折模型行DCS(Dynamic Condylar Screw,动力髁螺钉)及附加2枚松质骨螺钉固定,记录错误钻孔数、固定前后髁干角变化;完整股骨标本行DFN(Distal Femoral Nail,股骨远端髓内钉)固定,记录锁钉钻孔情况、锁钉失败情况。另外,所有在CAOSS导航辅助下的手术中记录较传统手术额外增加的时间,包括每次操作中机器布置连接时间、开机时间、每次透视时间;所有用导航虚拟探针测量了长度的钉道在术后再加用普通骨科测深尺测量和三角规测量,对三种测量方法进行比较。对数据进行统计学处理。结果:CAOSS辅助下手术额外增加的时间:机器布置连接时间为363±26s,开机时间为434±4s,每次透视时间为110±28s。钉道测量方法:导航虚拟探针与普通骨科测深尺测量结果差异无统计学意义(P＞0.05),这两种测量结果与真实值(三角规测量值)的差异均有统计学意义(P＜0.05),其中在股骨髁部钉道的测量差值较大,分别为4.4±2.6mm、3.3±1.9mm。B1型骨折固定中,导航组每枚螺钉固定操作时间短(导航组111±8s,传统组118s)、错误钻孔率低(导航组0%,传统组18.4%)、钉道偏离角度小(导航组1.3±0.6°,传统组8.5±4.4°)、3枚螺钉间距大,差异均有统计学意义(P＜0.05)。C1型骨折固定中,导航组术后股骨髁干角变化小(导航组2.6±0.8°,传统组4.3±1.6°)、附加钉错误钻孔率低(导航组0%,传统组17.5%),差异均有统计学意义(P＜0.05)。DFN固定中,导航组锁钉失败率低(导航组0%,传统组11.8%)、髓内钉锁钉总时间及髓内钉钉头端锁钉时间少(导航组664±8s、340±8s,传统组703±27s、397±28s),而钉尾端锁钉时间长(导航组324±5s,传统组305±9s),差异均有统计学意义(P＜0.05)。另外,在导航组操作中还可以感觉到切口定位准确、不用充分显露、不用过多牵拉切口周组织、定位操作方便。结论:1、CAOSS可以用于辅助股骨远端骨折内固定操作,并具有减少显露、准确定位的优点,能提高手术的有效性、安全性;2、掌握股骨髁部形态特征更方便CAOSS辅助下股骨远端骨折内固定操作中的定位判断。

关键词：股骨髁解剖形态测量股骨远端骨折内固定计算机辅助骨科手术导航

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计算机辅助骨科手术的应用和进展

中华创伤骨科杂志 2004年第1期6卷 110-114页

作者：王军强孙磊王满宜北京积水潭医院创伤骨科北京市100035 北京市创伤骨科研究所

计算机辅助手术(CAS)是近年来在外科手术领域发展最为迅速的一个领域。CAS在骨科手术中的具体应用被称为计算机辅助骨科手术(CAOS)。CAOS的含义是利用当今医学领域的先进成像设备如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断... 详细信息

计算机辅助手术(CAS)是近年来在外科手术领域发展最为迅速的一个领域。CAS在骨科手术中的具体应用被称为计算机辅助骨科手术(CAOS)。CAOS的含义是利用当今医学领域的先进成像设备如计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、数字血管减影(DAS)、超声成像(US)以及医用机器人(MR)所得到的多模图像数据,在计算机的帮助下,对医学图像信息进行处理并结合立体定位系统,对人体骨骼的解剖结构进行显示和定位,并由计算机规划手术路径,制定合理、定量的手术方案,进行术前手术模拟,在适当的图像监视和立体定位系统下,利用一定的导引系统,在骨科手术中使用计算机和医用机器人进行手术干预,为骨科医生提供强有力的工具和方法。CAOS在提高病灶定位精度,减少手术损伤,执行复杂外科操作,提高手术成功率方面有卓越的表现,配准和定位是CAOS的核心技术。CAOS已应用在脊柱外科、人工关节置换术、创伤骨科、骨肿瘤治疗中。

关键词：计算机辅助骨科手术立体定位手术导航图像处理技术医学影像学

计算机辅助骨科手术常用器具和医学词汇英中文对照表

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中华创伤骨科杂志 2005年第7期7卷 620-624页

作者：梁国穗秦岭邓宁张戈香港特别行政区香港中文大学矫形外科及创伤学系

本文旨在介绍计算机辅助外科手术在术前计划、手术模拟和术中导航的应用,以及医用自动化机械臂的引入和手术导航系统的基本原理等.手术导航要求很高的精确度,因此引入和发展医用自动化机械臂十分必要.我们简要地回顾了目前的医用机器... 详细信息

本文旨在介绍计算机辅助外科手术在术前计划、手术模拟和术中导航的应用,以及医用自动化机械臂的引入和手术导航系统的基本原理等.手术导航要求很高的精确度,因此引入和发展医用自动化机械臂十分必要.我们简要地回顾了目前的医用机器人系统,同时也介绍了在香港中文大学所发展的机械臂系统以及在手术中的应用.导航指引下远端置入髓内钉的实验室测定显示机械臂的使用可以获得更好地可重复性和准确性.手术导航机械臂已经广泛应用于远端髓内钉的置入,经皮置入骶髂关节螺钉、髂骨螺钉、髋螺钉等骨科治疗中 .医用机械臂无疑将是计算机辅助手术未来发展的主要技术之一.

关键词：计算机辅助骨科手术 X线透视导航机械臂螺钉

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计算机辅助骨科手术系统关键技术研究

计算机辅助骨科手术系统关键技术研究

作者：许婉露华南理工大学

学位级别：硕士

骨科疾病种类多、手术难度大，结合计算机技术、图像处理技术与医学知识的计算机辅助骨科手术系统可有效辅助临床手术，提高手术的安全性、成功率，并帮助骨科医师顺利解决了疑难病症，是对传统手术模式的重大革新。同时，数字化骨科手... 详细信息

骨科疾病种类多、手术难度大，结合计算机技术、图像处理技术与医学知识的计算机辅助骨科手术系统可有效辅助临床手术，提高手术的安全性、成功率，并帮助骨科医师顺利解决了疑难病症，是对传统手术模式的重大革新。同时，数字化骨科手术作为新兴技术，在提供异体骨与人工骨数字化模型、实现三维解剖模型参数测量、存储并管理手术相关信息等方面独具优势。为更好的满足骨科手术精度与安全要求，建立虚拟手术模拟、数字人全身骨骼模型库、异体骨与人工骨数字化模型的计算机辅助骨科手术系统成为迫切需要。本文面向骨科手术应用要求，重点研究针对数字化骨骼模型构建的数字化骨库系统设计、高质量的三维模型重建、计算机辅助模拟技术以及实现方案。基于以上述研究方法，本文开发了计算机辅助骨科手术系统。具体取得的研究成果如下： 1实现数字化骨库系统设计。探讨数据库系统组成、框架及访问技术;于Visual C++平台上采用ODBC技术开发数据库，同时结合骨科医师要求设计应用操作方案与具体界面;依据正常、异常人体骨骼信息构建数字化骨骼模型库。 2为实现高质量三维模型重建，提出了基于保边局部高斯滤波与三维区域增长的改进型MC算法。保边局部高斯滤波去噪并增强边缘，通过改变体素类型有效改善模型光滑度与结构拓扑歧义问题;三维区域增长算法辅助阈值分割，降低重建碎片数目，提高重建效率。高质量的三维重建为计算机辅助骨科手术系统的构建打下基础。 3计算机辅助骨科手术模拟方案设计与操作实现。利用最大投影密度MIP算法建立矢状投影面，并实现投影面上二维测量;分析OpenGL图形开发平台渲染流程并求取目标点的三维精确坐标，据此实现空间几何测量;讨论切割平面与三角面片相交情况，实现三维体切割算法;采用刚体配准算法实现体切割后的配准融合。 4基于上述研究成果，本文开发了计算机辅助骨科手术系统。详细介绍了系统的整体框架、各功能模块及其实现方法;以强直性脊柱炎为训练集进行系统测试，实现数字人全身骨骼系统数字化模型，实现异体骨与人工骨模型的数字化骨库，实现三维体切割、三维刚体配准及几何变换等模拟技术，满足术前、术后的数据综合处理要求。

关键词：数字化骨库体视化技术 MC算法计算机辅助骨科手术

客观认识和评价计算机辅助骨科手术技术,稳步推进临床应用研究

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中华医学杂志 2007年第37期87卷 2593-2595页

作者：王满宜王军强北京积水潭医院创伤骨科 100035

计算机辅助骨科手术（computer assisted orthopedic surgery，CAOS）近来正日益成为国内外骨科学术研究的热点，我国的很多医院目前已经应用CAOS手术系统开展了相当数量的骨科手术，CAOS能够在术前进行手术路径的规划、在术中进行手术... 详细信息

计算机辅助骨科手术（computer assisted orthopedic surgery，CAOS）近来正日益成为国内外骨科学术研究的热点，我国的很多医院目前已经应用CAOS手术系统开展了相当数量的骨科手术，CAOS能够在术前进行手术路径的规划、在术中进行手术部位及手术器械和骨科内植物的实时示踪和导航、在术后进行治疗效果的评估，这些不同于传统骨科手术的先进治疗手段已经被越来越多的骨科医生所认同和掌握；但随着CAOS临床应用的逐渐增多，在应用过程中所暴露出的问题也相应增多。广大骨科同道应该清醒的认识到CAOS是一种新兴的技术，

关键词：计算机辅助骨科手术临床应用手术技术 surgery CAOS 治疗效果学术研究手术系统

三维空间标记点分布拓扑对计算机辅助骨科手术定位精度的影响

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科技导报 2017年第19期35卷 56-61页

作者：李秦彭远卓刘文勇北京航空航天大学生物与医学工程学院北京100191

空间配准是计算机辅助骨科手术的关键步骤,配准精度直接影响导航效果。本文针对基于二维图像的视觉配准方法,通过理论分析和计算机仿真,研究该方法常用的双平面定位标尺标记点分布拓扑对定位精度的影响,得到了标记点间距、数目等因素对... 详细信息

空间配准是计算机辅助骨科手术的关键步骤,配准精度直接影响导航效果。本文针对基于二维图像的视觉配准方法,通过理论分析和计算机仿真,研究该方法常用的双平面定位标尺标记点分布拓扑对定位精度的影响,得到了标记点间距、数目等因素对定位精度的影响规律,给出了定位误差在空间上的分布特点。研究表明,增加标记点的数目和间距有助于减小定位误差;并且,在包络外接圆半径相等时,五点四边形的分布拓扑方式较四点矩形和四点三角形更优。

关键词：标记点分布拓扑空间配准误差分析计算机辅助骨科手术