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股骨头坏死与骨计算机辅助手术技术研究.pdf 126页
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股骨头坏死与骨计算机辅助手术技术研究
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大连理工大学博士学位论文
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、三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三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Curvelct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三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三维网格分割，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，本文对计算机辅助三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三种预配准方法，可
股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究
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三维模型，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。
关键词：修复性骨科；术前规划；股骨头坏死；骨折
大连理工大学博士学位论文
Researchon
Aided forFemoralHead
TechnologiesComputerSurgery
NecrosisandBoneFracture
canbecombined
therapyequipmentsurgicaldiagnose
bycomputer
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45岁的济南历城区居民老梁修房子，从三四米高房顶摔下来，盆骨摔裂，一动不敢动。12月11日晚，济南市第三人民医院手术室，围在他身边补骨头的不仅有骨科医生，还有一个神秘的大家伙——名叫“天玑”的骨科手术机器人，长了一双“透视眼”，不用开刀就能精准透视受伤部位，钉上螺钉。都说伤筋动骨100天，而老梁身上只切开了1厘米小口，术后1个星期就能出院了。
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& & 机器人是啥来头？
& & 12年自主研发 百分之百中国造&
医疗机器人圈大部分是国际品牌，最为公众熟知的就是达芬奇手术机器人，以前人手达不到的领域，通过机械手都可以到达。但天玑骨科手术机器人和有着文艺气息名字的达芬奇可不同。
“达芬奇机器人仅适合表面软组织手术，并不适于骨科手术。天玑则完全是为骨科手术设计，最懂骨科医生的需求。”济南市第三人民医院院长刘士懂说。
天玑的研发历程更是有着中国模式，以北京积水潭医院骨科专家为核心，贴近临床需求，历经12年的过程，最新的天玑是骨科手术机器人第三代产品，相比前两代精度更高，使用范围更广泛。
刘士懂说，手术机器人全球都在投入重兵，国外也有几种骨科手术机器人。天玑是目前为止我们国家唯一基于自主研发、获得医疗器械注册许可证的手术机器人系统。该系统已经在北京积水潭医院、北京301医院等部分医院广泛开展临床应用，济南市第三人民医院在山东省内第一家引进，是国内投放的最新第三代产品的第六台。
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& & 机器人有啥本领？
& & GPS般定位伤处 手术切口只有1厘米
15日上午，病房内，盆骨骨折的老梁已能活动双脚。“没想到给我手术的还有机器人。”他表情轻松地笑着，正计划两三天后出院。
天玑骨科机器人参与到手术中，带给老梁这样的骨折病人什么样的改变？济南市第三人民医院创伤骨二科主任刘华水用数据说话。以往盆骨骨折这样的手术都是开放式的，一般要三四个小时，而出血量在2000毫升以上，康复期一般要住院两三周。天玑加入手术后，手术变成微创，只在腰间打上一个1厘米左右的小孔，手术时间缩短到1个小时，出血量只有不到100毫升，康复期则只需1个星期左右。有的患者甚至第二天就能下床活动。
很多人说骨科医生相当于三级木匠，往往需要借助很多工具。刘华水解释，传统骨科手术一直受制于两个瓶颈，一个是看，另一个就是医生的动作。骨头缠绕着肌肉组织，内部结构很难看到，医生往往需要多次拍摄影像，固定伤处。开放手术中，还需凭借经验人工操作避开复杂的神经网络，很难高精准把控。
而有了机器人的帮助，骨科医生也就有了利器在手。天玑具备精准的影像导航系统。如同开车有GPS导航一样，可以实现精准定位，基于重建的三维医学图像，通过术中规划模拟置钉，医生可多平面直观地确定钉道；光学跟踪系统实时监控并补偿误差，这样的误差只有0.8毫米。而机器人的机械臂不会抖动，提供稳定置入通道，避免因生理抖动等因素引起的偏差，保障手术精准性。
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& & 机器人手术贵吗？
& & 开机费5000元 但综合算起来能省钱
经过调试和医师培训等准备，天玑骨科机器人落地济南后，12月11日晚和12日上午，连续为3名患者实施了骨科手术。
作为高端医疗科技产品，天玑“身价”不低，达到1200万元，这样大价钱引入的设备是不是会提高骨科手术的费用？刘士懂为记者算了一笔账，相比传统手术，天玑在手术中会增加一笔开机费，“北京的医院定价为1万元，我们和市物价局、市卫计委申请，最终批准的价格为每台开机费5000元”。但天玑参与手术，实现微创，患者中间不用大量输血，住院时间缩短，省下输血和长时间住院费用。
同时还有关键一点，以往传统骨盆骨折等手术需要用到钢板，一块钢板进口的在1万元左右，国产的也在七八千元。而骨科手术机器人能够精准定位，只需要打在伤处三四颗空心螺钉，就完成治疗。这样在手术耗材上也能省下一大笔钱。
& & “我们综合测算，通过机器人手术，还能为患者省些钱。”刘士懂说。
传统手术中，为了减少手术风险并获得满意的手术效果，往往依靠大量术中X线透视需要反复X线透视手术野，有报道显示，1分钟的影像透视辐射相当于拍摄250次胸片，对患者和手术人员造成极大伤害。由于骨科手术机器人能提前定位，模拟规划路径。这样骨科手术也就减少“吃线”的问题。
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& & 骨科手术都能做？
& & 脊柱全节段都行 还能远程遥控
老龄化加剧、交通运输规模日益膨胀，多种因素交叉影响，使得骨科疾患日益增多，骨盆骨折、骨盆髋臼骨折、股骨颈骨折、脊柱退行性病变、脊柱畸形等都要手术治疗。
国外目前的3种骨科机器人中，两种主要用于骨盆，还有一个用于腰椎，而腰椎以上几乎没有涉猎。这是因为，人的脊柱越往上骨头越细，还有脊髓，所以操作起来风险性极大，对精度的要求也就更高，
天玑骨科手术机器人能做哪些部位的骨折？刘士懂说，由于精度高，该机器人是国际上唯一能够开展脊柱全节段（颈椎、胸椎、腰椎、骶椎）、骨盆及四肢骨科手术的骨科机器人系统。
“我们现在做了两例盆骨骨折，还有一例左股骨颈骨折。”刘士懂说，下一步配备3D影像系统后就可以做复杂的脊柱骨折。
手术机器人起源于人类探索太空的需要，计划是一旦宇航员在太空出现问题，地面医生能远程遥控机器人为宇航员做手术。目前，骨科手术机器人系统已可以通过“遥规划”远程手术方式将异地的专家资源辐射到本地。刘士懂说，这样患者不必再异地求医，例如北京等国内有优势医疗专家可以基于骨科手术机器人系统和本地医生团队合作开展手术，使患者在济南就获得医疗服务。
（记者李永明）
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