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骨组织状态感知方法的研究进展2024(全文)
骨组织的切割、铢削及钻孔作为骨科手术的重要步骤,不仅需要保证精准
切除目标骨组织,而且也要避免损伤邻近的血管、神经、肌肉等重要解剖
结构。在应用骨科手术机器人之前,骨组织切割操作的安全性主要依赖于
主刀医师的主感觉及手术经验,存在精确度低、可重复性差、难以标准
化等问题。此外,主刀医师在手术关键操作过程中需承受较大的生理与精
神压力,这也可能对操作精准性与稳定性造成影响,导致各类并发症的发
生。近年来,骨科机器人的研发与临床转化进展迅猛,已全面参与到骨科
手术的术前规划及术中导航定位、辅助截骨及置钉等众多关键环节中,被
应用于脊柱、关节、创伤及骨肿瘤等众多骨科领域的手术治疗中,展现出
精确、安全的临床应用优势。
目前应用于临床的骨科机器人多采用以影像导航为基础的骨组织状态识
别方案,尽管基于术前影像学资料的三维重建、打印等术前规划以及术中
影像学的导航方案均可在一定程度上提高术中骨组织操作的精准性,但由
于术中待切割的骨组织区域会出现移位、形变,而且切割工具与骨组织的
机械接触、切割过程中的冲洗水流以及出血等情况均可能造成与术前规
划的不同或影响术中导航,从而降低骨组织操作的精准性,这无形中增加
了邻近解剖结构的损伤风险。
因此,采取有效的术中骨组织状态感知方法,指导并得到机器人进行术中
骨组织操作进程的反馈,保证其精准性与安全性十分必要。本文对影像学
、力学信号、生物电阻抗、声学信息等不同骨组织状态感知方法的研究
进展进行综述,以期为后续骨科机器人的研发与应用提供参考。
一、基于影像学的骨组织状态感知及局限性
1.基于传统影像学的骨组织状态感知:
术前影像资料是骨科机器人辅助规划理想操作路径的前提,术中影像资料
则是精准实现手术操作的基础,得益于骨组织与血管、肌肉、神经等在影
像学上的差异,可采用c臂机、O臂机及CT影像学导航进行骨组织识别。
研究显示,导航引导下的脊柱椎弓根螺钉置入准确率可达94.5%~99.0%,
显著优于经验丰富的脊柱外科医师徒手置钉的准确率。与传统影像学导航
相比,机器人辅助椎弓根螺钉置入的准确性更高。机器人辅助可以显著减
少医患的放射性曝露,有效保护人体健康。
此外,基于骨组织的各项影像学特征衍生出多种骨组织状态感知策略。
Sunetal提出了一种基于影像学,由U-Net派生网络、灰度再分布及动态
感受野组成的骨组织状态感知方法,该方法可以辅助控制椎板开窗中的骨
组织磨削,避免了脊神经的损伤。Lietal报道了一种基于术前影像的骨钻
孔力学模型,该模型包含拟操作的骨组织形状与材料特性,可以预测骨钻
孔过程中的推力、扭矩和径向力等参数,动物实验结果显示该预测模型与
实际骨钻孔过程中的力学参数相似,可以为机器人辅助骨钻孔操作提供可
靠的力学参数支持。
2.基于增强现实(AR)技术的骨组织状态感知:
在传统影像学方法的基础上,以AR技术为代表的新型影像技术的发展为
术中骨组织状态感知提供了一个新的思路,其不仅在术前规划、手术培训
等方面取得了满意成果,而且也探索用于术中规划与操作可视化。AR技
术能够将真实术区环境与虚拟影像学信息呈现在同一视野中,可在术中充
分发挥导航优势,同时也提高了骨组织操作的精准性与安全性。Shietal
介绍了一种基于AR技术辅助导航的下颌骨整形机器人,动物实验结果显
示其辅助骨钻孔的精确度为lmm°Burstr6metal利用配套AR技术的机
器人进行椎弓根螺钉置入研究,结果显示AR技术辅助置钉的准确率显著
高于徒手置钉。此外,也有研究将AR技术用于椎体成形、脊柱微创以及
骨肿瘤切除等手术,同样获得了满意的临床结果。
3.局限性:
尽管基于影像学的骨组织状态识别技术可以实现高精确度的术前规划及
术中导航,但也存在一定的局限性:
①影像学技术能够获得的组织物理、生物特征信息有限,不能准确区分除
骨组织外的组织结构,这限制了其辅助骨组织操作的精确度。
②较依赖术前、术中的影像学资料,具有滞后性,无法在机器人辅助骨组
织操作中实现全程实时监测,存在一定的安全隐患。
③基于影像学的骨组织状态感知的整体精准性取决于术前规划与术中实
际解剖情况的配准度,但是术中体位变化、操作震动等都会给术中配准增
加难度,会降低机器人辅助骨组织操作的精确度,这可能会增加损伤邻近
血管、神经的风险。
二、基于力学信号的骨组织状态感知及局限性
1.单纯基于力学信号的骨组织状态感知:
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