● 摘要
本文以北京市科技计划“微创骨科手术中心”（项目编号：H060720050230）和国家“十一五”科技支撑计划“图像引导下外科手术导航系统研究”（项目编号：2006BAI03A16）为背景，对膝关节环境内的骨骼和韧带进行了三维可视化、骨骼三维形变技术、前交叉韧带（ACL）等软组织的变形算法、关节模型的生物力学分析、韧带的零重力测力平台、ACL重建手术的仿真、ACL重建手术导航、以及重建导航手术的实验等进行了一系列的研究，并进行了153例模型骨、动物骨的实验，取得了良好的效果。围绕膝关节ACL重建这一类手术，针对目前手术中大多使用二维图像、医生缺乏三维的直观感觉、容易引起手术失败等问题，本文展开了对膝关节模型三维重建的方法研究，分析了三维可视化的多种绘制方法和软件工具，确定了利用三维可视化工具包（VTK，Visualization toolkit）对计算机断层（CT，Computer tomography）图像重建骨骼（股骨、胫骨、髌骨）和有限元医学分析软件（Mimics）对核磁图像（MRI，Magnatic resonance imaging）重建软组织（韧带、半月板、关节软骨）的方法，并提出了利用Mimics进行融合配准和逆向工程软件（Geomagic）进行模型优化的方法。在三维模型基础上，进行了骨骼三维形变技术的研究，解决了计算机辅助手术三维导航技术中无法利用术前CT重建模型进行病人个体化手术的问题。在关节模型的生物力学分析方面，首先是从韧带的生物材料和解剖结构角度分析了其生物力学特性，阐述了杆件模型的应力应变关系，并从粘弹性材料的特性分析，给出了粘弹性材料的Maxwell、Voigt、Kelvin三种力学模型，在此基础上，进行了ACL各向同性和横观各向同性的数学模型推导和结果分析。最后进行了关节模型的韧带受力时的有限元分析，得到了位移与时间的曲线关系，从而为ACL重建手术的术后评估奠定了理论基础。在ACL的测试方面，设计并研制了基于零重力的小型化3自由度测力实验平台。分析了零重力模型的组成和特点，设计出测力实验平台的机构；在综合分析各种已有的电机、压力传感器、位移反馈装置的基础上，从性价比角度考虑，选型出适合该测力实验平台所需要的相关元件，并选择出恒压恒流电源；针对该实验平台实现的功能，设计开发了基于嵌入式技术的控制系统，实现了上位机控制和语音控制的人机交互。该测力实验平台解决了ACL重建手术的术后缺乏效果评估的问题。在膝关节ACL重建手术仿真方面，详细设计了仿真平台系统的结构，开发了关节前交叉韧带重建手术的仿真系统，给出了详细的程序开发流程和关节前交叉韧带重建手术的仿真系统，进行了ACL变形算法的研究。通过对反馈力和延时的实验验证，证明对ACL重建手术的仿真是有效的。针对ACL植入点位置难以确定的问题，开发了基于图像和无图像的重建导航系统，介绍了各个模块关键技术的实现，并针对手术中的钻孔，研制了6自由度的被动式机器人，给出了导航定位的数学模型。最后，对论文中ACL的侧向受力分析、基于零重力的测力实验平台、以及导航系统的整体性能和精度进行了实验验证，并给出相关的误差分析。对光电相机NDI Polaris和视频相机Micron Trakcer的定位精度进行了实验对比。通过42例模型骨和24例动物骨，对基于图像的ACL导航重建系统进行导航定位实验，实验结果表明系统精度可达到1.59mm，通过48例模型骨和39例动物骨，对基于光电相机的导航系统进行导航定位实验，实验结果表明系统精度可达到1.45mm。并且系统性能稳定可靠，都得到了医生的认可，验证了本文理论方法和关键技术的正确性，实验证明系统可用于临床。