空间“十”字配准脊柱手术机器人导航方法

背景:现有用于椎弓根置入的脊柱手术机器人都要依赖计算机辅助导航系统进行定位和姿态控制,这样计算机辅助导航系统的不足在它们身上都会有体现。包含计算机辅助导航系统的手术机器人,不仅构成复杂,椎弓根置入的精度也难以进一步提高。目的:探索空间"十"字配准导航方法,控制自主研制的脊柱手术机器人进行更为精准、高效和安全的椎弓根置入。方法:将依据CT测量值设置的机器手的2枚导针置于两椎弓根中心轴线置入点上并通过X射线正侧位透视确定。令X射线设备的中心投照线先后与2枚导针的中心轴线重合,再从椎弓根轴位进行投照,使体外与体内"十"字配准,定位椎弓根峡部中心点(以下简称中心点)。依据"两点定一线"的原理,使导针通过两椎弓中心轴线置入点和椎弓根峡部中心点,脊柱导航手术机器人即可沿椎弓根中心轴线准确置入。依据规划置入点和置入线相应偏离两椎弓中心轴线置入点的距离和椎弓根中心轴线的角度,完成上述两点的确定或定位后,重新设置两导针中心轴线针尖水平之间的距离及夹角,同样"十"字配准后即可按规划路径准确置入。结果与结论:"十字配准、两点一线"的导航原理可引导脊柱手术机器人沿椎弓根中心轴线或规划路径准确置入,从而为脊柱手术机器人确定了新的、更为准确高效的导航方法。     

脊柱导航手术机器人寰枢椎椎弓根的双置入方法

背景:寰枢椎椎弓根内固定具有良好的生物力学效果,但因其椎弓根容积小、个体差异大,与脊髓、椎动脉及神经根等组织毗邻等原因使这一内固定技术的推广应用受到限制,寰枢椎椎弓根置入精度有待进一步提高。目的:探索自主研制的脊柱导航手术机器人进行寰枢椎椎弓根双置入的原理,以建立一种精度更高、更为安全且简便易行的新方法。方法:置入前在头尾侧等分椎弓根的寰枢椎CT剖面图像上,于正中矢状线两侧、椎骨后部弧形骨线上各选取一点,其联线构成一条横线;位于该横线与切过寰枢椎后部最远点的水平线间的正中矢状线构成一条竖线,这样就在寰枢椎椎骨上即体内设置了一条长度已知且相互垂直的横线与竖线。术中在双置入机器手两定位杆尖端间和线配准器上各设定一条相互垂直的横线和竖线,即体外横线和竖线,其长度分别与体内横线和竖线相等。通过X射线侧位透视,将体内和体外的横线与竖线配准,并使两定位杆的尖端紧压寰椎后弓骨面,从而确定寰枢椎椎骨的正中矢状面、冠状面及水平面。设定双置入机器手两导针中心轴线间的距离与左右两置入点间的距离相等,且其中心轴线与正中面的夹角与术前测量的椎弓根中心轴线与正中矢状线的夹角相等,实时动态监测下,脊柱导航手术机器人沿椎弓根中心轴线准确双侧置入。结果与结论:应用脊柱导航手术机器人行寰枢椎椎弓根双置入,当体内、外的横线及竖线配准及双置入机器手两定位杆的尖端紧密接触弧形骨面时,两导针的尖端只能落在左右椎弓根的置入点上。实时动态监测下,可保证沿寰枢椎左右椎弓根中心轴线准确双置入。     

脊柱导航手术机器人寰枢椎椎弓根的双置入方法

背景：寰枢椎椎弓根内固定具有良好的生物力学效果,但凶其椎弓根容积小、个体差异大,与脊髓、椎动脉及神经根等组织毗邻等原因使这一内固定技术的推广应用受到限制,寰枢椎椎弓根置入精度有待进一步提高。目的：探索自主研制的脊柱导航手术机器人进行寰枢椎椎弓根双置入的原理,以建立一种精度更高、更为安全且简便易行的新方法。方法：置入前在头尾侧等分椎弓根的寰枢椎CT剖面图像上,于正中矢状线两侧、椎骨后部弧形骨线l各选取一点,其联线构成一条横线：位于该横线与切过寰枢椎后部最远点的水平线间的正中矢状线构成一条竖线,这样就在寰枢椎椎骨上即体内设置了一条长度已知且相互垂直的横线与竖线。术中在双置入机器手两定位杆尖端间和线配准器上各设定一条相互垂直的横线和竖线,即体外横线和竖线,其长度分别与体内横线和竖线相等。通过X射线侧位透视,将体内和体外的横线与竖线配准,并使两定位杆的尖端紧压寰椎后弓骨面,从而确定寰枢椎椎骨的正中矢状面、冠状面及水平面。设定双黄入机器手两导针中心轴线间的距离与左右两置入点问的距离相等,且其中心轴线与正中面的夹角与术前测量的椎弓根中心轴线与正中矢状线的必角相等,实时动态监测下,脊柱导航手术机器人沿椎弓根中心轴线准确双侧置入。结果与结论：应用脊柱导航手术机器人行寰枢椎椎弓根双置入,当体内、外的横线及竖线配准及双置入机器手两定位杆的尖端紧密接触弧形骨面时,两导针的尖端只能落在左右椎弓根的置入点上。实时动态监测下,可保证沿寰枢椎左右椎弓根中一山轴线准确双臂入。     

无框架脊柱导航手术机器人腰椎弓根标准轴位引导置针

背景:腰椎弓根螺钉内固定具有很好的生物力学效果,是目前脊柱外科常用的技术.各种各样的经椎弓根引导置入方法,包括计算机辅助导航等,均存在一定的失误率,误置会导致严重后果.目的:采用自主研发的无框架脊柱导航手术机器人,在椎弓根标准轴位透视引导下置入导针,以期为临床探索一种精准度更高、操作更为简便的经椎弓根穿刺或置入方法.方法:取6具干燥腰椎体标本(L1～L5),置针前用CT扫描并三维重建后,测量椎弓根中心轴线与椎体自身矢状面的夹角α,以及它与椎体上终板前后缘连线所在平面的夹角β.术中C臂机透视确定腰椎骨标准正位像后,依据α与β角度将其向目标侧椎弓根旋转,进行椎弓根标准轴位投照,遥操作机器人,令导针沿椎弓根近圆环状投影的中心置入.置针后摄椎体侧位像、轴位像观察导针的位置,并行CT扫描测量针道α及β角. 结果与结论:60个椎弓根均成功置入导针,置针后椎体X射线侧位像、轴位像及CT扫描横断面图像显示导针位于椎弓根中心,均未见导针接触或穿破椎弓根骨皮质.提示椎弓根标准轴位投照引导下无框架脊柱导航手术机器人置针,是一种精准度高、可靠安全的新方法,操作简便,并能减少或避免射线暴露.     

三维虚拟图像导航技术在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用

背景:近年来经椎弓根螺钉固定技术显著提高了脊柱固定强度和融合效率,但是椎弓根螺钉置入位置不佳可能损害脊髓和神经引起严重并发症.目的:评估置入前CT扫描二维虚拟图像导航技术在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用价值.设计、时间及地点:前瞻件、随机对照观察,于2006-01/2008-12在中国医学科学院北京协和医院骨科完成.对象:纳入因脊柱疾病行椎弓根螺钉固定的患者95例,导航组45例,常规组50例.方法:将95例患者按随机数字表法分为2组,导航组术中在计算机导航技术辅助下置入椎弓根螺钉,常规组采用传统的解剖标志法结合术中透视定位置入椎弓根螺钉.主要观察指标:比较2组间螺钉钉道准备时间、螺钉位置优良率及螺钉置入后并发症的发生率.结果:导航组中36例患者共置入椎弓根螺钉206枚,优良率96.1%:有9例患者因故未能行导航.常舰组50例患者共置入椎弓根螺钉285枚,优良率100.0%,无位置差的螺钉.2组患者的螺钉位置优良率差异无显著性意义(P>0.05).导航组的钉道准备时间显著长于常规组[(360±22),(56±8)s,P<0.01].2组患者螺钉置入后均无并发症发生.结论:与传统解剖标志定位法相比,应用置入前CT扫描三维虚拟图像导航技术置入椎弓根螺钉的精度无明显差异,且延长了手术时间,其在脊柱椎弓根螺钉固定中的应用价值有限.     

让昨天告诉今天:计算机辅助骨科手术导航的学术与技术发展

1986年,美国的Roberts等率先将计算机辅助手术导航技术应用于神经外科. 计算机辅助手术导航系统是经典(框架) 立体定向技术、现代影像诊断技术、微创手术技术、电子计算机技术和人工智能技术结合的产物.     

基于深度学习的2D/3D图像配准方法在脊柱微创导航手术中的应用北大核心

目的:探讨基于深度学习的2D/3D图像配准方法在脊柱微创手术导航中的应用效果。方法:对LIDC⁃IDRI数据集中20例病人的术前3D脊柱CT影像和术中2D的X⁃ray影像实施分步配准。首先,将三维CT影像进行空间变化,投影到二维平面。通过卷积神经网络(CNN)对生成的二维图像进行训练并学习相关特征,将待配准图像输入学习网络,得到相关参数,完成粗配准。其次,对术前脊柱CT影像进行分割,计算浮动图像与参考图像间的相似度,通过参数优化算法对椎骨进行精确配准。采用Elastix作为对照组。结果:与对照组相比,本研究提出的方法在归一化互相关指标上提高了0.1856,在归一化互信息指标上提高了0.4456,在平均绝对误差指标上降低了0.0978。结论:该算法配准精度高,提示将深度学习方法应用于脊柱CT图像配准是一项具有前景的研究。     

基于空间自动配准手术计划系统的设计和实现

文章提出了一种基于手术空间和图像空间自动配准的手术计划系统设计和实现方法:①选取3个有一定间隔的横断面.②使用模板匹配法自动识别每一个横断面上的标志点.③用识别的数据建立手术空间和图像空间的刚体变换模型,再用最小二乘法解方程组得到两个空间的最优变换矩阵和平移矩阵.最后再通过建立脑空间和图像空间映射关系来计算功能靶点坐标.基于以上算法设计了手术计划系统软件,对比了手动和自动方法识别标志点的运行时间,并设计系统改进前后功能靶点计算值和手术空间实际测量值对比实验.结果证明以上方法有较好的靶点计算速度和精度.     

学科新闻：郑州大学第一附属医院成功研制出世界首台无框架脊柱导航手术机器人

郑州大学第一附属医院张春霖博士经过近10年的潜心研究，终于研制出世界首台无框架脊柱导航手术机器人，并成功完成动物实验和人体脊椎骨标本实验，圆满解决了脊柱椎弓根钉置入精度的难题。     

基于灰度的二维/三维图像配准方法及其在骨科导航手术中的实现

目的随着基于医学图像导航的手术对三维信息需求的加强,建立二维/三维的医学图像配准算法,在二维规划的基础上引入三维信息。方法首先,将获取的骨盆图像体数据集通过投影得到DRR图像,将获取的X线图像进行校正;然后,利用灰度相似性测度配准DRR图像和无失真X线图像。结果在初始位置相对坐标位移<20mm,角度<5°时配准精度小于1.47%,取得良好的配准结果。结论本文提出的基于灰度计算的配准技术能够实现术中二维医学图像与术前三维医学图像的配准,实现术中二维/三维手术规划相结合。     

一种基于2D／3D配准的脊柱术中校正方法

背景：脊柱术前三维影像有助于诊断和治疗,术中患者体位变化将引起脊柱形态改变,致使术前影像不能反映术中实际情况,无法确保手术的顺利实施。目的：利用脊髓手术中影像校正术前脊柱模型形态。方法：实验提出了一种基于2D／3D配准的脊枉术中校正方法,借助数字影像重建技术完成术前X射线图像与CT体数据的2D／3D配准,进一步完成术中、术前X射线图像中独立椎段的特征匹配,利用上述配准结果实现术前脊柱CT模型的术中快速校正。结果与结论：采朋附有标记的颈椎标本进行实验,校正后可基本消除术前脊柱模型与术中形态的偏差,其误差可控制在1mm以内,能够满足医学临床要求。     

数字化导航模板辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置钉的准确性

背景：目前国内外学者已将椎弓根螺钉内固定技术应用于儿童脊柱损伤治疗中,儿童胸椎椎弓根细小,解剖结构变异大、毗邻关系复杂,如将以成人数据为依据的椎弓根螺钉技术简单地应用于处于不断生长发育的儿童,手术风险极大,提高置钉的准确性和降低失误率成为儿童椎弓根内固定技术能否深入开展的关键所在。目的：利用计算机辅助设计与快速成型技术为儿童胸椎椎弓根螺钉置入提供一种个性化、精确化的定位方法。方法：对4例儿童尸体标本CT 扫描后将原始数据利用软件进行三维重建,将标本随机分为2组：一组采用传统椎弓根内固定法,另一组采用逆向工程原理及快速成型技术设计并制造出个体化导航模板,利用个体化导航模板在标本上辅助置入腰椎椎弓根螺钉,随后分别根据CT 扫描评价椎弓根螺钉置钉位置。结果与结论：传统椎弓根内固定法置钉准确率为58%;而个体化数字导航模板法的置钉准确率为81%,置钉成功率优于传统手术组,且经过卡方检验两者之间差异有显著性意义（P〈0.05）。提示个体化导航模板辅助儿童胸椎椎弓根螺钉置入具有较高的准确率,充分体现了置钉个体化原则,为儿童胸椎椎弓根螺钉的准确置入提供了一种新的可行的方法。     

经皮椎弓根钉微创手术治疗脊柱骨折的临床护理干预方法

目的总结分析经皮椎弓根钉微创手术治疗脊柱骨折的临床护理干预方法。方法选取商洛市中心医院经皮椎弓根钉微创手术治疗的脊柱骨折患者,其中2013年1月1日至2014年1月1日接受常规护理的30例患者作为对照组,2014年1月1日至2015年1月1日接受优化护理的30例患者作为试验组,观察、比较两组患者的临床治疗结果。结果试验组患者手术出血量(73.2±12.3)mL和手术时间(90.4±12.2)min均优于对照组患者的(105.4±14.2)mL和(115.4±18.2)min;试验组患者的锥体前缘高度比值增加(59.2±11.2)%和Cobb角(9.0±1.1)度均优于对照组的(49.1±8.9)%和(12.9±2.1)度,差异均有统计学意义(P0.05)。结论经皮椎弓根钉微创手术治疗脊柱骨折患者的临床护理干预效果显著,能促进患者恢复,可考虑在临床中加大推广力度。     

一种基于2D/3D配准的脊柱术中校正方法

背景:脊柱术前三维影像有助于诊断和治疗,术中患者体位变化将引起脊柱形态改变,致使术前影像不能反映术中实际情况,无法确保手术的顺利实施。目的:利用脊髓手术中影像校正术前脊柱模型形态。方法:实验提出了一种基于2D/3D配准的脊柱术中校正方法,借助数字影像重建技术完成术前X射线图像与CT体数据的2D/3D配准,进一步完成术中、术前X射线图像中独立椎段的特征匹配,利用上述配准结果实现术前脊柱CT模型的术中快速校正。结果与结论:采用附有标记的颈椎标本进行实验,校正后可基本消除术前脊柱模型与术中形态的偏差,其误差可控制在1mm以内,能够满足医学临床要求。     

计算机辅助导航下脊柱内固定手术中的护理问题及处理方法

[目的]探讨计算机辅助导航下脊柱内固定手术中的护理问题及处理方法。[方法]将2009年1月—2012年1月62例脊柱外科手术病人根据手术方式的不同分为两组,常规手术组32例,计算机辅助导航下脊柱内固定手术组30例,比较两组病人皮肤护理、体位安置时间及配合护士工作量的差异。[结果]两组病人均顺利完成手术,两组病人皮肤护理、体位安置时间及工作量比较差异有统计学意义。[结论]术前做好准备工作、备齐手术用物、做好沟通协调工作才能确保手术顺利进行及保证病人安全。     

3D数字打印导航模板技术在青少年脊柱侧弯手术中的应用

目的 探讨3D数字打印导航模板技术在青少年脊柱侧弯手术中的应用效果。方法 选取2021年1月至2023年1月郑州市骨科医院收治的72例青少年脊柱侧弯患者为研究对象。按照随机数字表法分为对照组与观察组,每组36例。对照组以常规手段进行椎弓根螺钉固定矫形术治疗,观察组以3D数字打印导航模板技术辅助椎弓根螺钉固定矫形术。对比两组手术情况、并发症发生率、术中置钉有效率、脊柱活动度等。结果 观察组手术时间、术中出血量、术中透视次数、术后住院时间均小于对照组(P<0.05)。观察组并发症发生率(5.56%,2/36)低于对照组(22.22%,8/36),差异有统计学意义(χ²=4.181,P=0.041<0.05)。治疗后,观察组置钉有效率(91.67%,33/36)高于对照组(72.22%,26/36),差异有统计学意义(χ²=4.600,P=0.032<0.05)。术前,两组脊柱活动度比较差异未见统计学意义(P>0.05);术后3个月,两组脊柱活动度均高于术前,且观察组脊柱活动度均高于对照组,差异均有统计学意义(P均<0...     

改良“三位一体”防护法预防脊柱机器人俯卧位手术中压力性损伤的效果

目的 探讨改良“三位一体”防护法预防脊柱机器人俯卧位手术中压力性损伤(PI)的效果.方法 选择行脊柱机器人椎间融合器植入植骨融合手术患者61例,随机分为观察组31例和对照组30例.观察组采用改良“三位一体”防护法,即联合使用石蜡油、经亲水助剂处理后的熔喷无纺布及硅凝胶垫;对照组采用常规方法,即联合使用液体敷料、泡沫敷料...     

本刊“医学植入体”栏目组稿重点：计算机辅助骨科手术系统（CAOS）在椎弓根螺钉置入中的应用

在脊柱外科,计算机辅助骨科手术广泛应用于各节段的椎弓根螺钉固定的导航手术中,传统的椎弓螺钉固定技术是靠C臂或术中摄片提供形态学的监测方法,但对椎弓根螺钉三维的位置不能准确的判断，且X线检测存在较多的假阴性，因此，术中必须探测椎弓根钉道上、下、内、外、前五个壁的完整性。     

本刊已出版的“脊柱外科有限元分析”热点文章题录

不同矫形力矫正特发性脊柱侧凸的三维有限元分析[关键词]特发性脊柱侧凸;脊柱后凸;三维有限元分析自制椎板钩分散椎弓根螺钉系统应力作用的有限元分析[基金]2002年度广东省科技计划重点项目资助（2002C30206）[关键词]椎弓根螺钉;椎板钩;