骨科手术机器人组织-器械交互作用机理与多源信息感知方法研究

In the robot-assisted orthopedic surgeries, the significant variance among patients, tiny operation space and field of vision, as well as the non-obvious correspondence between anatomic mark and spatial location put forward higher challenges to orthopedic surgical robots. Currently, the lack of research on bone tissue-instrument interaction and accurate intraoperative sense has been the obstacle for advances in orthopedic surgical robots. The objective of this project is to improve the safety of orthopedic surgical robots by understanding the complicated bio-mechano-electro system composed of surgeons, robots and patients. Firstly, the meso-scale physical model of bone tissue will be built by considering the individualization of patients’ bone tissues and the variance in the pathologic statuses. Secondly, the coupled multiphysics finite element model for bone tissue-instrument interaction will be built and the mechanism for the interaction will be studied; in addition, the bone tissue injury will be evaluated by using organ-culture system. Thirdly, the relationship between the multi-information and the anatomical structure of the bone will be studied, and the common theoretical model for surgical status by considering the individualization and the pathological status of bone tissue will be built. Lastly, the methods for accurate sense and safety control of orthopedic surgical robots will be studied; with the accurate sense for surgical status based on multi-information fusion as the core, the safety control framework dominated by surgeons will also be established. The outcome of this project will provide basic theories and key techniques for the clinically useful orthopedic surgical robots in the aspects of accurate sense and safety control.

机器人辅助骨科手术中，由于患者个体差异性大、手术空间和视野狭小、解剖标志点和空间位置关系不明显等问题，对骨科手术机器人操作安全性提出了更高的挑战，目前骨组织-器械交互及术中精细感知研究不足已经成为制约骨科手术机器人发展的瓶颈。本项目以骨科手术机器人安全应用为目标，面向医生-机器人-患者复杂生物机电系统，考虑患者骨组织个性化和病理状态差异，建立骨组织细观物理模型；研究骨组织-器械交互作用影响规律，建立基于多物理场耦合的骨组织-器械有限元模型，并基于离体培养进行骨组织损伤评估；研究术中多源信息与骨解剖结构之间的关系，建立考虑骨组织个性化和病理状态的手术状态通用表征模型；研究骨科手术机器人精细感知和安全控制方法，以多源信息融合的手术状态精细感知方法为核心，构建医生为主导的安全控制框架。本项目的研究成果可形成临床可用的骨科手术机器人精细感知和安全控制基础理论与关键技术，为该类机器人的临床应用提供重要的理论支撑。

机器人辅助骨科手术中，骨组织-器械交互及术中精细感知研究不足已经成为制约骨科手术机器人发展的瓶颈。本项目从微观骨组织建模开展研究骨组织和器械的交互作用机理，本项目首先建立骨组织的细观模型，并研究骨组织细观模型多物理场耦合下器械和组织的交互作用规律，建立了骨组织-器械交互作用模型，获得了骨组织结构和临床骨形态参数间的关系，并通过活体动物大鼠颅骨钻削实验验证了骨钻和骨组织交互的骨损伤和热损伤验证模型的可信性。项目进一步研究骨组织切削过程中的力、振动等特征信号的差异性，建立了基于图像、力、声音等多源信息的手术状态通用表征模型，分析了模型的精度，解决了对不同骨层的识别感知问题。在振动信号的处理上将信号从时域变换到频域，并提出谐波能量比的方法对谐波量进行处理，在对声音信号的处理上提出了基于频率分布的方法用于实现对骨层的区分，并通过大量不同动物样本骨实验验证了所提方法的有效性；项目结合虚拟夹具和多源信息融合的手术状态精细感知模型，构建了医生为主导的机器人辅助骨科手术的安全控制框架；最后通过搭建机器人辅助手术实验平台，开展模型骨离体实验、活体猪动物实验、人体病理股骨钻削实验等，验证了本项目研究的精细感知模型和安全控制模型的可行性和有效性。项目研究成果对于降低骨损伤，提高手术微创效果等方面进行了理论方面的支撑。同时通过机器人辅助手术，进一步验证手术机器人参与骨科手术的安全性和手术质量，为骨科手术机器人的临床应用起到了促进作用。