光学导航颅颌面外科智能机器人软件系统中数据通信及虚拟手术的关键技术研究及开发应用

The craniomaxillofacial surgery, especially the surgical treatment of bone diseases or deformities, must be performed accurately and safely. Combination with the optical navigation technology and surgical robot is the mainstream and developmental trend in this international research field. In the past 10 years of research, our group researched and developed the multi -DOF robotic arm assisted craniofacial reconstructive surgery based on the optical navigation system. But due to the old software system could not integrated the functions of navigation system and robotic control system, and its functions for virtual surgery and movement design, which has limited the development and application of surgical robot. Therefore, this research project will be carried out in 1) data communication and the algorithm research between the optical navigation system and surgical robot, and establishment of the data communication module of software system. 2) design and development of the virtual surgery module of software system, simulation of the cutting, milling and drilling in craniomaxillofacial bones, and plan of the surgical robotic movement. 3) the accuracy analysis of the software system of optical-navigation-guided craniomaxillofacial surgical robot, and the complete the experimental research of bone operation. Aims at the clinical practical problems of craniomaxillofacial bony surgery and the needs of developments in surgical robot, the success of our research will be a great breakthrough and innovation of surgical robot in the field of craniomaxillofacial surgery.

颅颌面外科，特别是对骨性疾病或畸形的手术治疗，必须施以精准、安全的定位手术操作，与光学导航技术、外科机器人技术相结合是本领域国际主流和前沿发展趋势。本项目组在近10年的前期研究中，建立了基于光学导航机械臂辅助颅颌面外科整复手术的技术方法和路线。但由于原有软件系统不能实现光学导航和机器人控制的功能统一，虚拟手术与运动规划的功能简单，限制了外科机器人技术的发展和应用。所以，本项目将开展1）光学导航系统和外科机器人的数据通信及其算法研究，建立软件系统数据通信模块；2）软件系统虚拟手术模块的设计与研发，实现颅颌面部截骨、磨骨及钻骨的手术模拟，并对外科机器人执行任务的运动轨迹进行规划。3）光学导航颅颌面外科机器人软件系统的精度验证，并完成实验手术研究。旨在着重针对颅颌面部骨性手术的临床需求和外科机器人技术的发展需要，其研究成果将是外科机器人技术应用于颅颌面外科领域的重大突破和创新。

颅颌面部患者由于对功能重建和形态恢复具有强烈要求，外科医生在实施手术时需要做到精准、微创和安全。随着数字化技术的快速发展，如光学导航技术、外科机器人技术，充分利用其技术优势来提高手术效果，是外科领域的发展趋势。但在前期的颅颌面外科机器人研发过程中，本项目组发现实验用的和商业化的软件系统均无法满足光学导航外科机器人的临床应用需求，因此开展了以下工作：.1、针对要求精细而手术区域不规则的颅颌面骨性手术，研发了光学导航颅颌面外科机器人的软件系统CMF Robot Plan。.2、软件系统具有数据通信模块，能够实现各硬件组件间的实时通讯；具有虚拟手术模块，能够实现模型几何测量、术前手术规划、手术运动轨迹设计、术中导航等功能；并优化了外科机器人的运动控制算法，提高了系统的运行效率。.3、通过对10例临床影像数据的测量，与商业化软件相比，组内相关系数ICC检验得出线距统计量为0.994（0.9701-0.998）、角度统计量为0.987（0.949-0.997），两组数值均大于0.75，即CMF Robot Plan与SimPlant在线距、角度的测量功能上两者一致性较好，初步验证了软件系统在二维线距和角度的测量精度。.4、软件系统的监控下，外科机器人在光学导航引导下顺利地完成了仿临床的颅颌面部骨性实验手术，右侧上颌骨Le Fort I型截骨的应用误差为1.04±0.12mm，左侧上颌骨Le Fort I型截骨的应用误差为1.09±0.26mm，颏成形截骨的应用误差为1.24±0.14mm，整体的截骨的应用误差为1.12±0.20mm。通过Kruskal-Wallis H检验分析三组截骨误差的差异，结果H=2.08，p=0.353>0.05，表明三组光学导航引导机器人的截骨应用误差差异无统计学意义，也初步说明了软件系统在机器人实施三组截骨实验手术时的重复性良好。.本项目研究了光学导航颅颌面外科智能机器人软件系统中的关键技术，提交的软件系统能够满足机器人辅助颅颌面骨性手术的实验测试需求，具有自主知识产权，能够根据不同骨性手术类型的需求进行再次开发，以在临床上应对神经外科、口腔颌面外科、耳鼻喉科等高难度复杂手术，有助于推动外科机器人技术的发展，具有临床及科学意义。