骨科手术导航技术的现状与未来汇总.
骨科病诊治中的新技术及其发展趋势
骨科病诊治中的新技术及其发展趋势作为医疗科技不断进步的一部分，骨科疾病的诊治也在不断更新换代。
新技术的涌现，让医疗工作者可以更加准确、快速地判断骨科疾病，为患者提供更加有效的治疗方案。
这篇文章将通过新技术在骨科疾病诊治中的应用，探讨其发展趋势。
一、数字化医疗的普及近些年来，数字化医疗技术的普及，大大提升了骨科疾病的诊治效率。
数字化医疗技术主要包括影像诊断技术、信息化管理技术、机器人手术技术等多个方面。
影像诊断技术如CT、MRI等，可以快速精准地判断出骨科疾病的类型及病变严重程度，为后续治疗方案的制定提供基础。
信息化管理技术如电子病历等，则可以让医生更方便地获取患者病史、治疗记录等信息。
机器人手术技术则可以减少手术创口，提高手术精准度。
数字化医疗技术的普及，让医生能够更快速、更准确地对骨科疾病进行诊断治疗，进一步提高了医疗效率。
二、3D打印技术的应用3D打印技术的发展，也在为骨科疾病的治疗带来一些新的机会。
一些骨科疾病的治疗需要使用人工骨或者骨替代材料，而传统的骨代替材料往往会出现排异反应等问题。
现在，随着3D打印技术的应用，医生可以根据患者具体情况，采用3D打印技术制造出符合患者需求的人工骨或骨替代材料，避免了传统人工骨接受过程中的排异反应等一系列麻烦。
除此之外，3D打印技术还可以制造不同类型的手术器械，为手术提供更多选择，提高手术成功率。
三、远程医疗的逐渐普及随着科技的不断更新换代，远程医疗技术也逐渐成为一种新趋势。
远程医疗技术可以让患者与医生进行视频咨询等方式，解决因地域限制等原因无法进行面对面就诊的问题。
对于一些不严重的骨科疾病，远程医疗技术的应用，可以让患者更加方便、快速地获得医生建议。
而对于一些比较严重的病例，医生通过远程医疗技术也可以提供更及时的指导，进一步加快病情的判断和治疗进度。
四、激光设备的应用逐渐增加激光设备的应用在骨科领域也逐渐增加。
激光治疗技术可以用于关节炎等关节疾病的治疗，通过激光的照射，可以缓解关节炎等疾病带来的疼痛等症状。
骨科手术中的导航技术研究与应用
骨科手术中的导航技术研究与应用随着医疗技术的发展与人们健康意识的提高，骨科手术在医学界的应用越来越广泛。
而为了提高骨科手术的准确性和安全性，医学界开始使用导航技术。
今天，我们就来探讨一下骨科手术中导航技术的研究与应用。
一、导航技术的概念及分类所谓导航技术，就是利用计算机等科技手段来实现手术中的定位和导航，以提高手术的准确性和安全性。
从技术分类上，导航技术主要可以分为两类：视觉导航和惯性导航。
视觉导航是利用数字化手术内视镜以及计算机图像处理技术，来实现手术内部的导航。
而惯性导航是利用惯性传感器，测量手术过程中外部设备在空间坐标系下的位置、姿态等信息，以实现手术的定位和导航。
二、导航技术在骨科手术中的应用骨科手术需要切除和重建骨骼，一旦手术不当，可能会同时影响周围的器官和组织。
为了避免这种情况，医学界开始尝试使用导航技术，降低骨科手术的风险。
现在，导航技术在骨科手术中的应用已经非常广泛，特别是在关节置换手术、脊柱手术、切开骨骼肿瘤术、切开骨折手术等方面，导航技术都起到了重要的作用。
1、关节置换手术中的导航技术关节置换手术是一种对于关节进行置换，以达到矫正关节畸形和缓解疼痛的手术。
然而这种手术需要精确的定位和操作，对医生的个人技术及经验要求较高。
因此，在这种手术中使用导航技术，可以更加精准的定位骨骼，保证手术无误。
2、脊柱手术中的导航技术脊柱手术是一种治疗脊柱疾病的手术。
而脊柱是人体重要的支撑结构，手术过程中精度十分重要。
因此，使用导航技术可以最大限度地减少手术难度和风险，保证手术效果。
3、切开骨骼肿瘤术中的导航技术在切开骨骼肿瘤术中，肿瘤的位置和大小都决定了手术的难度和危险度。
因此使用导航技术，可以精准地定位肿瘤，同时保证周围的功能区不会受到影响。
以上只是骨科手术中导航技术的三个例子，实际上在骨科手术中，导航技术还有很多应用，并且正在逐渐发展壮大。
三、导航技术在骨科手术中的存在价值1、提高手术准确度在手术中，器官和组织的位置变化容易让医生产生错觉。
计算机辅助导航技术在骨科中的应用进展
计算机辅助导航技术在骨科中的应用进展近年来，计算机辅助导航技术在骨科领域得到了广泛的应用。
它可以提高手术的精准度和安全性，帮助骨科医生进行更加精细和准确的手术操作，同时减少手术的风险和并发症的发生率。
骨科手术需要准确的骨骼定位和精确的器械操作。
在传统的手术方式中，医生需要凭借自己的经验和观察来判断手术的进程和定位。
但是，由于人体解剖结构的复杂性，传统手术方式难以满足高精度操作的需求。
而计算机辅助导航技术可以通过对患者的骨骼数据进行三维数字化重建，实时反馈手术进度和器械位置，提高骨科手术的精度和安全。
计算机辅助导航技术在骨科手术中的应用主要包括两个方面：预操作计划和实时导航。
预操作计划是指通过将患者的骨骼数据进行数字化重建和模拟操作，帮助医生进行手术前的计划和准备。
实时导航是指通过将手术器械和患者的骨骼数据进行匹配和定位，实现手术过程的实时控制和精确导航。
在预操作计划中，计算机辅助导航技术可以对患者的骨骼结构进行数字化三维重建，并为医生提供更全面和准确的骨骼信息。
医生可以在计算机上进行模拟操作，制定手术方案和手术路径，提高手术过程的安全性和可控性。
同时，预操作计划还可以为医生提供手术器械的选择和定位方案，并优化术中操作流程。
在实时导航中，计算机辅助导航技术可以将术中手术器械的位置和患者骨骼结构进行匹配和定位，通过三维成像技术实时反馈手术器械的位置和移动方向。
医生可以通过计算机屏幕上的实时反馈信息，辅助手术器械的操作和调整，确保手术的精度和安全性。
与传统手术方式相比，计算机辅助导航技术可以将术中误差降至最低，减少手术风险和并发症的发生率。
除了在手术中的应用，计算机辅助导航技术在骨科领域还具有广泛的前景。
例如，在骨科康复治疗中，计算机辅助导航技术可以为医生提供更加全面和准确的患者数据，帮助医生进行更好的康复方案制定和治疗跟踪。
同时，计算机辅助导航技术还可以用于骨科教学和研究，为骨科学的发展提供更加良好的平台和空间。
导航引导机器人系统在骨科手术中的研究新进展
导航引导机器人系统在骨科手术中的研究新进展摘要近年来，导航引导机器人系统在骨科手术中的应用取得了显著进展。
本文综述了这些系统在脊柱手术、关节置换、骨折复位和骨肿瘤切除等领域的最新研究成果，重点讨论了系统架构和组件、计算机辅助骨科手术（CAS）、图像引导技术、神经网络和机器学习、嵌入式计算机视觉系统、基于多普勒和RFID的导航技术、视觉引导的机器人导航、机器人辅助手术系统的发展趋势以及自动化机器人手术和创伤骨科机器人的应用。
这些技术显著提高手术的精度、效率和安全性，未来将继续推动骨科手术的创新和进步。
这些进展在提高手术精度、缩短恢复时间以及减少并发症方面具有重要意义。
本文旨在综述导航引导机器人系统在骨科手术中的最新研究成果，重点讨论其在脊柱手术、关节置换、骨折复位和骨肿瘤切除等领域的应用。
1. 导航引导机器人系统的架构和组件导航引导机器人系统在骨科手术中的应用离不开其复杂的系统架构和高精度组件。
近年来的研究回顾了这些系统的最新发展，重点介绍了系统架构、组件整合及多模态图像注册技术。
未来的研究方向包括解决组件集成中的挑战，以满足外科医生在手术中的更高期望（Luo & Badreddin, 2022）。
这表明，随着技术的进步，系统的集成性和易用性将进一步提升，为手术提供更加可靠的支持。
2. 计算机辅助骨科手术 (CAS)计算机辅助骨科手术（CAS）利用机器人或图像引导技术，涵盖了术前规划、术中导航和手术机器人。
这些系统通过提供手术工具相对于目标骨骼的位置信息，提高了手术的精度和可重复性（Sugano, 2003）。
其中，计算机辅助设计（CAD）和3D打印技术的应用尤为突出。
这些技术不仅可以生成患者特定的解剖模型，帮助外科医生进行术前规划，还可以定制植入物，进一步提高手术的精确度（Bahadır et al., 2023）。
3. 图像引导骨科手术的进展图像引导技术在骨科手术中的应用显著提高了手术的精确度和安全性，减少了手术时间和并发症。
骨盆骨折手术机器人研究的现状、挑战与展望2023
骨盆骨折手术机器人研究的现状、挑战与展望2023摘要近年来，随着计算机技术和机器人技术的快速发展，手术机器人在骨科领域的应用越来越广泛。
与传统手术相比，手术机器人借助先进的导航定位系统、高精度的机械臂和自动化的手术规划系统可以实现精度高、创伤小、风险低的骨科猾（创手术。
骨盆骨折因特有的复杂解剖结构、危重的伤情和极高的手术风险使得手术机器人在其微创手术开展中展现出显著优势。
然而，与脊柱和关节手术机器人仅需导航定位功能不同，骨折手术机器人需融合复位和定位两项功能。
复位过程需解决如骨折端偶联关系、软组织牵拉安全、骨折端刚性把持等难题，因此骨折手术机器人的研发过程充满挑战。
本文探讨了手术机器人在骨盆骨折中的应用现状，并展望其未来方向，为推动骨科机器人的科研攻关和产业发展提供参考。
骨盆骨折是最严重的骨创伤，多发生于车祸、高处坠落等高能量创伤，一旦发生则严重威胁患者生命健康。
传统手术治疗骨盆骨折切口大、出血多，危重患者难以承受。
骨盆骨折微创手术因其创伤小、术后康复快而逐渐成为治疗的首选方案。
但骨盆解剖结构复杂，盆腔内容纳众多血管和脏器，传统微创手术需在术中持续透视下进行，因此难度大且风险高。
随着手术导航、机器人等先进技术和设备的快速发展，手术机器人因其精准的定位功能结合高精度、无辐射的手术导航系统在骨科手术中的应用正日益增多。
但目前手术机器人主要用于脊柱外科和关节置换手术，如国外的Mako.Mazor,国内的天矶®骨科手术机器人、骨圣元化馄错®全骨科手术机器人等［1,2］;而在创伤骨科，手术机器人的应用还处于起步阶段。
本期征集国内骨盆骨折手术机器人的最新研究成果，筛选并汇总了不同研究类型的优秀论文。
从机器人手术功能看，既有机器人辅助骨盆骨折微创置钉的研究，又有机器人辅助骨盆骨折复位的研究；从研究类型看，除8篇原创性论著外，还有天凯®骨科手术机器人应用教程以及手术机器人置入能器螺钉的系统评价研究；从研究对象看，既有研究着眼于传统高能量、高暴力的骨盆髓臼骨折，又有重点关注老年骨质疏松性骨盆骨折。
骨科领域的发展趋势与前景
作，为偏远地区或特殊环境下的患者提供及时有效的手术治疗。
03
多模态影像融合
机器人辅助手术系统可以实现多模态影像融合，将不同来源的医学影像
数据进行整合和处理，提供更加全面和准确的手术导航和定位信息。
03
智能化诊疗系统发展与应用
人工智能在骨科诊疗中应用
智能辅助诊断
01
利用人工智能技术，对医学影像、病历数据等进行分析，提高
02
新型技术与材料应用
3D打印技术在骨科领域应用
个性化定制
3D打印技术可以根据患者的具体 病情和骨骼结构，定制出完全符 合患者需求的个性化植入物或手 术导板，提高手术精度和效果。
复杂结构制造
3D打印技术可以制造出传统方法 难以加工的复杂结构和内部多孔 结构，使得植入物更加符合人体 生理结构，提高生物相容性。
快速制造
3D打印技术可以在短时间内制造 出所需产品，缩短了手术等待时 间和治疗周期，为患者带来更好 的就医体验。
生物可降解材料研究进展
生物相容性
生物可降解材料具有良好的生物相容性，可以在体内逐渐被降解吸收，不会对人体产生 毒副作用。
骨缺损修复
生物可降解材料可以作为骨缺损修复的支架材料，随着新生骨组织的逐渐形成，支架材 料逐渐降解并被吸收，最终实现骨缺损的完全修复。
脊柱疾病
如颈椎病、腰椎间盘突出等，常导 致疼痛和活动受限。
03
02
关节炎
关节炎症性疾病，包括骨关节炎、 类风湿性关节炎等。
运动损伤
运动员或活跃人群中常见的肌腱、 韧带和肌肉损伤。
04
现有治疗方法及局限性
保守治疗
包括药物、物理治疗和康复训练，但效果有 限。
手术治疗
如关节置换、脊柱手术等，创伤大、恢复时 间长。
骨科手术的新技术与进展
骨科手术的新技术与进展近年来，随着医疗技术的不断发展，骨科手术也得到了许多新的技术和方法的支持，使得骨科手术的效果越来越优秀，手术过程越来越安全和快捷，患者恢复的时间越来越短。
本文将介绍一些目前在骨科手术领域中的新技术和进展。
一、立体定向手术技术立体定向手术技术是一种通过计算机的三维重建，能够提供精确的手术导航的技术。
医生可以通过手术导航仪，在手术过程中实时了解患者身体内部的情况，对手术对象进行精确定位和操作。
这种技术在脊柱手术、脑外科手术、骨科手术等领域得到了广泛的应用。
由于立体定向手术技术具有高精度、高安全性的优点，与传统手术相比，立体定向手术可以减少手术过程中的创伤和出血，可以降低手术失败的风险和复发率，大大提高了手术的成功率和患者的生存率。
二、电子结构技术电子结构技术是一种通过电子技术实现骨科手术的技术。
在手术过程中，医生可以使用一个电子手术刀，通过将电能转换成高频电磁波，对患者的骨骼进行切割。
这种技术与传统手术相比，具有创伤小、手术时间短、出血少等优点。
电子结构技术可以用于骨髓穿刺手术、关节修补手术、骨折处置、植入人工关节等领域。
三、3D打印技术随着3D打印技术的不断发展，3D打印技术也被引入到了骨科手术领域。
通过3D打印技术，医生可以根据患者的个体化特征，对患者的骨骼进行高精度的重建和模拟，为手术提供精确的指导。
3D打印技术在骨科手术领域可以用于制作人工骨头、人工关节、骨修复材料等。
四、机器人辅助手术技术机器人辅助手术技术是一种集机械学、控制学、计算机科学、图像处理和动力学等学科于一体的技术。
在骨科手术中，机器人可以被操作来完成医生手术指示下的步骤，使得手术过程更加精确、迅速和安全。
机器人辅助手术技术在脊柱手术、骨折手术、人工关节置换手术等领域得到了广泛的应用。
总之，随着医疗技术的不断发展，骨科手术也得到了许多新技术的加持。
这些新技术在提高手术成功率和患者生存率的同时，也极大地降低了手术风险和痛苦，为患者提供了更加安全、快捷和有效的治疗方式。
骨科手术导航系统的设计与应用
骨科手术导航系统的设计与应用随着医疗技术的发展，骨科手术的稳定性和精度越来越高，但作为医生却难免会遇到一些比较特殊的病例，有时需要直接对病人进行手术。
这时，手术导航系统的应用就显得尤为重要，可以有效提高医生的操作精度和手术成功率。
一、骨科手术导航系统的基本原理骨科手术导航系统是一种通过计算机技术和医学图像处理技术实现的技术手段，可以帮助医生在手术中更加准确地定位和操作手术部位。
一般而言，手术导航系统由以下三个部分组成：1. 感知装置：感知装置主要是指一些传感器和定位器，如声音、视频、磁场等，可以实时地判断病人当前部位位置和姿势。
2. 导航软件：导航软件是整个导航系统的核心部分，通过对先前拍摄的病人影像进行三维空间重建，可以实现对病人各个部位的定位和跟踪。
医生在手术操作时，系统会自动显示手术器械和病人内部结构的位置信息，方便医生对手术部位进行判断。
3. 显示器：显示器是将实时获取到的病人影像和手术器械的位置信息合并并直观地呈现给医生的装置，可以使医生更加直观地了解手术部位的情况，提高手术精度。
基于上述原理，骨科手术导航系统被广泛应用于医疗机构，特别是在复杂的骨科手术中，可以使医生在保证手术精度的同时，减少手术时间和术后并发症。
二、骨科手术导航系统的设计与构成骨科手术导航系统的设计，需要深入了解医学和计算机技术，掌握医学图像处理技术和3D建模技术，并在初始化设计阶段，围绕着病人影像处理、器械跟踪、手术指令和影像呈现等重要环节，确定完整的系统框架和技术实现路线。
在设计阶段，需要考虑到医疗设备的多样性和操作体验效果，同时特别考量设备的通用性，保证医疗生态的稳定性和持续性。
另外，还需要注意到设备的制造成本与开放性，并围绕着现有的医疗设备设计开放接口，方便不同设备间的数据共享。
三、骨科手术导航系统的应用场景骨科手术导航系统是一个综合性医疗设备，应用广泛。
特别适合在一些高难度的骨科手术中使用，例如骨折复位术中，骨臂修复手术中，脊椎手术中等。
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新疆医科大学第五附属医院 数字骨科实验室 刘大鹏
通过导航系统提高手术精度已是手术 微创和数字化时代的必然趋势。
开放手术
微创
透视 导航
出血，创伤 视野受限 辐射
类型
1. 基于双目视觉的光学导航技术 2.基于3D打印导向板的导航技术 3.基于陀螺仪的导航技术
1.光学导航技术
表面点云，进行配准，
软组织的干扰，产生误差。
DRR投 精度高，完全自动配准 影法
DRR产生环节要消耗大 量时间
一类重要的点特征：角点
• 角点（corner points）：
–局部窗口沿各方向移动，均产生明显变化的点 –图像局部曲率突变的点
• 典型的角点检测算法：
–Harris角点检测 –CSS角点检测
• 据报道该系统膝关节置换对准精度接近 91%，而传统外科手术设备仅有68%。
• KneeAlign 2系统所采用的ADI i Sensor IMU内置三个加速计和三个陀螺仪，能分别 感应出直线运动和角向运动，从而完成六 自由度测量。i Sensor IMU能够准确跟踪所 有轴上的仪器运动。
Thank you！
，运算量也更大，要想达到实时性的要求也 更难。
图像的二值化
0, h(x, y) 1,
x, y A x, y A
000000000000000000000 000000000000000000000 000010000000000000000 000011110000000000000 0000111111110000000000 0000111111111110000000 0000111111111111100000 000000000000000000000 00000000000000000000
• 基于红外线的导航技术 • 基于可见代光学导航
第三代光学导航
光学导航的关键技术
1. 光学定位跟踪技术 2. 图像配准技术
图像配准技术发展现状
技术特点
缺点
点配准 需要在患者骨骼安装金属标志。
增加了创伤且不易自动识 别
面配准 需要使用激光或光学三维扫描仪获取骨骼 易受术中骨表面上血迹和
单阈值分割
g(x,
y)
1 0
f (x, y) T f (x, y) T
确定阈值
• 以NDI公司的Polaris Spectra红外光学追踪为例， 分辨率为1024×768，最大更新率60赫兹，最多同 时跟踪15个目标，最远探测范围2.4m，精度 0.25mm RMS。
• 以8位黑白灰度图像计算，每秒钟需要传输和计算 的数据量为：1024×768×8×60=377.487Mbps。
基于二值图像 的角点检测
主要考虑像素领域点的灰度变
基于模板 化，即图像亮度的变化，将与
邻点亮度对比足够大的点定义 为角点。
基于模板 梯度组合
基于轮廓曲线 的角点检测
OpenCV
软件实现
Matlab的图像处理工具箱
编程语言 开发实时系统
开源
脚本语言 测试算法 非开源
工作基础、可行性
基于MITK自主开发的图像处理软件
3.基于陀螺仪
• OrthAlign采用 ADI iSensor® IMU (惯性测量单元) 。 可以在数秒时间内 测定病人胫骨旋转 中心，并精密计算 出切骨角度。
• OrthAlign公司的KneeAlign 2系统已经得到 FDA（美国食品及药物管理局）510(k)许可 证。
• 操作简便，能达到光学导航系统同等的胫 骨和股骨测量效果。
• 如果同时跟踪多个目标，又将增加运算量 ，要想满足实时性对技术的要求将更高。
现有技术的最高理论传输速率
• USB2.0 • USB3.0 • Camera Link Full
480Mbp/S 5.0Gbps。 5.4Gbps
计算机图像处理算法是研究的重点
基于梯度
基于灰度图像的 角点检测
目前的角点 检测算法可 归纳为3类
1．角点是一阶导数(即灰度的梯度)的局部最大所对应的像素点；
2．角点是两条及两条以上边缘的交点；
3．角点指示了物体边缘变化不连续的方向； 4．角点处的一阶导数最大，二阶导数为零； 5．角点是指图像中梯度值和梯度方向的变化速率都很高的点。
基于可见光的定位和跟踪技术比基于红 外线的技术有许多优越性，但其技术更复杂
• 精度达到0.1mm RMS，则至少要使用2048×2048 的分辨率，最大更新频率为60赫兹，每秒钟需要传 输和计算的数据量为：2048×2048×8×60=2.013 Gbps，最大更新频率如达到100赫兹，每秒钟需要 传输和计算的数据量将达到3.355 Gbps。
• 光学定位的精度和图像的分辨率成正比， 和距离的平方成反比。
不同类型的角点
视频图像构成原理
O
m
Y
像素
nX
分辨率 m × n 如：480 ×640
灰度图像 I = f ( x, y )
彩色图像 IR = fR ( x, y ) IG = fG ( x, y ) IB = fB ( x, y )
制式 PAL / NTSC
视频图像 数字图像
什么是角点？
目前关于角点的具体定义和描述主要有如下几种：
• MITK (Medical Imaging Interaction Toolkit) 是一款开源的交互式医学图像处理 软件开发平台。
• 目前已能实现图像的分割，三维建模，图 像的配准功能，虚拟手术和手术器械路径 规划功能正在开发中。
定位跟踪系统的硬件构架框图
技术路线
基于灰度特征的投影法
2.基于3D打印技术