基于高斯过程突破检测的骨科手术协作钻孔辅助系统

《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》：Cobotic drilling assistant for orthopedic surgery using Gaussian process-based breakthrough detection

　　

摘要

目的：

我们介绍了一种由协作机器人辅助的皮质骨钻孔技术，该技术应用于股骨或锁骨骨折的手术中。这种技术需要极高的精度，因为微小的偏差可能会通过软组织穿透（STP）导致并发症。人机协作（HRC）结合了外科医生的专业技能与机器人的稳定性和感知精度。通过集成式的力/扭矩传感器和关节速度传感器，机器人助手能够被动引导钻孔过程，并在发生软组织穿透时立即停止。

方法：

该系统使用机械臂在钻孔过程中被动引导外科医生，并在发生穿透时主动停止。检测算法是实时的且无需模型的，它依赖于在线高斯过程（GP）回归来适应不同的钻孔条件。该系统在用户研究中进行了评估，实验组共有16名参与者，对照组共有17名参与者，使用深度相机测量了软组织穿透的距离。

结果：

使用初始锋利的3.2毫米钻头对股骨、尺骨和通用骨样本进行了钻孔。在所有类型的骨样本中，实验组的钻孔精度均优于对照组，其偏差量为6.79毫米（p<0.001）；对于通用骨样本，实验组的钻孔精度甚至低于有经验的外科医生报告的软组织穿透距离5.1毫米，偏差量为2.54毫米（p<0.02），尽管本研究仅测试了非专业参与者。即便是基于阈值的基线算法也未能达到实验方法的精度水平。

结论：

这些发现证明了人机协作和实时穿透检测方法在提高骨科钻孔安全性方面的潜在价值，为未来的临床应用和外科培训奠定了坚实基础。