脊柱外科手術(shù)作為骨科手術(shù)的一個分支，由于脊柱本身的特殊解剖結(jié)構(gòu)及其對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要保護作用，因而被認為是風險最高、難度最大的外科手術(shù)之一，近些年來針對脊柱外科手術(shù)的各種輔助手術(shù)機器人系統(tǒng)成為了醫(yī)療機器人領(lǐng)域的一個研究熱點。在脊柱手術(shù)中骨組織的手術(shù)操作中，對手術(shù)機器人末端承載力、定位精度、操作穩(wěn)定性具有更高的要求，本文將以椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)為應用背景，重點研究機器人機構(gòu)設(shè)計、圖像導航、導航定位控制等關(guān)鍵技術(shù)，為脊柱手術(shù)機器人的臨床應用做準備。

脊柱手術(shù)主要用于治療脊柱畸形、壓縮性骨折、椎間盤病變以及脊髓壓迫等疾病，較為常見的手術(shù)包括椎板減壓術(shù)、脊柱融合術(shù)、椎間盤置換術(shù)等。典型脊柱手術(shù)往往需去除、替換病灶部位的組織進行治療，從而導致脊柱的原有力學結(jié)構(gòu)都會在一定程度上受到破壞，降低了脊柱對軀干支撐的穩(wěn)定性。因此，脊柱手術(shù)中往往同時使用椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)對脊柱進行穩(wěn)定性重建。典型的脊椎骨結(jié)構(gòu)包括椎體、棘突、橫突、上/下關(guān)節(jié)突、乳突、椎孔等。由于脊椎的橫突、椎板、上下關(guān)節(jié)突均匯合在椎弓根的同一點上，因此，此處的力學性能最好。在臨床上，醫(yī)生往往將骨釘通過狹窄的椎弓根處植入椎體內(nèi)，以期獲得最好的固定強度和穩(wěn)定性重建效果，因此，穩(wěn)定性重建手術(shù)又被稱為椎弓根釘內(nèi)固定術(shù)。

臨床上，醫(yī)生基于圖像導航系統(tǒng)完成手術(shù)診斷和手術(shù)規(guī)劃以確定手術(shù)釘?shù)缆窂健Ｔ谑中g(shù)中，醫(yī)生首先使用開路器或骨鉆進行鉆釘?shù)啦僮?；然后將骨釘沿釘?shù)乐踩爰棺倒莾?nèi)；之后將固定連桿彎曲至適當形狀以適應所植入的骨釘之間的位置，并將連桿放入骨釘后部的U型槽內(nèi)；最后用螺母將連桿固定，以完成脊柱穩(wěn)定性的重建過程。

安全、穩(wěn)定的重建對釘?shù)楞@入釘點、角度和到達的深度都有嚴格的要求。入釘點或角度選擇錯誤會導致釘?shù)劳馄騼?nèi)偏，從而損傷脊神經(jīng)或血管；釘?shù)肋^深甚至穿透對側(cè)皮質(zhì)同樣有可能損傷重要組織，而釘?shù)肋^淺則會導致后續(xù)植入的骨釘穩(wěn)定性不良等問題。因其特殊位置，椎弓根鉆釘?shù)酪脖徽J為是脊柱手術(shù)中最關(guān)鍵也是最危險操作之一。

脊柱外科手術(shù)機器人機構(gòu)綜合設(shè)計

在非結(jié)構(gòu)化的臨床手術(shù)環(huán)境下，基于工業(yè)機器人開發(fā)的手術(shù)機器人已無法滿足手術(shù)需求，手術(shù)機器人的研究已逐步過渡到專用手術(shù)機器人研究中。以色列基于Stewart并聯(lián)機構(gòu)開發(fā)了SpineAssist脊柱手術(shù)機器人，該六自由度機器人通過調(diào)整動平臺的位姿使導向套筒定位于預定的釘?shù)牢恢?，為醫(yī)生提供準確的操作導向。同樣采用類似上述并聯(lián)構(gòu)型的還有德國WISARoMed脊柱手術(shù)機器人，其并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積相對較小等優(yōu)點，但也存在工作空間較小、靈活性差的問題。

針對具有大工作空間的脊柱外科手術(shù)，更多的研究者選擇基于串聯(lián)構(gòu)型來構(gòu)建脊柱手術(shù)輔助系統(tǒng)，包括采用直角坐標構(gòu)型的韓國漢陽大學的SPINEBOT-I系統(tǒng)、浦項工業(yè)大學的CoRASS系統(tǒng)以及南開大學的脊柱手術(shù)機器人系統(tǒng)等。采用直角坐標構(gòu)型的工作空間大、空間簡單，但機器人所占用的空間較大，在裝備有各種設(shè)備儀器的手術(shù)室難以實用。另外，還有采用垂直關(guān)節(jié)機器人的德國VectorBot系統(tǒng)、Navarra大學基于PA-10的脊柱手術(shù)輔助系統(tǒng)等。垂直關(guān)節(jié)機器人具有較大的工作空間/體積比，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)形式，比較適合應用于脊柱外科手術(shù)中。

串聯(lián)機械臂設(shè)計

從滿足脊柱手術(shù)的臨床需求出發(fā)，考慮手術(shù)對安全性的特殊要求進行構(gòu)型選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，機械臂的構(gòu)型首先應滿足脊柱手術(shù)中釘?shù)赖亩ㄎ缓筒僮鲃幼鲗ψ杂啥鹊囊蟆ａ數(shù)廊脶旤c的定位需要進行三個方向上的位置調(diào)整，以及兩個方向上的角度調(diào)整。除此之外，為了保證導航系統(tǒng)對器械末端的標識點進行有效跟蹤，需要機器人末端鉆骨裝置具有一個旋轉(zhuǎn)自由度，以調(diào)整標識點的朝向。所以機器臂至少需要6個獨立的自由度。其中，3個自由度用于位置調(diào)整，另外3個自由度用于姿態(tài)調(diào)整。

較為常見的位置調(diào)整結(jié)構(gòu)包括直角坐標型、柱面坐標型以及球面坐標型三種。脊柱手術(shù)過程中，患者處于俯臥體位，其脊柱近似平行于水平方向。同時在手術(shù)室條件下要求機器人的結(jié)構(gòu)較為緊湊、重量較輕。比較直角坐標機器人和球面坐標機器人發(fā)現(xiàn)，后者較前者有更大的工作空間/體積比，具有更緊湊的結(jié)構(gòu)形式。在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機器人中，與球面坐標機器人相比，柱面坐標機器人受到重力作用的關(guān)節(jié)數(shù)量更少，有利于進一步減小機器臂的結(jié)構(gòu)尺寸，同時也降低了機器臂在關(guān)節(jié)意外失效情況下掉落傷害患者的可能性，更加符合手術(shù)機器人對安全性的更高要求。綜合比較幾種串聯(lián)機器人的構(gòu)型形式，本文選擇柱面坐標型的位置調(diào)整自由度，加上機器人前端3個姿態(tài)調(diào)整自由度。

此種構(gòu)型形式中除第一關(guān)節(jié)為垂直運動的直線關(guān)節(jié)外，其余關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。脊柱手術(shù)機器人幾何模型如圖1所示。其中，第2、3關(guān)節(jié)軸線垂直于水平面，使機器人在水平面內(nèi)運動；第4、5、6關(guān)節(jié)軸線相交于一點，形成機器人的“腕關(guān)節(jié)”。末端操作器械沿第6關(guān)節(jié)軸線安裝，并由其帶動旋轉(zhuǎn)調(diào)整方向。

脊柱手術(shù)機器人的工作空間需要能夠滿足特定手術(shù)區(qū)域內(nèi)的全部位置、姿態(tài)需求。臨床上使用三個正交面(橫斷面、矢狀面及冠狀面)構(gòu)成直角坐標系對患者進行描述。脊柱手術(shù)中釘?shù)廊脶旤c的選擇主要在冠狀面上進行。脊柱手術(shù)中患者體位為俯臥位，其冠狀面近似水平；機器人擺放于手術(shù)床側(cè)面，其坐標軸x方向近似垂直于矢狀面，y軸方向近似垂直于橫斷面，如圖2所示。所以機器人末端器械主要在x-y平面上進行釘?shù)廊脶旤c的定位。

力反饋鉆骨裝置設(shè)計

針對脊柱手術(shù)中鉆釘?shù)肋^程，本文設(shè)計了專用的末端鉆骨裝置。如圖3所示包括專用手術(shù)器械（專用醫(yī)療骨鉆電機、快拆連接器、專用骨鉆鉆頭）、直線傳動單元、驅(qū)動電機、連接法蘭、6軸力/力矩傳感器以及紅外定位靶點。

其中，骨鉆鉆頭通過專用的快拆連接器連接在骨鉆電機輸出軸之上，由醫(yī)療骨鉆電機提供鉆釘?shù)浪枰母咚傩D(zhuǎn)運動。鉆釘?shù)肋^程所需要的直線進給運動由尾端驅(qū)動電機及直線傳動單元提供。紅外靶點固定于直線傳動單元的移動端，用來對骨鉆的進給動作進行實時跟蹤。為保證斷電情況下手術(shù)器械及直線傳動部件的移動端不滑落，選用能夠自鎖的梯形絲杠作為直線傳動部件。直線傳動單元的固定端通過連接法蘭與6軸力/力矩傳感器相連接，此結(jié)構(gòu)保證作鉆釘?shù)肋^程中的反饋力可以通過傳動單元、連接法蘭等部件傳遞給力/力矩傳感器，實現(xiàn)機器人末端的實時力感知。

圖像三維重建技術(shù)

骨科手術(shù)輔助機器人系統(tǒng)中已經(jīng)普遍使用了圖像導航技術(shù)，主要可分為二維圖像導航及三維圖像導航兩類。其中，二維圖像導航通過拍攝患者手術(shù)部位的正、側(cè)位兩張透視圖片，基于拾取對應點的方法進行配準，構(gòu)建手術(shù)區(qū)域的空間坐標系。

三維圖像導航能滿足醫(yī)生通過三維重建的手術(shù)區(qū)解剖結(jié)構(gòu)模型直觀地觀察規(guī)劃路徑的空間位置，并直接在三維空間中完成手術(shù)規(guī)劃。以色列的SpineAssist系統(tǒng)中使用了術(shù)前計算機斷層掃描技術(shù)(ComputedTomography，CT)獲取的三維圖像與術(shù)中二維圖像配準相結(jié)合的方式實現(xiàn)三維圖像導航。韓國的SPINEBOT系列機器人也使用了類似的方法。另一種基于三維圖像的導航方式是通過骨性標記點或人工植入的標記點進行基于幾何特征的配準。如哈爾濱工業(yè)大學的椎間盤置換手術(shù)機器人系統(tǒng)中就應用了這種方法，但術(shù)中患者骨性標記點往往不明顯，因此其選點精度、配準精度也受到一定的限制。

脊柱手術(shù)機器人系統(tǒng)中，圖像導航系統(tǒng)需為醫(yī)生提供患者手術(shù)區(qū)可視化圖像供其手術(shù)診斷及手術(shù)規(guī)劃，同時為機器人提供手術(shù)規(guī)劃信息監(jiān)控和引起其運動。因此，導航系統(tǒng)的開發(fā)需要能夠滿足機器人運動、操作正確性和精確性的要求，同時滿足醫(yī)生進行術(shù)中診斷、規(guī)劃和實時操作監(jiān)視過程中的友好性需求。

例如，CT或核磁共振成像獲取的手術(shù)區(qū)圖像重構(gòu)為三維模型，方便術(shù)者更直觀地對患者脊柱的空間形態(tài)、手術(shù)路徑、器械位置等進行直觀的觀察。醫(yī)學影像三維重構(gòu)的方法主要分為體繪制、面繪制兩種。從三維重構(gòu)的圖像效果來看，體繪制要優(yōu)于面繪制；但從算法的效率以及交互性上來說，面繪制要遠勝體繪制。術(shù)中導航系統(tǒng)著重關(guān)注軟件的交互性能，因此，本文采用移動立方體(MarchingCubes，MC)面繪制算法進行手術(shù)區(qū)脊椎的三維重構(gòu)。

MC算法是一種基于三維空間圖像數(shù)據(jù)場等值面抽取的算法。其基本思路為通過設(shè)定圖像灰度閾值構(gòu)造體素內(nèi)部的等值面三角片，并按照等值三角片的頂點和法向量進行拼接，得到整體三維等值面作為三維模型的輪廓。本文基于VisualizationToolkit提供的Observer-Command交互模式，建立了基于交互的三維重建功能，可比較方便和準確地進行圖像三維重建閾值的選擇，有效提高重建的效率。

圖像配準技術(shù)

圖像導航的核心之一是建立圖像-患者-機器人三者之間的統(tǒng)一坐標變換關(guān)系。其中機器人-患者間的變換關(guān)系通過術(shù)中實時定位跟蹤來進行計算，而圖像-患者間的坐標變換關(guān)系則需要通過圖像配準過程進行建立，實質(zhì)上就是求得圖像坐標系和患者坐標系之間的變換矩陣。脊柱手術(shù)中的配準過程屬于剛性配準，常用的方法有基于點/點、點/面、輪廓/面以及面/面關(guān)系的基于幾何特征的配準方法，此外還有在圖像像素級進行配準的方法。

本文采用基于點/點關(guān)系的配準方法中拾取點法和迭代就近點(InterativeClosestPoint，ICP)法兩種算法相結(jié)合的配準方法。在提高了配準精度的同時避免了因圖像坐標系與參考坐標系姿態(tài)相差過大而導致的配準失效現(xiàn)象。手術(shù)配準過程中，首先將患者參考坐標系內(nèi)點集與圖像坐標系內(nèi)的點集進行配準，得到初次粗配準轉(zhuǎn)換矩陣，以及粗配準后的參考點集；然后采用ICP算法將參考點集與圖像點進行二次精配準，得到精配準矩陣，從而獲得最終的配準矩陣。圖4為圖像配準過程中坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系。

導航定位控制技術(shù)

導航定位采用紅外雙目攝像機以及固定于機器人末端機械和患者脊柱的紅外靶點進行二者的實時定位跟蹤，實現(xiàn)術(shù)中導航-機器人-患者系統(tǒng)的空間變換坐標系進行描述，完成手術(shù)規(guī)劃信息到機器人控制參數(shù)的變換，從而實現(xiàn)對手術(shù)機器人導引。因此，整個坐標系統(tǒng)可以分為三個子坐標系統(tǒng)：手術(shù)器械坐標系、患者坐標系以及光學定位器坐標系，如圖5所示。

其中，手術(shù)器械坐標系中，通過器械手動校準建立器械尖端在器械標識點坐標系下的位姿矩陣；患者坐標系中，通過圖像配準建立空間變換矩陣，將現(xiàn)實空間中位于患者靶點坐標系的手術(shù)區(qū)域的位姿信息轉(zhuǎn)換至圖像坐標系中；在光學定位器坐標系中，光學定位器實時跟蹤手術(shù)器械靶點位姿及患者靶點位姿，并通過器械和患者子坐標系統(tǒng)內(nèi)的坐標變換，形成定位器-手術(shù)器械-患者圖像之間的空間變換閉環(huán)。在手術(shù)規(guī)劃過程中，醫(yī)生在患者圖像坐標系內(nèi)進行手術(shù)規(guī)劃，確定釘?shù)赖娜肟邳c位置及目標點位置。在導航定位過程中，導航信息變換到機器人末端器械坐標系中。這樣可以方便術(shù)中隨時調(diào)整光學定位器的位置，同時不改變導航信息的值。

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