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(hù)作用，因而被認(rèn)為是風(fēng)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(jī)器人系統(tǒng)成為了醫(yī)療機(jī)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(jī)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(yīng)用背景，重點研究機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計、圖像導(dǎo)航、導(dǎo)航定位控制等關(guān)鍵技術(shù)，為脊柱手術(shù)機(jī)器人的臨床應(yīng)用做準(zhǔn)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(jìn)行治療，從而導(dǎo)致脊柱的原有力學(xué)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(jìn)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(xué)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(qiáng)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(dǎo)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?。在手術(shù)中，醫(yī)生首先使用開路器或骨鉆進(jìn)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(dāng)形狀以適應(yīng)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(dá)的深度都有嚴(yán)格的要求。入釘點或角度選擇錯誤會導(dǎo)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(dǎo)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(rèn)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(jī)器人機(jī)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(jī)器人開發(fā)的手術(shù)機(jī)器人已無法滿足手術(shù)需求，手術(shù)機(jī)器人的研究已逐步過渡到專用手術(shù)機(jī)器人研究中。以色列基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)開發(fā)了SpineAssist脊柱手術(shù)機(jī)器人，該六自由度機(jī)器人通過調(diào)整動平臺的位姿使導(dǎo)向套筒定位于預(yù)定的釘?shù)牢恢茫瑸獒t(yī)生提供準(zhǔn)確的操作導(dǎo)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(jī)器人，其并聯(lián)機(jī)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(biāo)構(gòu)型的韓國漢陽大學(xué)的SPINEBOT-I系統(tǒng)、浦項工業(yè)大學(xué)的CoRASS系統(tǒng)以及南開大學(xué)的脊柱手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)等。采用直角坐標(biāo)構(gòu)型的工作空間大、空間簡單，但機(jī)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(jī)器人的德國VectorBot系統(tǒng)、Navarra大學(xué)基于PA-10的脊柱手術(shù)輔助系統(tǒng)等。垂直關(guān)節(jié)機(jī)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(yīng)用于脊柱外科手術(shù)中。

串聯(lián)機(jī)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(jìn)行構(gòu)型選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，機(jī)械臂的構(gòu)型首先應(yīng)滿足脊柱手術(shù)中釘?shù)赖亩ㄎ缓筒僮鲃幼鲗ψ杂啥鹊囊?。釘?shù)廊脶旤c的定位需要進(jìn)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(dǎo)航系統(tǒng)對器械末端的標(biāo)識點進(jìn)行有效跟蹤，需要機(jī)器人末端鉆骨裝置具有一個旋轉(zhuǎn)自由度，以調(diào)整標(biāo)識點的朝向。所以機(jī)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(biāo)型、柱面坐標(biāo)型以及球面坐標(biāo)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(jī)器人的結(jié)構(gòu)較為緊湊、重量較輕。比較直角坐標(biāo)機(jī)器人和球面坐標(biāo)機(jī)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(jī)器人中，與球面坐標(biāo)機(jī)器人相比，柱面坐標(biāo)機(jī)器人受到重力作用的關(guān)節(jié)數(shù)量更少，有利于進(jìn)一步減小機(jī)器臂的結(jié)構(gòu)尺寸，同時也降低了機(jī)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(jī)器人對安全性的更高要求。綜合比較幾種串聯(lián)機(jī)器人的構(gòu)型形式，本文選擇柱面坐標(biāo)型的位置調(diào)整自由度，加上機(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)器人在水平面內(nèi)運(yùn)動；第4、5、6關(guān)節(jié)軸線相交于一點，形成機(jī)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(jī)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(biāo)系對患者進(jìn)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(jìn)行。脊柱手術(shù)中患者體位為俯臥位，其冠狀面近似水平；機(jī)器人擺放于手術(shù)床側(cè)面，其坐標(biāo)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(jī)器人末端器械主要在x-y平面上進(jìn)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(jī)、快拆連接器、專用骨鉆鉆頭）、直線傳動單元、驅(qū)動電機(jī)、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(jī)輸出軸之上，由醫(yī)療骨鉆電機(jī)提供鉆釘?shù)浪枰母咚傩D(zhuǎn)運(yùn)動。鉆釘?shù)肋^程所需要的直線進(jìn)給運(yùn)動由尾端驅(qū)動電機(jī)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(jìn)給動作進(jìn)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(jī)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(jī)器人系統(tǒng)中已經(jīng)普遍使用了圖像導(dǎo)航技術(shù)，主要可分為二維圖像導(dǎo)航及三維圖像導(dǎo)航兩類。其中，二維圖像導(dǎo)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(yīng)點的方法進(jìn)行配準(zhǔn)，構(gòu)建手術(shù)區(qū)域的空間坐標(biāo)系。

    三維圖像導(dǎo)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(jī)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(zhǔn)相結(jié)合的方式實現(xiàn)三維圖像導(dǎo)航。韓國的SPINEBOT系列機(jī)器人也使用了類似的方法。另一種基于三維圖像的導(dǎo)航方式是通過骨性標(biāo)記點或人工植入的標(biāo)記點進(jìn)行基于幾何特征的配準(zhǔn)。如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的椎間盤置換手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中就應(yīng)用了這種方法，但術(shù)中患者骨性標(biāo)記點往往不明顯，因此其選點精度、配準(zhǔn)精度也受到一定的限制。

    脊柱手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，圖像導(dǎo)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(jī)器人提供手術(shù)規(guī)劃信息監(jiān)控和引起其運(yùn)動。因此，導(dǎo)航系統(tǒng)的開發(fā)需要能夠滿足機(jī)器人運(yùn)動、操作正確性和精確性的要求，同時滿足醫(yī)生進(jìn)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(jìn)行直觀的觀察。醫(yī)學(xué)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(yuǎn)勝體繪制。術(shù)中導(dǎo)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確地進(jìn)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(zhǔn)技術(shù)

    圖像導(dǎo)航的核心之一是建立圖像-患者-機(jī)器人三者之間的統(tǒng)一坐標(biāo)變換關(guān)系。其中機(jī)器人-患者間的變換關(guān)系通過術(shù)中實時定位跟蹤來進(jìn)行計算，而圖像-患者間的坐標(biāo)變換關(guān)系則需要通過圖像配準(zhǔn)過程進(jìn)行建立，實質(zhì)上就是求得圖像坐標(biāo)系和患者坐標(biāo)系之間的變換矩陣。脊柱手術(shù)中的配準(zhǔn)過程屬于剛性配準(zhǔn)，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(zhǔn)方法，此外還有在圖像像素級進(jìn)行配準(zhǔn)的方法。

    本文采用基于點/點關(guān)系的配準(zhǔn)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(zhǔn)方法。在提高了配準(zhǔn)精度的同時避免了因圖像坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系姿態(tài)相差過大而導(dǎo)致的配準(zhǔn)失效現(xiàn)象。手術(shù)配準(zhǔn)過程中，首先將患者參考坐標(biāo)系內(nèi)點集與圖像坐標(biāo)系內(nèi)的點集進(jìn)行配準(zhǔn)，得到初次粗配準(zhǔn)轉(zhuǎn)換矩陣，以及粗配準(zhǔn)后的參考點集；然后采用ICP算法將參考點集與圖像點進(jìn)行二次精配準(zhǔn)，得到精配準(zhǔn)矩陣，從而獲得最終的配準(zhǔn)矩陣。圖4為圖像配準(zhǔn)過程中坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

導(dǎo)航定位控制技術(shù)

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

    其中，手術(shù)器械坐標(biāo)系中，通過器械手動校準(zhǔn)建立器械尖端在器械標(biāo)識點坐標(biāo)系下的位姿矩陣；患者坐標(biāo)系中，通過圖像配準(zhǔn)建立空間變換矩陣，將現(xiàn)實空間中位于患者靶點坐標(biāo)系的手術(shù)區(qū)域的位姿信息轉(zhuǎn)換至圖像坐標(biāo)系中；在光學(xué)定位器坐標(biāo)系中，光學(xué)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(biāo)系統(tǒng)內(nèi)的坐標(biāo)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(biāo)系內(nèi)進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，確定釘?shù)赖娜肟邳c位置及目標(biāo)點位置。在導(dǎo)航定位過程中，導(dǎo)航信息變換到機(jī)器人末端器械坐標(biāo)系中。這樣可以方便術(shù)中隨時調(diào)整光學(xué)定位器的位置，同時不改變導(dǎo)航信息的值。