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

脊柱手術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，較為常見的手術包括椎板減壓術、脊柱融合術、椎間盤置換術等。典型脊柱手術往往需去除、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構都會在一定程度上受到破壞，降低了脊柱對軀干支撐的穩定性。因此，脊柱手術中往往同時使用椎弓根釘內固定術對脊柱進行穩定性重建。典型的脊椎骨結構包括椎體、棘突、橫突、上/下關節突、乳突、椎孔等。由于脊椎的橫突、椎板、上下關節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，醫生往往將骨釘通過狹窄的椎弓根處植入椎體內，以期獲得最好的固定強度和穩定性重建效果，因此，穩定性重建手術又被稱為椎弓根釘內固定術。

臨床上，醫生基于圖像導航系統完成手術診斷和手術規劃以確定手術釘道路徑。在手術中，醫生首先使用開路器或骨鉆進行鉆釘道操作；然后將骨釘沿釘道植入脊椎骨內；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；最后用螺母將連桿固定，以完成脊柱穩定性的重建過程。

安全、穩定的重建對釘道鉆入釘點、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道外偏或內偏，從而損傷脊神經或血管；釘道過深甚至穿透對側皮質同樣有可能損傷重要組織，而釘道過淺則會導致后續植入的骨釘穩定性不良等問題。因其特殊位置，椎弓根鉆釘道也被認為是脊柱手術中最關鍵也是最危險操作之一。

脊柱外科手術機器人機構綜合設計

在非結構化的臨床手術環境下，基于工業機器人開發的手術機器人已無法滿足手術需求，手術機器人的研究已逐步過渡到專用手術機器人研究中。以色列基于Stewart并聯機構開發了SpineAssist脊柱手術機器人，該六自由度機器人通過調整動平臺的位姿使導向套筒定位于預定的釘道位置，為醫生提供準確的操作導向。同樣采用類似上述并聯構型的還有德國WISARoMed脊柱手術機器人，其并聯機構具有剛度大、結構緊湊、體積相對較小等優點，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，更多的研究者選擇基于串聯構型來構建脊柱手術輔助系統，包括采用直角坐標構型的韓國漢陽大學的SPINEBOT-I系統、浦項工業大學的CoRASS系統以及南開大學的脊柱手術機器人系統等。采用直角坐標構型的工作空間大、空間簡單，但機器人所占用的空間較大，在裝備有各種設備儀器的手術室難以實用。另外，還有采用垂直關節機器人的德國VectorBot系統、Navarra大學基于PA-10的脊柱手術輔助系統等。垂直關節機器人具有較大的工作空間/體積比，具有更緊湊的結構形式，比較適合應用于脊柱外科手術中。

串聯機械臂設計

從滿足脊柱手術的臨床需求出發，考慮手術對安全性的特殊要求進行構型選擇和結構設計，機械臂的構型首先應滿足脊柱手術中釘道的定位和操作動作對自由度的要求。釘道入釘點的定位需要進行三個方向上的位置調整，以及兩個方向上的角度調整。除此之外，為了保證導航系統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自由度，以調整標識點的朝向。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整，另外3個自由度用于姿態調整。

較為常見的位置調整結構包括直角坐標型、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。同時在手術室條件下要求機器人的結構較為緊湊、重量較輕。比較直角坐標機器人和球面坐標機器人發現，后者較前者有更大的工作空間/體積比，具有更緊湊的結構形式。在旋轉關節機器人中，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節數量更少，有利于進一步減小機器臂的結構尺寸，同時也降低了機器臂在關節意外失效情況下掉落傷害患者的可能性，更加符合手術機器人對安全性的更高要求。綜合比較幾種串聯機器人的構型形式，本文選擇柱面坐標型的位置調整自由度，加上機器人前端3個姿態調整自由度。

此種構型形式中除第一關節為垂直運動的直線關節外，其余關節均為旋轉關節。脊柱手術機器人幾何模型如圖1所示。其中，第2、3關節軸線垂直于水平面，使機器人在水平面內運動；第4、5、6關節軸線相交于一點，形成機器人的“腕關節”。末端操作器械沿第6關節軸線安裝，并由其帶動旋轉調整方向。

脊柱手術機器人的工作空間需要能夠滿足特定手術區域內的全部位置、姿態需求。臨床上使用三個正交面(橫斷面、矢狀面及冠狀面)構成直角坐標系對患者進行描述。脊柱手術中釘道入釘點的選擇主要在冠狀面上進行。脊柱手術中患者體位為俯臥位，其冠狀面近似水平；機器人擺放于手術床側面，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平面上進行釘道入釘點的定位。

力反饋鉆骨裝置設計

針對脊柱手術中鉆釘道過程，本文設計了專用的末端鉆骨裝置。如圖3所示包括專用手術器械（專用醫療骨鉆電機、快拆連接器、專用骨鉆鉆頭）、直線傳動單元、驅動電機、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，由醫療骨鉆電機提供鉆釘道所需要的高速旋轉運動。鉆釘道過程所需要的直線進給運動由尾端驅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，此結構保證作鉆釘道過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，實現機器人末端的實時力感知。

圖像三維重建技術

骨科手術輔助機器人系統中已經普遍使用了圖像導航技術，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部位的正、側位兩張透視圖片，基于拾取對應點的方法進行配準，構建手術區域的空間坐標系。

三維圖像導航能滿足醫生通過三維重建的手術區解剖結構模型直觀地觀察規劃路徑的空間位置，并直接在三維空間中完成手術規劃。以色列的SpineAssist系統中使用了術前計算機斷層掃描技術(ComputedTomography，CT)獲取的三維圖像與術中二維圖像配準相結合的方式實現三維圖像導航。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。如哈爾濱工業大學的椎間盤置換手術機器人系統中就應用了這種方法，但術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。

脊柱手術機器人系統中，圖像導航系統需為醫生提供患者手術區可視化圖像供其手術診斷及手術規劃，同時為機器人提供手術規劃信息監控和引起其運動。因此，導航系統的開發需要能夠滿足機器人運動、操作正確性和精確性的要求，同時滿足醫生進行術中診斷、規劃和實時操作監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區圖像重構為三維模型，方便術者更直觀地對患者脊柱的空間形態、手術路徑、器械位置等進行直觀的觀察。醫學影像三維重構的方法主要分為體繪制、面繪制兩種。從三維重構的圖像效果來看，體繪制要優于面繪制；但從算法的效率以及交互性上來說，面繪制要遠勝體繪制。術中導航系統著重關注軟件的交互性能，因此，本文采用移動立方體(MarchingCubes，MC)面繪制算法進行手術區脊椎的三維重構。

MC算法是一種基于三維空間圖像數據場等值面抽取的算法。其基本思路為通過設定圖像灰度閾值構造體素內部的等值面三角片，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

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一坐標變換關系。其中機器人-患者間的變換關系通過術中實時定位跟蹤來進行計算，而圖像-患者間的坐標變換關系則需要通過圖像配準過程進行建立，實質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相差過大而導致的配準失效現象。手術配準過程中，首先將患者參考坐標系內點集與圖像坐標系內的點集進行配準，得到初次粗配準轉換矩陣，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換關系。

導航定位控制技術

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，實現術中導航-機器人-患者系統的空間變換坐標系進行描述，完成手術規劃信息到機器人控制參數的變換，從而實現對手術機器人導引。因此，整個坐標系統可以分為三個子坐標系統：手術器械坐標系、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，將現實空間中位于患者靶點坐標系的手術區域的位姿信息轉換至圖像坐標系中；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內的坐標變換，形成定位器-手術器械-患者圖像之間的空間變換閉環。在手術規劃過程中，醫生在患者圖像坐標系內進行手術規劃，確定釘道的入口點位置及目標點位置。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。這樣可以方便術中隨時調整光學定位器的位置，同時不改變導航信息的值。

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