机器人技术在矫形外科中的应用与发展
【关键词】 矫形外科 医疗机器人 图像处理 手术仿真 术中配准 手术安全
（声明：本站文章仅给需要的医务工作者提供交流学习参考。翰林医学论文网免费提供。部分资源由工作人员网上搜索整理而成，如果您发现有哪部分资料侵害了您的版权，请速与我们后台工作人员联系，我们将即时删除。客服qq：88970242.后台工作qq：928333977）
【摘要】 矫形外科是医疗机器人的重要应用领域，本文综述了典型医疗机器人在矫形外科中的应用与发展，并对机器人技术在矫形外科中所涉及的手术机器人机构、医学图像处理、手术仿真、术中配准、手术安全等关键技术进行了分析，同时指出了今后的发展方向。
【关键词】 矫形外科 医疗机器人 图像处理 手术仿真 术中配准 手术安全
application and development of robotic technology in orthopedic surgery
tian heqiang,wu dongmei,du zhijiang,et al.
state key aboratory of robotics and system,harbin university of technology,harbin 150080,china
abstract：orthopedic surgery is important application of medical robot.the application and development of typical medical robots in orthopedic surgery are summarized in this paper.the key techniques such as surgical robot prototype design,medical image processing,surgery simulation,intraoperative registration,surgical safety are analyzed in detail.the trend of future development is forecast as well.
key words：orthopedic surgery; medical robot; image processing; surgical simulation; intraoperative registration; surgical safety
矫形外科手术是手术室中最常见的一种手术，但是由于各种原因，一些病人的术后效果并不令人满意。Www.11665.CoM例如，在长肢骨骨折手术中，通常采用髓内钉对断裂的骨头进行内固定，但是断骨的复位和髓内钉的锁定对多数的外科医生，有时甚至对经验丰富的临床专家都是一个巨大的挑战。经椎弓根准确置入螺钉技术，穿透椎弓根皮质骨比例高达5.2％～28.1％。在关节置换手术中，被植入的装置必须放到恰当的位置，并能够和人体内的其它骨头很好的配合。骨切开术则需要切口准确，在断骨碎片自动愈合之前必须将它们固定到正确的位置。韧带修复术、骨折恢复术和股骨髓内钉植入术等都需要很高的精度。
另一方面，机器人辅助外科手术系统可以明显的改善手术的精度、质量、效率和稳定性，可以实现手术最小损伤，提高手术安全性，缩短治疗时间，降低医疗成本。同时骨骼不像易于变形的软组织，容易固定，还比较容易在ct、x线中成像，容易进行手术。机器人技术的显著优点同矫形外科的实际需要紧密的结合起来，在医疗机器人研究领域占有率接近20％，使得矫形外科手术成为医疗机器人技术的主要应用领域。
1 典型矫形外科机器人介绍
美国华盛顿大学第一次把机器人应用在全膝关节置换手术(tka)矫形外科中。随着机器人技术在矫形外科应用的开展，出现了几种典型的矫形外科机器人系统。
1992年integrated surgical systems公司推出其商业化产品robodoc系统［1］，该系统能够完成一系列的骨科手术，如全髋关节置换术及全膝关节置换术(tha & tka)，也用于了全膝关节置换翻修术(rtka)(图1)。使用robodoc系统进行全髋关节置换手术时，首先医生在患者髋部置入3根标志针，这些标志针会被作为进行患者和机器人之间位置注册的基准点。之后对患者进行ct扫描，并将ct数据导入规划工作站。规划结束以后，通过标志针的注册，机器人也几经移动到合适的位置，准备开始在股骨上切割用于安装假体的空腔。切割过程中，robodoc在计算机屏幕上提供加工过程的可视化显示。整个切削过程受到监控中，医生可以在计算机屏幕上监控操作，一旦出现特殊情况医生还可以马上停止机器人的操作。当切割完成后，机器人会离开手术空间，之后的操作由医生按常规手术过程徒手完成。利用此系统进行手术，股骨与假体的吻合程度是传统手术的4倍多。
robodoc在商业上的成功促使德国orto maquet公司在1997年推出了caspar手术系统［2］，该系统用于tha&tka中的骨骼磨削，以及前交叉韧带重建术的隧道入点定位，磨削精度达到了0.1 mm(图2)，在欧洲一些医院里得到应用。
2001年英国imperial college开发了acrobot(active constrain robot)系统［3］，该系统是一个半自主的机器人，用于tka和微创膝关节单髁置换术(uka)，如图3所示。使用时，医生先把手术刀安装在机器人的末端关节上，然后拉着机器人的手臂使手术刀沿着患者膝盖上的预切割部位运动1周，机器人就可以通过自身所带的力传感器和位置传感器记录下相应的信号，在实际手术时，机器人通过所记录的信号来防止医生运动到安全区域外或者切割过多的骨头，确保切削工具处于预期的切削体积之内。acrobot系统使用术前ct图像进行手术规划，术中配准使用基于基准针的［based on fiducials(pin)］配准方法，配准时，医生把几个基准点位置定在夹钳上，夹钳连接到股骨和胫骨上。
象robodoc这样的系统太过于庞大，一般从工业机器人演变而来。为了特定手术的需要，出现了一种较为紧凑型的机器人crigos，该机器人不像以前采用串联机构的系统，它采用并联平台，也称为stewart平台。充分利用了并联机器人刚度大、精度高、体积小等特点，来减少手术中医生的误操作、增加动作的稳定性。除此之外，比较典型的系统还包括韩国kaist开发的arthrobot系统［5］和美国卡内基梅隆大学开发的mbars系统［6］，以及以色列technion开发mars系统，并被mazor医疗技术公司商业化推出spine assist系统［7，8］。这些系统和crigos一样采用了并联机构，比crigos还要先进的地方是他们固定在骨骼上，并不需要较大的工作空间来执行任务，使用在主动模式中。
arthrobot系统是一种新型的关节造型术机器人系统，适用于全髋关节置换术(tha)。mbars系统用于髌股关节成形术(pfa)，整个准备空腔的过程需要大约2 min，速度比手工过程的平均时间要快。spine assist系统是以色列mazor公司在2002年推出的一种mars商品化产品，是专门用于脊柱手术的微型机器人，主要进行椎弓根螺钉手术和经椎板关节突关节螺钉固定手术(图4)，该系统采用了微型化的并联机器人结构，机械本体的体积显著缩小，可以直接安装在骨骼上，定位精度达到1.7 mm以内。该系统可以帮助医生确定手术仪器和植入物的精确位置、可缩短手术时间、提高手术精确度，从而使脊柱内固定手术中因植入物位置不当而造成的医源性损伤的风险降低到最低。在进行手术时，通过专用的夹钳固定实现机器人和患者骨骼的相对位置固定。将术前规划导入系统的工作站，再采集2张正、侧位的x线图像，术前规划的结果会自动集成到术中的x线图像上。机器人就会自动运动到规划的位置上，医生可以通过机器人上的导航臂，按照规划的位置和姿态完成手术。
另一个新的方法是开发固定在骨骼上的小型机器人，具有较少的自由度(一般为2个)，用于对全膝关节置换手术(tka)手术中导引工具的定位。相应的例子有praxiteles，galileo、gp系统。通常这些机器人与商业化的导航系统一起工作。2005年法国praximmedivision公司开发了praxiteles系统［9］(图5)，主要用于tka。praxiteles安装在远端股骨上对围绕远端股骨的导锯器定位。praxiteles同导航系统集成在一起，导航系统提供tka手术的无图像导航。
小型机器人的概念由手持式的机器人发挥到了极限。这类机器人不直接进行骨骼切削，而是通过医生的手工进行，是半主动的。这些机器人的例子有itd、pfs。itd是一款六轴并联机器人，用于对手的颤动和解剖物的运动进行补偿。他采用了光学跟踪系统来测量目标位置。2004年美国卡内基梅隆大学和西宾夕法尼亚州医院联合开发了pfs［10］(precision freehand sculptor)(图6)，该系统由手持工具、跟踪系统和显示器组成，跟踪系统监视手持切削工具的位置，计算机提供刀具位于期望切削区的可视化显示。
尽管近年来对紧凑型机器人的研究兴趣高涨，大型外科机器人的研究并没有停止。2004年，东京大学研制了一款重达900 kg的9轴机器人系统［11］，用于tka手术。2005年法国medtech、zimmer公司研制一个安装在轮式推车上的小型六轴机器人brigit系统［12］，该系统用于高位胫骨截骨术(hto)，也可以用于tha、tka手术。另外在机器人结构形式上出现了串并混连结构的矫形外科机器人系统。串并混连结构可将串联结构和并联结构的优点集中在一起。2007年，意大利的stefano bruni等［13］就采用串并混合结构的机器人应用于tka。其中机械本体采用串联结构，加工头采用并联结构。
除了上述典型的矫形外科机器人系统外，国内研究机构把机器人技术应用于矫形外科也进行了不同的尝试，根据国情自主开发了一些矫形外科机器人系统。
2004年，北京航空航天大学机器人所开发了一套双平面机器人导航系统［14］，解决了经x线图像导航机器人完成髓内钉的远端孔锁定手术的难题，该系统在北京积水潭医院完成了首次接骨手术。2004年哈尔滨工业大学机器人研究所开发了一套基于x线图像导航的机器人辅助骨科手术系统［15］。该系统引导1台并联机器人模仿长骨骨折复位手术中传统临床治疗操作，通过牵引装置进行断骨复位，引导另1台基于motoman工业机器人的串联机器人引导医生完成髓内钉锁定。这个系统中的所有功能在临床尸体样本实验中得以证明和实现。
2 矫形外科机器人系统的关键技术
通过上述典型系统的介绍可以看出，除去机器人主体部分外，矫形外科机器人系统主要有以下几个组成：术前处理系统，包括医疗图像获取、处理及三维建模、手术规划与仿真等模块；术中干预系统，包括机械臂执行机构、手术目标三维模型与现实空间的配准、安全监控等模块；术后评价系统，包括手术数据分析等模块。因此其关键技术包括以下几个方面［16～19］：
2.1 机器人结构设计
矫形外科机器人系统从早期的工业机器人平台到目前的专用机器人，从早期的大型复杂结构到目前的小型模块化结构，从早期的简单定位功能到目前的多功能操作，从较多自由度发展到具有较少的自由度小型机器人系统和便携式的机器人。小型化、专用化和模块化的趋势比较明显。所以在研制矫形外科机器人时注意以下几点：选择合适的机构形式，串联结构、并联结构还是串并混合结构；小型化，结构紧凑，便于安装和维修；根据实际要求可以选择有动力或无动力，无动力一般用于手术导航或定位，同时具有较高的安全性；是否使用传感器，为了增加手术安全，提高手术精度，一些位置传感器、力传感器等设计中要考虑，提供误差补偿和触觉反馈信息；是否符合医生的操作习惯；是否方便消毒，保证系统的安全性等。
2.2 医学图像三维建模
医学图像是手术的主要信息来源，尤其对基于图像导航的矫形外科机器人系统是非常关键的问题。医学影像三维重建就是研究由ct、mri等这些医疗成像设备获取的二维影像序列构建组织或器官的三维几何模型，并在计算机屏幕上“真实”绘制与显示。逼真的三维几何模型能够为外科医生进行手术模拟、手术导航、手术定位、制定手术方案提供客观、准确、直观、科学的信息。同时由于这些图像信息具有准确性和可靠性，也被作为医疗机器人、特别是手术支援机器人的控制信息源。
2.3 手术仿真
矫形外科手术中常常需置入假体，确定最佳的假体形状、置入位置和方向以及人体骨头接触面的切割是手术成功的关键。虚拟手术仿真系统可以预演手术的整个过程，使医生可以事先发现手术中的问题，并帮助医生合理、定量地制定手术方案，选择最佳的手术路径，减小手术损伤，减少对周围健康组织的破坏。对提高定位精度、开展复杂的外科手术和提高手术成功率具有重要的意义。
2.4 术中配准
机器人辅助矫形外科手术，确定机器人末端手术器械和患者手术目标及其术前图像的相对位置，通常是通过确立一些基准点来实现二者的配准。这些基准点通常是在骨头里钻入的—些小的金属钉用做基准点。但是，这些在人体中人工加入的标志会给病人带来额外的痛苦。配准的误差是矫形外科机器人手术系统误差的主要来源，所以必须解决好配准的精确与精度问题。因此术中配准的精度、速度，以及对病人带不带来创伤都是术中配准要研究的问题。
2.5 手术安全
医疗机器人是个复杂的系统，涉及许多交互的子系统，包括计算处理、传感器，机构和人机交互接口。然而，医疗机器人在临床应用中是直接同人进行交互的，安全问题不容忽视。一般要求机器人工作过程可控。必须确保不存在引起医疗机器人失控或者危及病人的故障因素。医生也需对机器人系统的功能和缺陷清楚的了解。医疗机器人的研发、测试和维护中要仔细按照文件规定，严格遵守操作规程。消毒和生物适应性是医疗机器人特别要关注的问题。安全性问题较为复杂，目前还未能够形成一个普遍承认的安全标准。
3 结 论
矫形外科医用机器人技术已经展示出了自己的发展特色，正在发展成为一个新兴的、前沿性的学术领域，带动了多种技术学科的发展，已成为数字化医疗的未来重要发展方向。拥有新型的机器人构型、更灵活的手术操作方法、更适宜的医用传感器、更安全的机器人控制技术、更合理的手术操作规范等以此来提高系统安全性和临床可接受度的矫形外科医用机器人将是今后研发的重点。以传感器技术、微机电技术为基础，适应微创手术的发展需求，小型化、模块化和智能化已成为未来一段时间内矫形外科医用机器人技术发展的重要趋势。
【参考文献】
［1］taylor rh,paul ha,kazandzides p,et al.an imagedirected robotic system for precise orthopaedic surgery［j］.ieee trans robot and automation,1994,10:261-275.
［2］petermann j,kober r,heinze j.computerassisted planning and robotassisted reconstruction ［j］.operat tech orthop,2000,10:50-55.
［3］davies bl，fan kl，hibberd,et al.acrobot - using robots and surgeons synergistically in knee surgery［r］.icar 97,monterey:ca,1997,7-9.
［4］brandt g,zimolong a,carrat l,et al.cr1gos: a compact robot for imageguided orthopedic surgery［j］.ieee trans inf technol biomed,1999,4:252-260.
［5］kwon ds,yoon ys,lee jj,et al.arthrobot: a new surgical robot system for total hip arthroplasty［r］.in proc.ieee/rsj int.confi intelligent robots and systems,2001,1123-1128.
［6］wolf a,jaramaz b,lisien b,et al.mbars: mini boneattached robotic system for joint arthroplasty ［j］.international journal of medical robotics and computer assisted surgery,2005,2:101-121.
［7］shoham m,borman m,zehavi e,et al.bonemounted miniature robot for surgical procedures: concept and clinical applications［j］.ieee transaction on robotics and automation,2003,5:893-901.
［8］togawa d,kayanja mm,reinhardt mk,et al.bonemounted miniature robotic guidance for pedicle screw and translaminar facet screw placement:part 2evaluation of system accuracy ［j］ .neurosurgery,2007,1:129-139.
［9］pladms c,cinquin p,and lavalles s,et al.praxiteles:a miniature bonemounted robot for minimal access total knee arthroplasty［j］.international journal of medical robotics and computer assisted surgery,2005,4:67-79.
［10］brisson g,kanade t,digioia am,et al.precision freehand sculpting of bone［r］ .presented at the annual meeting of the computer aided orthopaedics surgery-2003,marsella,spain,2003.
［11］mitsuishi m,warisawa sn.development of a bone cutting robot for total knee arthroplasty［r］.lros，2004,sendal japan,2004.
［12］pierre m,benin n,lucien b,et al.brigit,a robotized tool guide for orthopedic surgery ［r］.icra,2005,211-216.
［13］stefano b,pietro c,ivan e.an application of a hybrid robot in the total knee replacement procedure［r］.12th iftomm world congress,besangon(france),2007,8-21.
［14］王 豫，贠 超，张丰全，等．双平面导航机器人系统在不同骨科适应证中的应用研究［j］．机器人，2007，3：200-206．
［15］lining s,jian z,zhijiang d,et al.a fluoroscopybased orthopaedic system for locking intramedullary nails［r］.isist,2004，621-625.
［16］吴冬梅，杜志江，孙立宁．机器人辅助骨科微创手术［j］．中国矫形外科杂志，2005，24：1845-1847．
［17］欧元汉，蔡道章，金文涛，等．矫形外科机器人的研究进展和应用［j］．中国矫形外科杂志，2002，11：1111-1112．
［18］杜志江，孙立宁，富历新.外科手术机器人技术发展现状与关键技术分析［j］．哈尔滨工业大学学报，2003，3：773-777．
［19］王田苗，刘文勇，胡 磊．医用机器人与计算机辅助手术mrcas进展［j］．中国生物医学工程学报，2008，1：137-145．
作者：田和强 吴冬梅 杜志江 孙立宁 作者单位：哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨 150080；基金项目：国家自然科学基金(编号：60675037)；黑龙江省重点基金(zjg-02)；黑龙江省攻关课题(编号：gc06c40601)；黑龙江省青年基金(编号：qc06c032)
