機(jī)器人輔助股骨干骨折復(fù)位的性能評(píng)價(jià)

韓 巍，劉文勇，林 鴻，王軍強(qiáng)，蘇永剛，王滿宜＊

（1.北京積水潭醫(yī)院 創(chuàng)傷骨科，北京 100035；2.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院；3.北京天智航技術(shù)有限公司）

基于髓內(nèi)釘內(nèi)固定的股骨干骨折手術(shù)治療是臨床上廣泛采用的一種微創(chuàng)方法，但這種治療手段仍存在著射線輻射劑量大、復(fù)位操作精度不高、復(fù)位狀態(tài)維持困難等不足［1］。近年來，機(jī)器人裝置憑借其自主操作、抗輻射、高精度等特點(diǎn)，被用于股骨干復(fù)位操作［2，3］，有效緩解了上述問題。

盡管機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)在股骨干骨折復(fù)位操作實(shí)驗(yàn)中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景，但對(duì)其臨床性能的評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少。僅僅依靠醫(yī)生的直接觀察來評(píng)價(jià)復(fù)位效果存在主觀不確定性，因此，有必要制定機(jī)器人輔助股骨干骨折的效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，來評(píng)測機(jī)器人的實(shí)際性能。本研究以此為切入點(diǎn)，以股骨干骨折復(fù)位機(jī)器人為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出性能評(píng)價(jià)指標(biāo)并開展實(shí)驗(yàn)研究，評(píng)估機(jī)器人系統(tǒng)在股骨干骨折復(fù)位操作過程中的有效性和有用性。

1 材料與方法

1.1 骨折復(fù)位機(jī)器人設(shè)備

股骨干骨折復(fù)位機(jī)器人是一臺(tái)6自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，可直接安裝在骨科手術(shù)床上（圖1）。該機(jī)器人利用術(shù)中實(shí)時(shí)采集的C臂透視圖像進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，來引導(dǎo)并聯(lián)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)股骨干的兩段折骨完成自動(dòng)化的復(fù)位操作。機(jī)器人本體的性能指標(biāo)是：操作范圍50 mm，定位精度1.0 mm，復(fù)位操作力50 kg。

圖1 骨折復(fù)位機(jī)器人

1.2 手術(shù)規(guī)劃原理

手術(shù)規(guī)劃在二維透視圖像上進(jìn)行，其基本原理是：分別采集股骨干的正側(cè)位透視圖像，以健側(cè)骨段為參考，對(duì)骨折后的骨段進(jìn)行理想力線及骨長的恢復(fù)（圖2）。規(guī)劃時(shí)，首先輸入患肢初始骨長、規(guī)劃目標(biāo)骨長、圓環(huán)內(nèi)徑等規(guī)劃信息，并據(jù)此計(jì)算出機(jī)器人各個(gè)桿件的運(yùn)動(dòng)相關(guān)信息（輸入的初始桿長、計(jì)算出的復(fù)位校正后桿的長度等），用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

1.3 實(shí)驗(yàn)標(biāo)本和評(píng)測指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)采用8例模型股骨，用來檢驗(yàn)機(jī)器人輔助股骨干骨折復(fù)位的實(shí)際效果。成像設(shè)備采用PHILIPS BV Libra C臂。評(píng)測指標(biāo)設(shè)定為：（1）兩段折骨之間的軸向偏移；（2）兩段折骨之間的徑向（橫向）偏移；（3）兩段折骨軸線之間的角度偏差。采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行誤差分析。

圖2 手術(shù)規(guī)劃原理

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如下：

＊ 采集健肢圖像：將透光尺置于健肢下方，在健側(cè)對(duì)應(yīng)骨的近遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)處用C臂分別采集X光圖像，建立簡化的三維模型，并測量檢測骨長。

＊ 在患肢上固定并聯(lián)機(jī)器人：組裝機(jī)器人并完成初始化，然后用自攻鋼針將機(jī)器人固定在近、遠(yuǎn)端圓環(huán)處的斷骨兩側(cè)。

＊ 采集患肢圖像：將透光尺的零標(biāo)度對(duì)準(zhǔn)股骨遠(yuǎn)端平臺(tái)，采集正側(cè)位X光圖像。

＊ 手術(shù)規(guī)劃：根據(jù)健側(cè)近遠(yuǎn)端兩幅光片中的標(biāo)尺計(jì)算出所需恢復(fù)的骨長，并輸入數(shù)據(jù)庫。然后進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，給出骨長及目標(biāo)骨長、軸向旋轉(zhuǎn)角度、圓環(huán)直徑、骨類型等規(guī)劃信息。

＊ 機(jī)器人復(fù)位：機(jī)器人按照規(guī)劃信息進(jìn)行復(fù)位操作。

＊ 復(fù)位指標(biāo)測定：獲得復(fù)位好的股骨干和機(jī)器人狀態(tài)的圖像，導(dǎo)入手術(shù)規(guī)劃軟件，測量出三個(gè)指標(biāo)的具體數(shù)據(jù)值（圖3）。

圖3 測量指標(biāo)的軟件界面

2 結(jié)果

復(fù)位路徑規(guī)劃軟件操作簡單，復(fù)位機(jī)器人自主運(yùn)行順暢。根據(jù)誤差的“3σ”原則進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到：（1）兩段折骨之間的軸向偏移：均值1.31 mm，標(biāo)準(zhǔn)差0.46 mm，可以認(rèn)為軸向偏移誤差為（－0.07，2.67）mm。（2）兩段折骨之間的徑向（橫向）偏移：均值2.44 mm，標(biāo)準(zhǔn)差0.50 mm，可以認(rèn)為軸向偏移誤差為（0.95，3.92）mm。（3）兩段折骨軸線之間的角度偏差：均值2.26°，標(biāo)準(zhǔn)差0.23°，可以認(rèn)為軸向偏移誤差為（1.56，2.96）°。

表1 測量結(jié)果值（N＝8）

3 討論

在股骨干骨折髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)中，傳統(tǒng)的復(fù)位操作存在幾點(diǎn)不足。首先，復(fù)位操作過程中需要不斷地進(jìn)行X光照射，以確保復(fù)位的正確性：這對(duì)醫(yī)生和病人的輻射比較大，受輻射的平均時(shí)間普遍在（158－316）秒［4］。其次，醫(yī)生在復(fù)位過程中只能通過不斷地采集透視圖像來觀察骨折部位的復(fù)位狀態(tài)，所獲得的信息不充分，缺乏定量化的復(fù)位信息。最后，復(fù)位操作的精準(zhǔn)度不高：手動(dòng)復(fù)位的效果很難精確達(dá)到術(shù)前的規(guī)劃位置，在復(fù)位完成后也很難維持復(fù)位狀態(tài)。

隨著信息技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，基于醫(yī)學(xué)影像引導(dǎo)的機(jī)器人輔助復(fù)位方法被引入股骨干復(fù)位操作，從而為克服上述問題提供了可能。機(jī)器人具有自主操作、抗輻射等特點(diǎn)，可有效提高復(fù)位精度，降低射線對(duì)醫(yī)患雙方的輻射，因而在骨折復(fù)位中受到廣泛重視，如德國的Füchtmeier等人研制了一套基于Steubli工業(yè)機(jī)器人的復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)“RepoRobo”［5］，日本的 Warisawa等人研制了一臺(tái)6自由度的骨折復(fù)位機(jī)器人［6］，這兩種機(jī)器人先后完成了模型骨實(shí)驗(yàn)，表明機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)骨折在所有平面上的精確復(fù)位。

但是，與骨科定位機(jī)器人相比，骨折復(fù)位機(jī)器人必須滿足更多的操作性能要求。定位機(jī)器人只需具備足夠的定位精度即可，對(duì)操作負(fù)荷要求不高［7］。但在長骨骨折復(fù)位中，受肌肉牽拉力的影響，復(fù)位操作需要借助相當(dāng)大的外力（國外的實(shí)驗(yàn)表明：股骨干骨折復(fù)位中所需的操作力大約為240 N［5］），而且還必須在復(fù)位操作和固定過程中始終維持這樣的力。因此，復(fù)位機(jī)器人不僅要具備足夠的操作精度，更要具備足夠大的承力能力。而前述的兩種機(jī)器人均為串聯(lián)機(jī)器人，其有效載荷有限，難以滿足長骨骨折復(fù)位過程中的操作力要求。從機(jī)器人技術(shù)角度，并聯(lián)機(jī)器人具有高精度、大載荷的優(yōu)點(diǎn)，能更好地滿足復(fù)位操作要求，因此，現(xiàn)有的骨折復(fù)位機(jī)器人大多采用了并聯(lián)（或串并混聯(lián)）機(jī)器人的構(gòu)型形式。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了幾種基于并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型的骨折復(fù)位機(jī)器人。日本的Seide等人［8］采用一臺(tái)6自由度并聯(lián)機(jī)器人，可在幾天之內(nèi)分時(shí)段完成長骨骨折復(fù)位操作，從而最小化對(duì)軟組織的損傷。臺(tái)灣的Hung等人提出了一種手術(shù)床型復(fù)位機(jī)器人原型系統(tǒng)［9］，初步具備了膝關(guān)節(jié)彎曲、大腿牽引和足部旋轉(zhuǎn)等自動(dòng)操作功能。解放軍總醫(yī)院的唐佩福等人［10］研制了一臺(tái)基于術(shù)前 的并聯(lián)機(jī)器人復(fù)位系統(tǒng)，并完成了標(biāo)本實(shí)驗(yàn)。與此同時(shí)，為了減少復(fù)位過程中的射線輻射，主從操作概念也被引入復(fù)位過程，來實(shí)現(xiàn)醫(yī)生遠(yuǎn)距離操作下的骨折復(fù)位。德國的Westphal和Gosling等人利用游戲桿來遠(yuǎn)程控制股骨干復(fù)位［11，12］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的富歷新等人設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人輔助骨折復(fù)位系統(tǒng)，包括自動(dòng)操作臺(tái)和并聯(lián)復(fù)位機(jī)器人。上述研究成果已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)測試中展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。

但是，骨折復(fù)位機(jī)器人的臨床性能方面，不同的機(jī)器人系統(tǒng)所采用的評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)也不盡相同。Zeide和Hung等人利用高精度的測量設(shè)備來計(jì)算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的實(shí)際軌跡的精確度（相對(duì)于規(guī)劃的軌跡）［8，9］。唐佩福等人［10］則采用軸向位移、側(cè)向位移、側(cè)方成角、內(nèi)旋／外旋四個(gè)參數(shù)來評(píng)價(jià)機(jī)器人的復(fù)位效果。從臨床來看，這幾個(gè)參數(shù)能夠較好地表達(dá)復(fù)位效果。但是，要精確測量這些參數(shù)，必須對(duì)復(fù)位后的狀態(tài)進(jìn)行CT掃描，再利用相關(guān)軟件進(jìn)行處理和計(jì)算，操作過程比較復(fù)雜。

本文針對(duì)自主開發(fā)的并聯(lián)復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)，制定了復(fù)位操作流程；并制定了基于二維透視圖像的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，開展了模型測試實(shí)驗(yàn)，獲得了預(yù)期數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：兩段折骨之間的軸向偏移小于3 mm，徑向（橫向）偏移小于4 mm，為軸向偏移誤差小于3°，滿足骨折復(fù)位要求。后續(xù)將開展標(biāo)本測試和模擬臨床測試，進(jìn)一步測試系統(tǒng)的性能。

長骨骨折復(fù)位已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微創(chuàng)化，其發(fā)展趨勢是自動(dòng)化和智能化。隨著對(duì)機(jī)器人性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)手段的不斷發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化，骨折復(fù)位機(jī)器人也將日趨完善，從而進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)器人在骨折臨床的應(yīng)用和推廣。

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