光學導航引導的手術機器人系統設計

張維軍，徐進，張勇，劉亞軍

1.北京天智航醫療科技股份有限公司 技術部，北京 100192；2.解放軍第三〇九醫院 醫學工程科，北京 100091

光學導航引導的手術機器人系統設計

張維軍1，徐進1，張勇1，劉亞軍2

1.北京天智航醫療科技股份有限公司 技術部，北京 100192；2.解放軍第三〇九醫院 醫學工程科，北京 100091

目的設計一種將機器人技術和光學導航手術技術有機結合的光學導航引導的手術機器人系統，解決目前骨科手術中存在的問題。方法通過原理分析、系統設計和制造，設計光學導航引導的手術機器人系統，還設計了精度試驗工裝，進行精度試驗對系統精度性能進行驗證，進行臨床試驗驗證系統的臨床安全性和有效性。結果光學導航引導的手術機器人系統定位誤差小于1.0 mm，臨床試驗驗證機器人輔助脊柱椎弓根釘手術的導針置入偏差明顯小于常規的徒手方法。結論光學導航引導的手術機器人系統具備“手-眼”協同能力，實現骨科手術中手術路徑的精確定位。

手術機器人；光學導航；微創手術；精度試驗

引言

微創手術追求最小的切口，患者痛苦小、出血少、術后恢復快，是外科手術技術發展的方向。但由于人手生理的局限，包括穩定性不足、定位準確性欠缺等問題，實際臨床手術中很難達到真正的微創目標。微創手術技術在臨床應用推廣中面臨各種困難，例如螺釘松動或斷裂、神經和血管損傷等。機器人、計算機、先進傳感器等技術的發展，為解決臨床困難提供了可行的解決方案。如何利用各種先進的技術手段為臨床服務，成為國內外研究的熱點。在這種背景下，計算機輔助手術、逐漸發展成熟，包括手術機器人和光學導航手術系統。機器人技術應用于臨床手術始于1987年美國KWOH利用PUMA200機器人完成了腦部活檢手術。雖然由于機器人安全性方面的問題該項目最終沒有成功，但機器人在外科手術中定位準確性方面的巨大優勢特點受到了極大的關注，引發了手術機器人研發的熱潮。時至今日，機器人已經在神經外科、脊柱、關節、創傷等手術中得到應用[1-8]，但是機器人在臨床應用中的問題，包括臨床適應證單一、患者術中的移動引起的定位偏差、人機交互、安全控制等，也逐漸暴露出來。光學導航手術系統是計算機輔助手術發展中的另一項重要的技術，該技術主要是利用光學跟蹤裝置實時跟蹤手術工具和患者，并將二者的關系融合并映射到手術圖像上，從而為醫生提供手術引導信息。光學導航系統沒有主動定位，手術容易受到醫生操作的影響[9]，因此應用范圍也受到限制。機器人和光學導航手術系統在輔助手術方面具有各自的優勢，同時存在不足，將二者有機結合開發一種光學導航引導的手術機器人系統，對充分發揮計算機輔助手術系統的特點，提高手術效率，降低手術風險都具有重要的意義。

1 系統原理

光電導航引導的手術機器人系統的主要作用是利用機器人定位精確、工作穩定、操作靈活的特點，輔助醫生精準完成手術操作。其工作過程主要包括：① 手術規劃，醫生利用配套的手術規劃軟件，在手術規劃圖像上設計手術路徑，選擇合適植入物；② 空間定位，即獲得手術路徑的空間坐標；③ 路徑導航，即根據手術路徑的空間坐標控制機器人運動，將手術工具運動至手術路徑。可以通過基于二維透視圖像或者三維重建圖像的空間定位算法實現空間定位[10]。路徑導航的問題是如何根據手術路徑的空間坐標計算機器人運動控制參數，從而控制機器人定位手術路徑。

2 系統設計

2.1 系統組成

光學導航引導的手術機器人系統包括機器人、光學定位裝置、機器人跟蹤支架、患者跟蹤支架、圖像標定器、導向套筒、手術規劃和控制軟件系統等。光學定位引導的手術機器人系統，見圖1。

圖1 光學定位引導的手術機器人系統

光學定位裝置采用NDI公司Polaris系統，定位誤差小于0.3 mm。機器人跟蹤支架和患者跟蹤支架分別安裝在機器人末端和患者手術部位，機器人跟蹤支架和患者跟蹤支架上均裝有反光球，光學定位裝置通過機器人跟蹤支架和患者跟蹤支架分別定位患者和機器人的空間位置。手術規劃和控制軟件系統主要功能包括手術圖像處理、手術路徑規劃、坐標計算、機器人控制、數據存儲等。圖像標定器是通過標定器的圖像坐標與實際坐標配準求得圖像空間與手術空間映射關系。機器人是本系統中手術路徑定位的執行機構。手術路徑具有5個自由度（缺少沿軸線的旋轉自由度），對于完成手術路徑定位的機構要求自由度必須大于等于5，再考慮到手術中必須進行手術工具的避障和路徑優化，應采用大于5自由度機器人，本研究采用一種6R構型的機器人。6R構型的機器人具有6個轉動的關節使連桿串行連接，每個關節由一臺獨立的伺服電機驅動，各關節轉動不同的角度，機器人的末端導向套筒便獲得不同的位置和姿態。由于手術路徑是根據手術規劃和空間定位計算的，手術中患者會由于手術操作發生位置變化，如何獲得各關節的轉動角度，使得安裝在機器人末端的導向套筒恰好瞄準手術路徑，并使機器人根據患者的位移自動實時調整位姿實現動態實時精確定位，是系統設計的關鍵。

2.2 求解機器人姿態

如圖1所示，O0表示機器人基座坐標系，O6表示機器人末端坐標系，Or表示機器人跟蹤支架坐標系，Ot表示手術工具坐標系，Op表示患者跟蹤支架坐標系，Oc表示光學跟蹤裝置坐標系。用T矩陣表示兩個坐標系之間的變換，例如表示從機器人跟蹤支架坐標系Or到機器人末端坐標系O6的轉換關系。機器人末端與基座的轉換矩陣，也稱為機器人位姿矩陣，本文用表示機器人的目標位姿矩陣，用表示機器人當前位姿矩陣。

手術工具與機器人的轉換關系：

另一方面：

由式(1)和(2)可得：

2.3 機器人正解

首先建立機器人的D-H坐標系，見圖2。

圖2 機器人D-H坐標系

根據D-H參數確定機械臂轉換矩陣：

其中 si=sin(θi)，ci=cos(θi)，θi為關節 i（i=1…6）的關節角度，下同。

機器人的姿態矩陣為：

2.4 機器人逆解

當已知機器人的目標位恣矩陣后，進一步計算各關節的轉動角度，使得安裝在機器人末端的導向套筒恰好瞄準手術路徑，屬于機器人的逆解問題。綜合運用圖標法和解析法，求得6R機器人逆解如下：

綜上，通過手術規劃和空間定位計算確定手術路徑相對于患者跟蹤支架的關系，通過式(3)計算機器人的目標位恣矩陣，通過式(6)計算機器人各關節的轉動角度。通過機器人控制系統，控制各關節轉動上述計算的角度，機器人將帶動導向套筒運動至規劃的手術路徑，然后醫生在導向套筒引導下完成置入導針和螺釘的操作。

3 系統精度驗證和結果

為進行精確的精度試驗，設計了一種精度檢驗工裝，見圖3。工裝以A、B、C、D 4個測試球作為目標，患者跟蹤支架與工裝底板固定安裝。試驗中通過三坐標測量儀（Hexagon ROMER 2575，測量精度0.028 mm）分別測量測試球和機器人末端工具的坐標，測量坐標的差值即為機器人定位的誤差。精度試驗實物圖，見圖4。

圖3 精度檢驗工裝

通過試驗驗證光學定位引導機器人定位的精度流程：

（1）將檢驗工裝放置在機器人的有效工作空間內，采用三坐標測量儀點觸檢驗工裝上立柱A上端球坑中心，記錄坐標值A0。

（2）移開立柱A，控制機器人使工具尖端中心到達立柱A上端球坑中心所在位置。

圖4 精度試驗

（3）用三坐標測量儀點觸機器人標定桿尖端中心，記錄坐標值A1。

（4）計算A0和A1的空間距離，公式為

A0A1即為系統定位誤差值。

（5）移動檢驗工裝位置至另一位置，重復以上步驟，重新測量誤差。

經多次測試，測量的定位誤差結果均小于1.0 mm，見表1。

表1 系統精度驗證結果（mm）

4 臨床試驗和結果

本研究還進一步進行了臨床試驗研究，將受試者隨機分成試驗與對照兩組，其中試驗組使用手術機器人輔助醫生實施脊柱椎弓根釘內固定手術(圖5)。對照組采用常規的透視引導下醫生徒手完成脊柱椎弓根釘內固定手術。通過統計分析比較兩組手術的導針位置偏差，評價手術機器人系統的臨床有效性和安全性。

自2016年1月～6月，在北京積水潭醫院共篩選了受試者59例。其中試驗組患者30例，男性13例，女性17例，平均年齡55歲，置入螺釘132顆。對照組患者29例，男性13例，女性16例，平均年齡54歲，共置入螺釘136顆。試驗結果為試驗組導針位置偏差明顯小于對照組（P＜0.001）。

5 討論與總結

在脊柱椎弓根釘內固定手術中，由于脊柱椎弓根周圍密布重要的神經和血管，螺釘置入偏差可能導致固定失效、術后疼痛、患者癱瘓甚至死亡的嚴重后果[11-12]，通常需要切開組織充分顯露椎弓根置入相關解剖標志，導致創傷大、出血多、并發癥多。透視引導經皮微創置入的方法，依賴于術者經驗和術中透視，螺釘誤置率達4.9%～37.5%[13-16]。傳統的光學導航手術系統只提供螺釘位置的視覺反饋，操作完全靠醫生徒手完成，手術難度仍然很大，失敗率仍然較高[17]。

圖5 手術機器人輔助脊柱椎弓根釘內固定手術

光學導航引導的手術機器人系統，主要特點是具有機器人和光學導航系統綜合的優勢，通過光學跟蹤裝置實現患者的實時跟蹤、通過機器人完成手術路徑的精確定位，二者的有機結合使該手術系統具備了“手-眼”協同能力，為最終的手術定位精度提供有力的保障,可以有效克服了徒手手術方法、傳統的光學導航手術系統和已有的機器人手術系統的缺點，實現手術路徑的高精度定位，為將機器人手術技術應用于更加廣泛的臨床手術，保證手術質量和安全性，奠定了很好的基礎。精度驗證試驗和臨床試驗研究表明，光學導航引導的手術機器人系統定位精度高，滿足骨科手術中手術路徑的自動和精確定位的要求。特別是利用手術機器人完成復雜上頸椎手術的成功，充分顯示了機器人高精度、高安全性的特點[18]。

下一步還將進行機器人跟蹤患者移動的實時性、機器人運動軌跡優化、觸覺反饋等問題的研究，并進行手術效果的長期順訪研究，制定機器人臨床應用規范等問題，進行手術機器人的推廣應用。

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Design of an Optical Navigation Guided Surgical Robot System

ZHANG Weijun1, XU Jin1, ZHANG Yong1, LIU Yajun2
1.Department of Technology, TINAVI Medical Technologies Co., Ltd., Beijing 100192, China;2.Department of Medical Engineering, The 309thHospital of PLA, Beijing 100091, China

ObjectiveThe purpose of this study is to design a robotic system which integrates the robot technology and the optical navigation technology to solve the problems in the present orthopedic surgery.MethodsThrough the principle analysis, system design and manufacture, the optical navigation guided surgical robot system was completed. A special device of accuracy test was designed to validat the accuracy of the system. Then some clinical trials were conducted to verify the clinical safety and efficacy of the system.ResultsThe positioning error of the operation robot system guided by optical navigation was less than 1.0 mm. The clinical trial showed that the insertion error of the robot assisted spinal pedicle screw surgery was significantly less than that of the conventional free hand method.ConclusionThe surgical robot system with “hand-eye” is able to realize the precise location of operation path in orthopedic surgery.

surgical robot; optical navigation; minimally invasive surgery; accuracy test

TP24

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.008

1674-1633(2017)11-0028-04

2017-08-07

2017-08-28

國家重點研發計劃（2016YFC0105803）；北京市科技計劃（Z161100001816035）；北京市科技新星計劃（Z151100000315071）。

劉亞軍，副主任技師，主要研究方向為生物醫學工程。

通訊作者郵箱：lyj309@sina.com

本文編輯 袁雋玲