計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述

張新星，趙英杰，陳 超

(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000)

0 引言

由于計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航和機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新，計(jì)算機(jī)輔助機(jī)器人系統(tǒng)已被用于各種骨科手術(shù)，包括關(guān)節(jié)成形術(shù)、脊柱手術(shù)、骨腫瘤手術(shù)、關(guān)節(jié)鏡檢查、骨折復(fù)位、創(chuàng)傷手術(shù)的骨折固定。以骨折手術(shù)為例，在微創(chuàng)骨折復(fù)位過(guò)程中，外科醫(yī)生需要在術(shù)中透視的持續(xù)監(jiān)測(cè)下手動(dòng)操作骨折的骨頭。受限于C型臂的視野，骨折復(fù)位的效果主要取決于外科醫(yī)生的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。骨折部位的不正確定位和對(duì)齊以及旋轉(zhuǎn)不良常常導(dǎo)致術(shù)后并發(fā)癥，例如畸形愈合和骨不連。持續(xù)輻射是目前骨科創(chuàng)傷手術(shù)的一個(gè)前提條件，但對(duì)醫(yī)務(wù)人員會(huì)產(chǎn)生累計(jì)傷害。目前主要面臨的挑戰(zhàn)包括：1)骨折的不可見(jiàn)性和復(fù)雜性；2)骨折復(fù)位精度更高，術(shù)后功能更佳；3)適當(dāng)?shù)臋C(jī)器人自由度(DOF)提供足夠的工作空間；4)下肢骨折復(fù)位時(shí)需要足夠的機(jī)器人輸出力。

為了實(shí)現(xiàn)提高精度、輸出力和擴(kuò)展工作空間的目的，各種類型的機(jī)器人在過(guò)去幾十年中得到了發(fā)展，包括串行、并行和混合機(jī)器人機(jī)構(gòu)。對(duì)于骨折手術(shù)，另一個(gè)問(wèn)題是骨折的不可見(jiàn)性。因此，機(jī)器人在手術(shù)過(guò)程中需要知道或“看到”骨折的位置，而這在傳統(tǒng)手術(shù)中必須通過(guò)X射線來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)可用作手術(shù)機(jī)器人的“眼睛”。 在“導(dǎo)航系統(tǒng)”部分介紹了用作手術(shù)骨折復(fù)位的獨(dú)立系統(tǒng)。在“機(jī)器人系統(tǒng)”部分，介紹了當(dāng)前不同類型的機(jī)器人，包括:1)串行機(jī)器人機(jī)構(gòu)，如單側(cè)外固定器、牽引裝置和串行機(jī)械臂；2)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，如環(huán)形外固定架、牽引裝置、并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械手；3)混合機(jī)器人。在“結(jié)論”部分，總結(jié)了未來(lái)骨科手術(shù)發(fā)展方向和潛在應(yīng)用。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

骨科機(jī)器人骨外起步較早，美國(guó)、德國(guó)、日本都有比較成熟的產(chǎn)品。其中基于外部固定框架結(jié)構(gòu)的復(fù)位機(jī)器人尤為典型，具有兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)，一個(gè)是圖1(a)中的六自由度(DOF)外固定器，另一個(gè)是圖1(b)中的單側(cè)固定器。在臨床實(shí)踐中，骨科醫(yī)生通過(guò)使用外固定器結(jié)合C型臂提供的二維圖像來(lái)操縱骨折部位，以重新排列近端和遠(yuǎn)端碎片。其中六自由度(DOF)機(jī)器人來(lái)源于stewart平臺(tái)(一種并聯(lián)機(jī)器人)。骨折復(fù)位機(jī)器人的研究經(jīng)歷了一個(gè)從簡(jiǎn)單外固定架演化為串并聯(lián)混合式結(jié)構(gòu)的漸變過(guò)程。2009年，R.Ye等人[1-4]首先提出了一個(gè)六自由度串聯(lián)-并聯(lián)混合復(fù)位機(jī)器人(名為Dcros：雙笛卡爾機(jī)器人)，該機(jī)器人通過(guò)成對(duì)的執(zhí)行器的線性運(yùn)動(dòng)獲得所有末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。與Stewart結(jié)構(gòu)相比，該機(jī)器人具有更大的工作空間范圍以及更簡(jiǎn)單的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)解決方案，如圖1(a)所示。2010年，S.S.Hung等人[5]使用C形卡尺將串并聯(lián)混合機(jī)器人固定在下肢骨折輔助手術(shù)的手術(shù)床上，該機(jī)器人可以分別控制近端和遠(yuǎn)端，如圖1(b)所示。2016年，G.Dagnino等人[6-8]將Stewart平臺(tái)連接到串行機(jī)械臂，并開(kāi)發(fā)了用于關(guān)節(jié)骨折的復(fù)位機(jī)器人，與大多數(shù)骨折復(fù)位機(jī)器人相比，這是一個(gè)突破，可以減少患者的創(chuàng)傷以及對(duì)軟組織，神經(jīng)血管等的傷害。在動(dòng)物骨骼實(shí)驗(yàn)中其準(zhǔn)確性很高，可實(shí)現(xiàn)的負(fù)載力相對(duì)較小，這限制了它的實(shí)用性。

試驗(yàn)組在對(duì)照組治療基礎(chǔ)上，加用麝香保心丸（上海和黃藥業(yè)有限公司，國(guó)藥準(zhǔn)字Z31020068，規(guī)格22.5 mg/粒），3次/d，2粒/次，口服給藥。兩組患者均連續(xù)治療3個(gè)月。

已進(jìn)入臨床應(yīng)用基于外部固定框架結(jié)構(gòu)的復(fù)位機(jī)器人如圖1所示。而最為典型的應(yīng)用是基于串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)的骨折復(fù)位機(jī)器人，還沒(méi)有成熟的樣機(jī)和商業(yè)化應(yīng)用，如圖2所示。

圖1 外固定器和基于外固定器的骨折復(fù)位機(jī)器人

圖2 串并聯(lián)混合式骨折復(fù)位機(jī)器人

國(guó)內(nèi)骨科機(jī)器人起步較晚，先后有哈工大、東南大學(xué)、浙江大學(xué)進(jìn)行相關(guān)研究，其中哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)了一種基于固定平臺(tái)的手術(shù)系統(tǒng)，東南大學(xué)開(kāi)發(fā)了下肢骨骼手術(shù)固定系統(tǒng)，北京航天航空大學(xué)主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的天璣骨科手術(shù)機(jī)器人[9]由北京天智航醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)，是國(guó)內(nèi)首個(gè)獲得醫(yī)療器械注冊(cè)證的手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)品。它被用來(lái)幫助醫(yī)生精確定位植入物或手術(shù)器械的應(yīng)用范圍從脊柱外科到創(chuàng)傷骨科。2019年北京積水潭醫(yī)院完善了世界上首個(gè)基于術(shù)中實(shí)時(shí)三維圖像的胸腰椎骨折微創(chuàng)內(nèi)固定，世界上首個(gè)術(shù)中實(shí)時(shí)微創(chuàng)內(nèi)固定?；?D圖像的機(jī)器人輔助寰樞椎經(jīng)關(guān)節(jié)螺釘內(nèi)固定及世界上首個(gè)基于術(shù)中實(shí)時(shí)3D圖像的機(jī)器人輔助齒狀突骨折內(nèi)固定。

在翻譯古詩(shī)的過(guò)程中，重構(gòu)意象變成了關(guān)鍵。因此，我們需要通過(guò)認(rèn)知語(yǔ)言學(xué)來(lái)探索譯者如何把意象的歷史和內(nèi)涵轉(zhuǎn)換成另一種語(yǔ)言的。首先，在詩(shī)詞創(chuàng)造的開(kāi)端，詩(shī)人頭腦中出現(xiàn)了他從客觀世界所感知到的物體，和他對(duì)自然和社會(huì)的觀察，之后它們會(huì)變?yōu)橐庀蟛A著詩(shī)人的所思所想被寫入詩(shī)中。其次在意象重構(gòu)階段，譯者應(yīng)該有一次富有想象力的跨越行為，跨越時(shí)間、空間、語(yǔ)言系統(tǒng)、文化障礙，加以飽滿地理解意象語(yǔ)境，把意象背后的隱含意義翻譯到目標(biāo)語(yǔ)中。當(dāng)目標(biāo)語(yǔ)讀者閱讀完譯文之后，他們也會(huì)基于自己的世界認(rèn)知，形成他們腦海中的特有意象。

2 機(jī)器人系統(tǒng)

骨折復(fù)位手術(shù)是涉及骨科治療所需全部操作的手術(shù)，即骨折節(jié)段的重新定位和復(fù)位后的固定。相應(yīng)地，目前正在研究的機(jī)器人可分為重新定位機(jī)器人(復(fù)位機(jī)器人)和固定機(jī)器人。固定機(jī)器人主要起到術(shù)中定位功能，如髓內(nèi)釘固定遠(yuǎn)端鎖定銷定位等，類似于關(guān)節(jié)置換和脊柱椎弓根螺釘植入的機(jī)器人。然而，骨折的重新定位是骨折手術(shù)固定前的主要程序。有學(xué)者指出，準(zhǔn)確的解剖復(fù)位是骨折手術(shù)治療的關(guān)鍵步驟。未能重新調(diào)整骨折部位將充分導(dǎo)致延遲愈合、畸形愈合或不愈合。因此，復(fù)位機(jī)器人的研究是骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，重定位機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要有4種：1)基于外固定框架結(jié)構(gòu)；2)基于工業(yè)機(jī)器人的串行結(jié)構(gòu)；3)平行結(jié)構(gòu)；4)串并聯(lián)混合結(jié)構(gòu)。除了以上4種類型之外，還有一些其他類型的復(fù)位機(jī)器人。例如，基于牽引床的變換，基于軟氣囊的套筒式骨折節(jié)段復(fù)位器。

2.1 人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)

基于3D圖像的導(dǎo)航通常使用體積圖像，如圖6所示。臨床數(shù)據(jù)通常由CT、MRI和超聲圖像提供。比較單個(gè)圖像模式的好處，CT是最常用的，因?yàn)樗峁┝嗽S多優(yōu)點(diǎn)。首先，CT成像允許在骨骼和周圍軟組織之間具有高對(duì)比度、長(zhǎng)掃描范圍和短掃描時(shí)間的高分辨率圖像[55-56]。由于骨骼以相當(dāng)大的對(duì)比度顯示，因此很容易執(zhí)行骨骼的有效分割。該分割過(guò)程生成骨骼模型，其中其他結(jié)構(gòu)被抑制。此外，通過(guò)使用高速CT掃描儀，可以避免3D骨骼模型的運(yùn)動(dòng)偽影。這種類型的導(dǎo)航系統(tǒng)成功地用于脊柱椎弓根螺釘插入、髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)、骨盆截骨術(shù)[56-57]。

圖3 手扶式人機(jī)協(xié)同骨科機(jī)器人系統(tǒng)

2.2 骨科生物力學(xué)機(jī)制與模型仿真研究現(xiàn)狀

生物力學(xué)機(jī)制與模型研究用于骨科訓(xùn)練和手術(shù)預(yù)演，指導(dǎo)骨科手術(shù)機(jī)器人的控制策略和設(shè)計(jì)參數(shù)要求。有兩種生物力學(xué)建模方法：質(zhì)量彈簧法(如圖4所示)和有限元法。質(zhì)量彈簧模型[17]包括一組由彈簧連接的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有點(diǎn)質(zhì)量，使用有限數(shù)量的節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能，但通常不夠穩(wěn)定。由于軟組織的真實(shí)彈性行為是非線性的，有限元方法能產(chǎn)生更準(zhǔn)確的結(jié)果[18]。有限元法擅長(zhǎng)生物力學(xué)分析，已被證明是研究人體內(nèi)部信息的一種很有前景的工具。目前已經(jīng)有很多成功的研究工作，如利用有限元法研究腰椎、足部、手臂等的生物力學(xué)特性，但將研究重點(diǎn)放在腿部，尤其指導(dǎo)骨折復(fù)位的骨科手術(shù)方面，很少有實(shí)際的模型[19-20]。文獻(xiàn)[21]提出了一種組織雙力學(xué)模型，但只使用特定對(duì)象的CT圖像數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè)下肢有限元模型，缺少骨折復(fù)位裝置的模型，不具有統(tǒng)計(jì)測(cè)試能力。

圖4 骨骼生物力學(xué)模型

2.3 機(jī)器人控制與交互技術(shù)

骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)遙控和自動(dòng)控制有效地減少了輻射。不同控制技術(shù)的對(duì)比表還沒(méi)有臨床數(shù)據(jù)，無(wú)法給出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)范圍。但是，可以根據(jù)控制方法本身的原理推斷出彼此之間的性能差異。

1994年, M.Bouazza首次使用機(jī)器人在外科醫(yī)生的遙控下執(zhí)行骨折手術(shù)中的定位和鉆孔操作[22]。遙操作主要包括基于操縱桿和基于主結(jié)構(gòu)的控制方法?；诓倏v桿的控制是一種二維控制方法，它只能在圖像平面內(nèi)移動(dòng)對(duì)象。R.Westphal等人[23]首先利用操縱桿實(shí)現(xiàn)骨折骨的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；诓倏v桿的遠(yuǎn)程操作的最大好處是成本低、學(xué)習(xí)曲線短，而缺點(diǎn)是缺乏觸覺(jué)反饋[24]。除此之外，C.Li等人[25]提出了一種觸覺(jué)反饋結(jié)構(gòu)，與基于操縱桿的控制相比，該結(jié)構(gòu)具有更直接的主從對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)計(jì)算。自動(dòng)控制是基于遠(yuǎn)端骨折節(jié)段狀態(tài)之間的相對(duì)轉(zhuǎn)換。其復(fù)位效果取決于術(shù)前計(jì)劃、復(fù)位算法和機(jī)器人本身的精度[26-28]。文獻(xiàn)[29]對(duì)股骨骨折復(fù)位的幾種算法進(jìn)行了比較和總結(jié)，表明自動(dòng)控制比遙控更為精確?？紤]到一些復(fù)雜的骨折，自動(dòng)控制方便、準(zhǔn)確，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)運(yùn)動(dòng)。然而，自動(dòng)控制在很大程度上依賴于詳細(xì)的術(shù)前計(jì)劃，對(duì)意外的術(shù)中情況沒(méi)有很好的反應(yīng)。為了使外科醫(yī)生更容易控制機(jī)器人，許多學(xué)者也研究了人機(jī)交互。大多數(shù)人機(jī)交互是在導(dǎo)航和路徑規(guī)劃過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)接口直接輸出圖像，從而使外科醫(yī)生能夠調(diào)整或重新規(guī)劃手術(shù)路徑。Y.Su等[30]將體感交互作用引入骨折復(fù)位機(jī)器人中，使操作者在骨折復(fù)位手術(shù)實(shí)驗(yàn)中能夠利用手勢(shì)來(lái)控制機(jī)器人。

文獻(xiàn)[32-33]中使用的單側(cè)外固定器方法是通過(guò)單個(gè)皮質(zhì)外固定針連接的。用外固定針將文獻(xiàn)[34]中的圓形外固定方法改為不完全圓形結(jié)構(gòu)。6-PTRT機(jī)器人[35]通過(guò)貫穿腳踝的針頭與患者相連。G.Thomas等人[36]用螺栓穿過(guò)骨髁，結(jié)合一個(gè)Schanz螺釘將機(jī)器人連接到骨折段的遠(yuǎn)端，從而形成更堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)。C.Li等人[37]將骨針固定在環(huán)上，環(huán)固定在與機(jī)器人相連的底盤上。韋伯-斯皮克申等人[38]使用傳統(tǒng)的外固定器、復(fù)位板和三點(diǎn)裝置測(cè)試了3種不同的機(jī)器人-骨連接方法。Giulio等人[39]提出了一種創(chuàng)新的關(guān)節(jié)骨折夾持裝置，使用定制的骨科針接骨，有一個(gè)微創(chuàng)的一個(gè)切口和一個(gè)骨孔。在通過(guò)腳靴的連接方面[40-41]，通過(guò)軟組織實(shí)現(xiàn)連接，可以有效減少傷口。然而這種連接是“軟連接”，無(wú)法實(shí)現(xiàn)骨機(jī)器人的實(shí)體關(guān)節(jié)，很難精確地進(jìn)行力和力矩傳導(dǎo)。

2.4 “骨-機(jī)器人”連接技術(shù)

根據(jù)省耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)實(shí)施方案的要求，堅(jiān)持“四統(tǒng)一”原則進(jìn)行耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建設(shè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在生產(chǎn)管理方法及水平與當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)相同或相似的地方，省級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)4個(gè)處理小區(qū)，即：長(zhǎng)期無(wú)肥區(qū)、當(dāng)季無(wú)肥區(qū)、常規(guī)施肥區(qū)、測(cè)土配方施肥區(qū)。常規(guī)施肥區(qū)面積不小于333.4 m2，長(zhǎng)期無(wú)肥區(qū)、當(dāng)年無(wú)肥區(qū)、測(cè)土配方施肥區(qū)面積為66.7 m2。長(zhǎng)期無(wú)肥區(qū)和測(cè)土施肥區(qū)用水泥做成永久性隔離小區(qū)，小區(qū)進(jìn)水口位于進(jìn)水渠上游。其余小區(qū)用塑料薄膜嵌入地下做成防滲漏的田埂來(lái)隔離。當(dāng)年無(wú)肥區(qū)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)田塊內(nèi)活動(dòng)輪換，5年以上輪換一次[1]。

而此山此谷又可謂野花野谷王國(guó)。大別山特有的古杜鵑花群，春季在山坡上隨處可見(jiàn)，宛若大片彩云，開(kāi)得如癡如醉。野果有板栗、核桃、櫻桃、獼猴桃、杏、棗、山楂、羅漢果、桑葚、松茸……野滋味與尋常水果不可同日而語(yǔ)。

圖5 骨機(jī)連接機(jī)構(gòu)

車近十堰市，“問(wèn)道武當(dāng)”的廣告標(biāo)牌就不斷映入眼簾。武當(dāng)山又名太和山，這正是十堰市太和醫(yī)院（以下簡(jiǎn)稱“太和醫(yī)院”）得名的來(lái)源。

由于機(jī)器人骨折復(fù)位手術(shù)是一種微創(chuàng)手術(shù)，骨-機(jī)器人連接不能由大型接觸工具(如大型咬骨鉗)完成。然而，放棄大面積的接觸可能會(huì)降低連接的強(qiáng)度，即如何完全夾緊骨頭來(lái)完成復(fù)位仍然是一個(gè)難題[31]。常用的骨-機(jī)器人連接方法有：1)外固定銷或螺釘連接(如圖5所示)；2)通過(guò)腳靴的連接。

3 導(dǎo)航系統(tǒng)

手術(shù)導(dǎo)航是一種經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理的可視化系統(tǒng)，可提供有關(guān)手術(shù)器械和植入物及其對(duì)目標(biāo)器官的方向的重要臨床信息。此類系統(tǒng)通常利用3D位置傳感器進(jìn)行空間定向。這些傳感器能夠跟蹤目標(biāo)器官、手術(shù)工具和植入物。任何導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟是提供位置信息并結(jié)合有關(guān)手術(shù)工具的信息的手術(shù)計(jì)劃。在臨床實(shí)踐中，骨科手術(shù)導(dǎo)航方法主要有：CT導(dǎo)航[42-43]、二維/三維透視導(dǎo)航[44-45]、超聲導(dǎo)航[46]、電磁導(dǎo)航[47-48]、無(wú)圖像導(dǎo)航[49-51]等。 CT導(dǎo)航：可獲得骨組織的高精度斷層數(shù)據(jù)。通過(guò)圖像處理技術(shù)，可以重建骨折部位，并用可視化圖像進(jìn)行顯示。然而，CT掃描是一個(gè)相對(duì)高劑量的過(guò)程。透視導(dǎo)航：采用C-arm、G-arm或O-arm進(jìn)行圖像采集，具有較高的實(shí)時(shí)性。與二維透視相比，三維透視導(dǎo)航可以在手術(shù)過(guò)程中提供更精確的術(shù)前規(guī)劃和三維可視化[52]，在手術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于體積效應(yīng)的影響，得到的三維圖像效果不如CT。超聲導(dǎo)航(基于超聲成像)：是一種新興技術(shù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)創(chuàng)性。但是，它可能會(huì)受到不同因素的干擾，如超聲波速度、距離、組織變形等。電磁導(dǎo)航：與光學(xué)跟蹤相比，除了具有非侵入性外，最大的優(yōu)點(diǎn)是不受視野遮擋的限制。但是，它會(huì)受到周圍電磁場(chǎng)和金屬醫(yī)療設(shè)備的影響。無(wú)圖像導(dǎo)航(光學(xué)跟蹤)：指通過(guò)光電跟蹤系統(tǒng)確定不同的解剖結(jié)構(gòu)和參考標(biāo)記，建立手術(shù)物體的虛擬表示，復(fù)位精度能達(dá)到1毫米以內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)精確復(fù)位，還需要進(jìn)行圖像配準(zhǔn)，目前的配準(zhǔn)策略主要有兩種：一種是基于解剖統(tǒng)計(jì)的配準(zhǔn)策略；另一種是基于對(duì)側(cè)骨圖像的配準(zhǔn)策略[53-54]。在這兩種方法中，以統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的骨模型數(shù)據(jù)或?qū)?cè)重建模型數(shù)據(jù)的鏡像圖像作為復(fù)位準(zhǔn)則，利用CT掃描得到的骨折近端和遠(yuǎn)端圖像求解復(fù)位變換矩陣。

3.1 基于3D圖像的導(dǎo)航

骨折復(fù)位人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保障病人安全和提高手術(shù)質(zhì)量的一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的過(guò)程。臨床實(shí)踐表明，設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)脑O(shè)備會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤和相關(guān)事故。為此安全性設(shè)計(jì)是首要的，文獻(xiàn)[10]指出骨碎片之間的安全距離：過(guò)度的牽引可能會(huì)損傷坐骨神經(jīng)。雖然需要四肢的牽引運(yùn)動(dòng)，但必須在安全范圍內(nèi)。骨科醫(yī)生推薦的牽引距離安全范圍在近端和遠(yuǎn)端骨碎片之間為25～30 mm。文獻(xiàn)[11]討論了過(guò)度復(fù)位力可能會(huì)對(duì)四肢的軟組織造成傷害。因此，設(shè)計(jì)了用于控制斷裂復(fù)位力的力限制器，從而可以調(diào)節(jié)力極限，如圖3所示。除此之外，骨折復(fù)位人機(jī)協(xié)同系統(tǒng)成功設(shè)計(jì)的另一個(gè)關(guān)鍵要素是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中盡早整合主要和次要利益相關(guān)者的觀點(diǎn)。文獻(xiàn)[12]提出為了提高骨科醫(yī)療設(shè)備的采用率，開(kāi)發(fā)人員必須對(duì)將使用該設(shè)備的臨床醫(yī)生、患者和護(hù)理人員有一個(gè)清晰和透徹的了解。文獻(xiàn)[13-16]指出開(kāi)發(fā)人員必須進(jìn)行早期用戶研究，以了解和指定使用環(huán)境以及用戶和組織要求。盡管一些醫(yī)療設(shè)備制造商已經(jīng)在其產(chǎn)品中納入了人的因素原則，但在這種參與的實(shí)際性方面仍然缺乏相應(yīng)的工作。

圖6 骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)

3.2 基于透視的光學(xué)導(dǎo)航

主要優(yōu)點(diǎn)是與體積導(dǎo)航相比成本更低?；谕敢晥D像，可以創(chuàng)建在手術(shù)期間使用的引導(dǎo)圖。通過(guò)將動(dòng)態(tài)參考坐標(biāo)系連接到C臂和目標(biāo)骨骼來(lái)生成透視圖像。此過(guò)程確定圖像相對(duì)于患者的位置。它使用CAD文件，其中包含植入物和帶有動(dòng)態(tài)參考坐標(biāo)系的手術(shù)工具，這些文件疊加在圖像上，無(wú)需配準(zhǔn)程序[58-59]。這種系統(tǒng)的一個(gè)顯著好處是不需要配準(zhǔn)；由于重復(fù)使用前幾張圖像來(lái)指導(dǎo)手術(shù)過(guò)程，因此減少了計(jì)算時(shí)間并降低了輻射劑量。該系統(tǒng)通常用于骨折復(fù)位和固定。在脊柱和骨盆的情況下，使用來(lái)自多個(gè)C臂圖像的基于透視3D圖像的導(dǎo)航[60]。但是，將3D的C臂圖像與CT圖像進(jìn)行比較，在質(zhì)量上存在很大差異；CT圖像質(zhì)量更高。為了防止圖像失真，使用了同時(shí)成像的校準(zhǔn)標(biāo)記。

3.3 無(wú)圖像導(dǎo)航

這種導(dǎo)航的特點(diǎn)是它不需要術(shù)前和術(shù)后圖像來(lái)規(guī)劃和指導(dǎo)手術(shù)[61]。代替這些程序，關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)信息和骨骼形態(tài)信息用于規(guī)劃和設(shè)計(jì)引導(dǎo)圖。關(guān)于其在骨科中的應(yīng)用，這種系統(tǒng)最初是為TKA和THA應(yīng)用開(kāi)發(fā)的[62-63]。動(dòng)態(tài)參考坐標(biāo)系固定在骨盆、股骨和脛骨上，以找到股骨和脛骨機(jī)械軸的位置和坐標(biāo)。在隨后的步驟中，計(jì)算臀部、膝蓋和腳踝的中心。該計(jì)算是針對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)被動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間 動(dòng)態(tài)參考坐標(biāo)系 相對(duì)運(yùn)動(dòng)的中心進(jìn)行的。這種導(dǎo)航的一個(gè)顯著好處是它不需要圖像配準(zhǔn)。股骨旋轉(zhuǎn)對(duì)齊是通過(guò)參考上髁線、后髁線或溝線來(lái)調(diào)整的，這些線是通過(guò)觸摸標(biāo)志物來(lái)確定的[64]。參考脛骨后線或脛骨結(jié)節(jié)調(diào)整脛骨旋轉(zhuǎn)對(duì)齊。該方法基于圖像變形，提高了膝蓋區(qū)域圖像的準(zhǔn)確性和視覺(jué)信息?？紤]到韌帶平衡和軸向?qū)R，這提供了最佳折衷方案。關(guān)于THA的術(shù)前成像和計(jì)劃，與CT導(dǎo)航相比，無(wú)圖像導(dǎo)航是一種成本更低、時(shí)間要求更低的方法。

3.4 圖像配準(zhǔn)

圖像配準(zhǔn)中非常重要的因素是圖像尺寸，因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)使用圖像坐標(biāo)系或圖像和物理相位進(jìn)行轉(zhuǎn)換?；诰S度，圖像配準(zhǔn)可以是空間的，也可以配準(zhǔn)時(shí)間序列。根據(jù)幾何尺寸的數(shù)量，區(qū)分2D與2D，2D與3D和3D與3D配準(zhǔn)?；跁r(shí)間序列配準(zhǔn)的臨床圖像動(dòng)態(tài)序列分析可以隨時(shí)間跟蹤骨骼特征。一種流行的轉(zhuǎn)換類型是基于優(yōu)化過(guò)程的配準(zhǔn)。在此方法中，重復(fù)執(zhí)行配準(zhǔn)過(guò)程以優(yōu)化轉(zhuǎn)換參數(shù)。在此，配準(zhǔn)通常基于最大化分析圖像之間的相似性。優(yōu)化過(guò)程迭代地重新計(jì)算并調(diào)整源圖像和目標(biāo)圖像之間的配準(zhǔn)參數(shù)差異。配準(zhǔn)性能取決于優(yōu)化過(guò)程的準(zhǔn)確性。優(yōu)化過(guò)程的關(guān)鍵任務(wù)是選擇具有高度相似性的適當(dāng)參數(shù)。最后，根據(jù)相似性指標(biāo)，將獲得的參數(shù)用于獲得最佳匹配的圖像[70]。

配準(zhǔn)基于從源圖像(運(yùn)動(dòng)圖像)計(jì)算出的參考點(diǎn)的變換。這些點(diǎn)通過(guò)使用各種變換方法(包括剛性和非剛性變換)進(jìn)行映射并與目標(biāo)圖像匹配。剛性變換基于運(yùn)動(dòng)對(duì)象(源圖像)相對(duì)于目標(biāo)圖像坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)。剛性變換的一個(gè)特定特征是它保留了相同的幾何特征，即各個(gè)點(diǎn)之間的角度和距離相同。仿射變換執(zhí)行縮放，剪切和旋轉(zhuǎn)。該方法對(duì)異常值和圖像偽影具有精確性和魯棒性。此方法的另一個(gè)好處是，它可以輕松對(duì)齊從多個(gè)來(lái)源獲得的臨床圖像[68]。域轉(zhuǎn)換通過(guò)圖像域中的轉(zhuǎn)換執(zhí)行配準(zhǔn)過(guò)程。域轉(zhuǎn)換的好處是它既可以應(yīng)用于整個(gè)圖像區(qū)域，也可以應(yīng)用于圖像的子部分。在這種類型的配準(zhǔn)中，以獲取更準(zhǔn)確的信息為目標(biāo)，將像素信息轉(zhuǎn)換到另一個(gè)域中。配準(zhǔn)域通常分為全局配準(zhǔn)和本地配準(zhǔn)。局部變換涉及源圖像和目標(biāo)圖像的局部幾何特征。全局變換涉及整個(gè)圖像區(qū)域中的所有圖像參數(shù)。此類配準(zhǔn)受參數(shù)的任何修改影響。全局變換可以通過(guò)使用受圖像噪聲和偽影影響的局部參數(shù)來(lái)有效地進(jìn)行，因?yàn)樗梢砸种菩盘?hào)的這些部分，作為配準(zhǔn)變換領(lǐng)域中使用的圖像預(yù)處理方法的一部分[69]。

配準(zhǔn)基于圖像，是計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)中的關(guān)鍵步驟之一。通常用于對(duì)齊術(shù)前和術(shù)后圖像，或?qū)R治療對(duì)象和虛擬對(duì)象。在此過(guò)程中，將兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的圖像進(jìn)行匹配并對(duì)齊為一個(gè)輸出圖像，從而提供更多有價(jià)值的信息[65-66]。通常，在醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)中，通過(guò)使用幾何變換(例如相對(duì)于固定圖像(目標(biāo)圖像)的平移，旋轉(zhuǎn)，縮放或變形)來(lái)修改和調(diào)整源圖像。由于對(duì)象的移動(dòng)(由患者的移動(dòng)或患者位置的變化引起)，圖像配準(zhǔn)是處理來(lái)自同一成像系統(tǒng)的圖像的不同時(shí)間依賴幀的重要過(guò)程。從不同圖像源獲取的圖像配準(zhǔn)非常重要，因?yàn)樗诓煌瑘D像中提供了相同結(jié)構(gòu)的不同表示[67]。當(dāng)前，醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)是精確，計(jì)算效率高以及臨床上可接受的配準(zhǔn)技術(shù)的問(wèn)題。醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)能夠從不同的臨床圖像中提供有用的臨床信息，在準(zhǔn)確性和效率之間取得平衡。除了的這些問(wèn)題外，還應(yīng)考慮其他挑戰(zhàn)包括自動(dòng)圖像配準(zhǔn)的可能性，骨骼標(biāo)志的檢測(cè)，多峰圖像的配準(zhǔn)和以及對(duì)臨床圖像中異常值的魯棒性。

患者在服用卡馬西平、螺內(nèi)酯或者大量服用青霉素類抗生藥物后，可能會(huì)導(dǎo)致蛋白尿癥狀。患者大量服用維生素C后再進(jìn)行尿隱血試驗(yàn)，可能會(huì)導(dǎo)致假陰性檢驗(yàn)結(jié)果的出現(xiàn)，因此當(dāng)下很多醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)部門在進(jìn)行尿常規(guī)檢驗(yàn)的時(shí)候，會(huì)增加維生素C含量這一檢驗(yàn)指標(biāo)。

通常，可以以三種方式執(zhí)行圖像配準(zhǔn)：半自動(dòng)技術(shù)，全自動(dòng)技術(shù)和交互式配準(zhǔn)。當(dāng)術(shù)前圖像空間需要與實(shí)時(shí)物理空間相關(guān)時(shí)，交互式分割用于臨床應(yīng)用[71]。交互式配準(zhǔn)涉及以下過(guò)程。第一步，通過(guò)掃描儀(MRI或CT)獲取臨床圖像；因此，根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)以交互方式選擇了感興趣的區(qū)域(ROI)。在下一步中，將可互操作的圖像與術(shù)前圖像進(jìn)行匹配并對(duì)齊。這種配準(zhǔn)的主要好處是ROI的動(dòng)態(tài)匹配和跟蹤。通過(guò)自動(dòng)和半自動(dòng)選擇ROI來(lái)自動(dòng)配準(zhǔn)多峰和結(jié)構(gòu)圖仍然是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的研究問(wèn)題。這些程序非常重要，因?yàn)樗鼈兛梢詮男g(shù)前和術(shù)中圖像中檢測(cè)出相似區(qū)域(無(wú)需用戶交互)[72]。

4 結(jié)束語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng)的主要好處是通過(guò)提高手術(shù)程序的精確性，從放射圖像中消除異常值，如微創(chuàng)手術(shù)，并可以利用計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)新醫(yī)生進(jìn)行教育和培訓(xùn)。術(shù)前計(jì)劃可以進(jìn)行手術(shù)模擬，從而優(yōu)化手術(shù)計(jì)劃。通過(guò)使用基于體積的導(dǎo)航可以減少術(shù)中輻射暴露，并且通過(guò)使用機(jī)器人銑削可以顯著減少術(shù)中肺栓塞的體積。手術(shù)需要額外的操作來(lái)放置和植入標(biāo)記，這會(huì)導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間的延長(zhǎng)，同時(shí)也會(huì)增加失血量。在這種情況下，由于減少了輻射劑量和手術(shù)時(shí)間，透視導(dǎo)航是合適的。通過(guò)整合新的方法、儀器、圖像混合和可視化可能性，計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人技術(shù)在減少侵入性方面具有強(qiáng)大的未來(lái)潛力。

另一個(gè)重大突破是計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng)可以由基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)的集成，包括覆蓋顯示器和雙筒望遠(yuǎn)鏡以及用于光束引導(dǎo)的系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng)的重要作用是在新的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)植入物中，與常規(guī)植入物相比，它們的尺寸更小，即只需一個(gè)小切口即可在一次手術(shù)中進(jìn)行軟骨置換和同時(shí)進(jìn)行韌帶重建。

由于我國(guó)高等教育過(guò)于關(guān)注理論知識(shí)的傳授，而相對(duì)忽略學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，再加上不少畢業(yè)生就業(yè)期望值過(guò)高，造成一些畢業(yè)生在殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中難以立足。高校作為企業(yè)人才的供給側(cè)，在學(xué)生培養(yǎng)方面面臨較大困境。而在新時(shí)期社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中，各行各業(yè)對(duì)人才的要求并不在于其學(xué)術(shù)水平的高低，而是更加重視人才的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用能力，這導(dǎo)致高等院校并不能為各個(gè)企業(yè)提供足夠的適用性人才。同時(shí)，不同行業(yè)對(duì)人才的需求量也存在一定差異，而從實(shí)際供需情況來(lái)看，部分行業(yè)人才嚴(yán)重缺乏，而有些行業(yè)人才供給量卻過(guò)大，這明顯反映出我國(guó)高等教育結(jié)構(gòu)改革缺乏后續(xù)性。

通過(guò)對(duì)近十年來(lái)骨科手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行了回顧。骨科手術(shù)機(jī)器人作為醫(yī)療與工程相結(jié)合的產(chǎn)物，近幾年來(lái)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前，臨床上還沒(méi)有真正的骨折復(fù)位機(jī)器人。由于模型骨骼、動(dòng)物骨骼或尸體實(shí)驗(yàn)與實(shí)際臨床案例有很大不同，因此很多機(jī)器人無(wú)法完美滿足臨床要求。主要有兩個(gè)方面的難點(diǎn)：1)缺乏對(duì)現(xiàn)實(shí)生物力學(xué)特性的考慮。人體生物力學(xué)模型非常復(fù)雜。雖然有學(xué)者通過(guò)幾何和動(dòng)力學(xué)分析建立了機(jī)器人模型，如提出了一種組織雙力學(xué)模型，但此類研究?jī)H在極少數(shù)情況下受到限制。目前對(duì)現(xiàn)實(shí)生物力學(xué)特性的研究無(wú)法為骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人提供足夠的支持來(lái)進(jìn)行更好的路徑規(guī)劃和其他操作;2)不具有成本效益。目前研究的骨科手術(shù)機(jī)器人大多只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的輔助性操作(有些甚至需要牽引設(shè)備的幫助)，而且成本相當(dāng)高。

未來(lái)，骨科手術(shù)機(jī)器人將朝著低輻射、微創(chuàng)、操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)的方向發(fā)展。為保證手術(shù)的準(zhǔn)確性，目前計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng)中的大部分成像和導(dǎo)航系統(tǒng)都是基于術(shù)前或術(shù)中CT數(shù)據(jù)和人工影像分割重建。醫(yī)務(wù)人員和患者的累積輻射劑量仍然是一個(gè)大問(wèn)題。隨著人工智能的快速發(fā)展以及基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)對(duì)醫(yī)學(xué)圖像的自動(dòng)處理，預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)術(shù)前規(guī)劃、導(dǎo)航和執(zhí)行，計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng)中的輻射劑量可以顯著降低，而無(wú)需犧牲準(zhǔn)確性。 計(jì)算機(jī)輔助骨科機(jī)器人系統(tǒng) 的機(jī)制和流動(dòng)路徑可以在人工智能驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人中進(jìn)行優(yōu)化。