王亞明，張劍寧，田增民

無框架立體定向機器人引導頸椎弓根螺釘植入的實驗研究

王亞明，張劍寧，田增民

目的 探討基于虛擬現(xiàn)實可視化技術的無框架立體定向機器人(CRAS-2型)引導頸椎弓根螺釘植入的可行性。方法 3例成人顱-頸椎標本，以不同單一椎體作為獨立目標分別進行1 mm的薄層掃描，不同的椎體圖像序列分組在手術規(guī)劃工作站進行三維重建。然后對標本的顱頸和上位頸椎切開暴露，以完全暴露同一椎體表面突出的、細小的、唯一的(CT上能清晰顯示的)骨性標志為準;在目標椎體的薄層CT圖像上，選擇突出的、容易在標本上識別的唯一性骨性標志作為空間位置注冊點，用5個自由度的CRAS-2型無框架立體定向機械臂進行靶點的注冊。將目標椎弓根和側塊作為一個容積塊對待，在每一個斷層平面上對其進行輪廓的逐層標記。在計算機軟件的輔助下進行椎弓根的三維容積重建，確定釘頭預達點為靶點后，將可能的路徑顯示在重建的三維模型上，并在容積塊內調整選擇合適的路徑。利用機械臂對骨性注冊點在手術空間和圖像空間的測量結果，計算機輔助直接將手術空間中實物結構坐標映射變換到圖像空間中去;在手術空間中移動機械臂末端的手術導引探針;當手術導引針圖像的軸向與預先設計的軌跡重合時鎖定機械臂;在機械臂末端的操作把持平臺上，嚴格按照導引方向細鉆鉆孔后，插入導向鋼針，最后CT復查驗證導向植入螺釘?shù)臏蚀_性。結果 無框架立體定向機器人輔助椎弓根螺釘植入25枚(部分標本因為下頸椎缺失，未行椎弓根鋼釘植入)，鋼釘完全與規(guī)劃路徑吻合，準確率達到100%。結論 無框架立體定向機器人引導的頸椎弓根螺釘植入具有精確度高、操作簡便、圖像引導直觀清晰、經(jīng)濟實用等特點，有十分廣闊的應用前景。

立體定向;螺釘植入;頸椎椎弓根;機器人

頸椎弓根螺釘在框架立體定向三維可視化圖像引導下的個體化植入，雖然達到了讓人歡欣鼓舞的準確性。但臨床應用過程繁瑣仍舊存在實際困難，如:術前將頸椎固定成統(tǒng)一剛體后定位掃描，在手術麻醉過程中增加了氣管插管的難度(雖然能夠通過鼻插管規(guī)避此問題);此外，顱-頸-肩固定一體化后術中牽引復位困難。雖然上述問題都能找到一定變通方式來解決［1-2］，但為簡化臨床操作，我們在前期實驗基礎上，探討無框架立體定向機器人(CRAS-2型)在引導頸椎弓根螺釘植入的可行性。

1 材料和方法

1.1 標本材料 10%福爾馬林充分固定的漢族成人顱-頸椎標本3例，標本包括顱枕部和頸椎C1～C6或C7的椎體，保留完整的脊柱三柱結構和肌肉、皮膚。3例標本由北京三博腦科醫(yī)院神經(jīng)外科解剖實驗室提供，解剖實驗應用均書面報告醫(yī)院倫理委員會，并經(jīng)過倫理委員會批準備案。

1.2 方法

1.2.1 頸椎標本的空間位置的掃描定位 頭頸標本不需要刻意的固定，僅需要像常規(guī)顱頸椎CT掃描。GE-lightspeed型16排螺旋CT(GE通用電氣公司)以不同單一椎體作為一個目標進行1 mm的薄層掃描，單個椎體所有結構要掃描完整(C1～C7分別掃描)，不同的椎體圖像序列分開通過網(wǎng)絡傳回手術規(guī)劃工作站進行三維重建。

1.2.2 頸椎后側方的暴露 對掃描后的頭頸標本按照俯臥體位以頭架固定，枕下后正中開顱，嚴格按照中線進入，貼近椎板骨面逐層對顱頸交界區(qū)和上位頸椎區(qū)相關肌肉進行徹底分離暴露，剔凈椎板表面覆著的肌肉，以免影響椎體表面骨性標志的注冊。向外側暴露要足夠充分，除了暴露中線的棘突、雙側上下關節(jié)突外，有時尚需要暴露雙側橫突結節(jié)，總之以盡可能多的暴露同一椎體表面突出的、細小的、唯一的(CT上能清楚顯示的)骨性標志為準。以樞椎為例，尋找可以與圖像上標志相對應的明顯骨性標志，選擇的4點不能在一個平面(圖1)。

圖1 后正中切開后外側暴露頸椎側塊等結構

1.2.3 目標椎體表面細小骨性標志的注冊 在目標椎體的薄層CT掃描圖像上，選擇突出的、容易在標本上識別的唯一性骨性標志作為空間位置注冊點，注冊點的選擇需要選擇在同一個椎體上的骨性結構，而且注冊點不能位于同一平面，要相互交錯，形成一定空間構型。4個不在同一個平面上的標記點就足夠完成空間注冊(圖2)。然后在標本同一椎體上找到相對應的點，用5個自由度的CRAS-2型無框架立體定向機器人機械臂(天津華志計算機有限公司生產(chǎn)，精密度范圍±1 mm)進行靶點的注冊，要求系統(tǒng)誤差在1 mm以下。

圖2 樞椎骨標本顯示的在CT圖像上容易尋找辨認的相對應的注冊點

1.2.4 三維可視化手術路徑的規(guī)劃 首先在圖像空間進行4個標記點的坐標測量和校準后，將目標椎弓根和側塊作為一個容積塊對待，在每一個斷層平面上對其進行輪廓的逐層標記，在椎弓根的勾畫中嚴格避開椎動脈和脊髓，絕對以骨性成分為勾畫對象。在計算機軟件的輔助下進行椎弓根的三維容積重建，確定釘頭預達點為靶點后，將可能的路徑顯示在重建的三維模型上，并在容積塊內調整選擇合適的路徑(圖3、4)。

圖3 椎弓根容積塊的三維重建、椎弓根斷層圖像的疊加融合以及椎弓根植入的圖像導引

圖4 椎弓根螺釘植入路徑規(guī)劃導航全景圖

1.2.5 機械臂導引的椎弓根螺釘植入 利用機械臂對骨性注冊點在手術空間和圖像空間的測量結果，計算機輔助軟件直接將手術空間中實物結構坐標映射變換到圖像空間中去;在手術空間中移動機械臂末端的手術導引探針，導引軟件會把探針的位置實時地顯示在圖像空間中;當手術導引針圖像的軸向與預先設計的軌跡重合時鎖定機械臂;在機械臂末端的操作把持平臺上，嚴格按照導引方向細鉆鉆孔后，插入導向鋼針(圖5)，CT復查驗證導向的準確性。

圖5 機器人輔助引導椎弓根的定位植入

2 結果

在3例標本中共進行無框架立體定向機器人輔助椎弓根螺釘植入25枚(部分標本因為下頸椎缺失，未行椎弓根鋼釘植入)。植入后CT和X線復查評價準確性發(fā)現(xiàn):25個椎弓根置釘中，鋼絲完全與規(guī)劃路徑吻合，準確率達到100%。在實時圖像導向中，圖像空間嚴格設計準確的椎弓根路徑，即使不能在大體標本上確定椎弓根在側塊上投影來明確合適的“進釘點”，機器人導引選擇的“進釘點”也和理論上無神經(jīng)血管的解剖安全區(qū)(外上象限)完全吻合(圖6、7)，而且有時下位頸椎標本生理曲度的異常扭曲旋轉，使常規(guī)的上傾、內傾角度測量不可能完成時，導引進釘方向也十分精確(圖8)。

圖6 紅色箭頭指引的定向植入椎弓根螺釘?shù)摹斑M釘點”正好和解剖理論上的“安全區(qū)”完全吻合，角度也符合常規(guī)解剖測量

圖7 機器人機械臂把持的椎弓根螺釘植入實景

圖8 機器人把持操作平臺輔助下引導鉆孔螺釘植入和復查螺釘?shù)臏蚀_性，精確地避開椎動脈和脊髓

3 討論

真實空間的幾何學描述、定位都需要建立局部的坐標系統(tǒng)，而在比較兩個局部的坐標系時，必需建立它們之間的映射關系，即尋求一個轉換矩陣，這個問題就稱為定位問題。定位問題指將物理空間或手術空間中某個感興趣點映射到計算機圖像空間中去，描述它們之間的映射關系。

在脊椎固定螺釘植入的過程中，手術切開暴露的椎板、側塊等骨性結構掩蓋其下走行的椎弓根、椎動脈、神經(jīng)根和脊髓，如何在不破壞保持椎體穩(wěn)定骨性結構的基礎上，用計算機圖像空間坐標實時描述“不可見結構”的物理空間位置坐標，成為定位問題的關鍵［1-3］。

要解決這個問題，需要在圖像和物理空間里定義至少3個以上對應點，稱為參考基準點。根據(jù)幾個參考基準點，就可以導出2個空間之間的轉換矩陣，也就確定映射定位關系。但正確映射關系建立的基石是:參考點必須是“統(tǒng)一剛性結構”中的各點，參考點之間位置恒定，沒有位移。

在立體定向神經(jīng)外科手術定位中，基準點的確立通常有3種方法:①傳統(tǒng)立體定位框架(steel frame):將金屬框架牢牢地固定患者的頭部，使頭部和框架形成統(tǒng)一剛體，在CT圖像上選擇框架上能顯影的參考點，那么圖像中的病灶的空間位置就可以通過框架坐標系來描述確定，雖然精度較高，但屬于損傷性定位。②體外參考標記法(extrinsic fiducial markers):利用連接到人體表面能在圖像上顯影的小物體作為標記點，通常將標記點粘在頭皮表面或植入顱骨。雖然該法使患者和術者擺脫笨重框架的束縛，但主要缺點在于圖像掃描和手術時皮膚位置的變化(即目標和參考點在空間位置上未形成固定不變的剛體結構)，皮膚活動會導致標記物的位移或標記點和靶目標空間位置的變化，影響定位的精度。③本體參考標記法(intrinsic fiducial markers):以圖像可以顯示的人體解剖結構(如鼻尖、鼻根、耳屏等)作為標記。這些解剖標記必需具備3個條件:骨性結構或與之相聯(lián)、沒有空間位移(剛體內);在CT、MRI圖像能顯影;具有可作為標記點的尖端形狀。但臨床實踐中，尋找在2個空間內(圖像和物理)相對應的滿足3個條件的解剖注冊點十分困難。

在對“隱藏的”椎弓根的空間定位實踐中，恰好容易選擇完全滿足“本體參考標記法”要求的參考基準點，也就形成本實驗的理論基礎。即對于單個骨性椎體來說，因為其組成的所有骨性結構(如椎弓根、棘突、橫突、上下關節(jié)突等)在空間位置相對恒定，因此在對椎體薄層掃描定位前提下，可以把每個椎體作為“單個的統(tǒng)一剛性結構”來對待。在保持整個“剛性”椎體空間位置恒定情況下，通過對椎體背面可暴露骨性結構(棘突、橫突、上下關節(jié)突尖等)的識別以及與CT圖像上相應位點的注冊照合，物理空間和圖像空間映射關系的矩陣轉換，是能夠對同一椎體腹側所有不能暴露組織結構(如椎弓根、椎動脈、脊髓)的位置和走行進行空間描述的，并且能在相應的影像定位引導裝置(如機械臂)的指引下完成空間定位［5-6］。

但是對參考基準點不能或盡量避免選擇相鄰椎體表面的“尖形”骨性，因為相鄰椎體之間的位移使其不能作為“統(tǒng)一剛體”，會對定位產(chǎn)生誤差。馮海龍等［2］在對胸腰段正常椎體計算機導航操作中發(fā)現(xiàn)，因為胸腰椎相鄰椎體間活動度不大，相鄰椎體定位精度可達0.2～0.3 mm，跨階段椎體定位精度為0.5～0.7 mm，第3個椎體精度1.2～1.8 mm;但在頸椎定位中，因其活動度增大并存在旋轉移位，誤差就明顯增加，必須結合X線透視定位。

在以上理論基礎上，本實驗中將每一個目標椎體作為一個“剛體單元”，進行薄層CT掃描，明確物理空間中“可見”結構(棘突、橫突、關節(jié)突尖)和“不可見”結構(遮擋的椎動脈、脊髓、椎弓根)在圖像空間內的坐標構型關系，并通過注冊點的照合，將2個對應空間的映射關系融合起來。最后在圖像空間的三維坐標體系中設計出針對“隱藏”靶目標的精確靶點位置和穿刺軌跡，再通過智能機械臂將圖像空間中模擬的手術路徑映射成物理空間中的精確穿刺方向，為術者提供準確導航和操作平臺［7-9］。本組按照上述方法完成的25個椎弓根螺釘植入，準確率達到100%，沒有椎弓根的突破和脊髓、椎動脈的損傷;而且在圖像空間內根據(jù)椎弓根“三維容積塊”內調整選擇的“合理”置釘路徑，即使不通過測量數(shù)據(jù)明確椎弓根在側塊上投影來選擇合適的“進釘點”，機械臂導引選擇的“進釘點”也和理論上無神經(jīng)血管的解剖安全區(qū)(外上象限)完全吻合，而且即使有時下位頸椎標本生理曲度的異常扭曲旋轉，使常規(guī)的上傾、內傾角度測量不可能完成時，導引進釘方向也是出奇的精確。

海軍總醫(yī)院與北京航天航空大學聯(lián)合開發(fā)的機器人輔助外科手術系統(tǒng)(computer and robot assisted surgery，CRAS)，主要結構包括智能機械臂、影像引導裝置和三維定位軟件等3個部分，其三維構圖軟件、穩(wěn)定的把持裝置也是精確制導的保證［1，3-4］。

規(guī)劃軟件由圖像采集、二維圖像預處理、三維頭部模型的重建、模型的三維可視化交互式操作、手術穿刺路徑仿真等部分組成。與以往應用軟件不同，該軟件可進行交互式頭頸斷層圖像輸入和三維重建，能建立頸椎、目標靶區(qū)及周圍重要結構的空間幾何描述，并對構建的不同容積塊進行的融合、分解;三維立體、多角度動態(tài)顯示，能顯示椎弓根峽部骨性結構下方、橫突管內椎動脈的走行位置、個體變異等。

機械臂末端穩(wěn)固的導向把持平臺為手術路徑精確提供了保證。機械臂末端的探針作為虛擬手術引導器械，將映射到計算機三維模型中。軟件系統(tǒng)將讀取位置信息，并在模型上顯示出1根與實際觀察棒位置相一致的虛擬探針，通過移動機械臂來調整圖像中的探針，使之以不同的方位和角度達到圖像空間里設計的手術插入軌跡。微電機固定的機械臂即可保持穩(wěn)定的姿態(tài)，將探針等器械指向靶點，實際定位精度1.5 mm。

海軍總醫(yī)院開發(fā)的CRAS與目前臨床應用的計算機輔助椎弓根置釘導航系統(tǒng)相同之處是都借助圖像的引導，但在機械設備原理、導向模式和效果上都存在本質的不同。

計算機三維導航的原理是把目標椎體通過術前薄層CT重建，在與目標椎體相隔數(shù)個節(jié)段的其他椎體(非目標椎體)棘突末端上固定帶紅外光反射球定位參考架，導航系統(tǒng)以參考架作為基點坐標原點，采用紅外線位置追蹤儀實時顯示注冊手術器械在虛擬影像三維空間的位置，引導按照設計的路徑置釘。因為，目標椎體和參考架固定椎體不是統(tǒng)一的剛體，其之間的位移必定影響定位準確性，產(chǎn)生“靶點路徑的飄移”;其次在開路錐擴椎弓根釘?shù)罆r，參考架隨著操作在導航坐標系中的擺動，會使虛擬的椎體和操作器械路徑在圖像空間中晃動，虛擬探針的位置不能真實地反映手術器械實際位置，產(chǎn)生較大誤差。而在CRAS機械臂系統(tǒng)，其兩個映射空間位置的照合、注冊以及最后的導向，均不需要通過“第三者”——帶紅外線反射小球的定位架來介導，也不需要通過紅外線接受裝置來實時反映操作器械位置，其標記點的注冊和導向空間反映都是通過機械臂內的位置光電編碼器采集卡“同軸”完成，這就避免設置“參考架”和“紅外線接受裝置”可能導致的“靶點偏移”。

通過無框架立體定向機器人在引導頸椎弓根螺釘植入的實驗中的成功應用，我們認為該技術在椎弓根螺釘植入的臨床實踐中具有精確度高、操作簡便，圖像引導直觀清晰、經(jīng)濟使用等特點，有十分廣闊的應用前景。

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Experimental study of the computer and robot assisted surgery in cervical pediculus arcus vertebrae screw implantation

WANG Ya-ming，ZHANG Jian-ning，TIAN Zeng-min
(Department of Neurosurgery，Navy General Hospital，Beijing 100048，China)

ObjectiveTo explore the feasibility of computer and robot assisted surgery in guiding cervical pediculus arcus vertebrae screw implantation．MethodsThree adult cadaver were used and 1 mm thick CT scan was performed to reconstruct three dimension images of individual vertebral bodies by the surgery planning work station．Then the cranio-vertebral junction structures and upper vertebral bodies were surgically exposed with the bony structures that could be revealed by the CT scan as the only register target being identified．The targets were registered by the CRAS-2 frameless stereotactic arms with 5 free direction ranges．The vertebral arch was 3D volume reconstructed by tracing the target vertebral arch and lateral mass as single volume block．After the reconstruction，the target was located as the arrival spot of the implanted screw point，and the alternative approaches were manifested in the reconstructed 3D model，and then adjustments were performed in the volume block．According to the registration and measurement by the mechanic arm，the real objects during the surgery were mapped to the reconstructed images．During the surgery，the mechanic arm was guided to the planned projection in the images and then the directing needle was introduced under the guidance．CT scan was performed the assure the accuracy the screw imola ntation．ResultsTwenty-five screws were implanted under the guidance of the frameless stereotactic robot with 100%accuracy matching to the planned surgical approach．Conclusion The cervical screw implantation guided by the frameless stereotactic robot was accurate，easy and plain to handle，economic，and thus with a promising application potential．

Stereotactic;Screw implantation;Cervical pediculus;Robot

R681.5

A

2095-3097(2012)01-0001-05

10.3969/j.issn.2095-3097.2012.01.001

首都醫(yī)學發(fā)展科研基金(2007-3167)

100048北京，海軍總醫(yī)院神經(jīng)外科(王亞明，張劍寧，田增民)

2012-05-02 本文編輯:徐海琴)