張 陽，楊 景，聞 志

（浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院機電產(chǎn)品可靠性分析與測試國家地方聯(lián)合工程研究中心，杭州 310018）

0 引言

近年來，機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)快速發(fā)展，其在精準(zhǔn)化外科手術(shù)中也逐漸發(fā)揮出重要的作用[1-3]。機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)是基于臨床醫(yī)學(xué)、控制技術(shù)、工程技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的新技術(shù)[4]，具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。典型的機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)主要有AESOP手術(shù)機器人[7]、Zeus手術(shù)機器人[8]、達芬奇手術(shù)機器人[9]等。智能化、精準(zhǔn)化醫(yī)療作為外科手術(shù)未來的發(fā)展趨勢，對機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)提出了更高的要求[10]。術(shù)前規(guī)劃作為手術(shù)前的重要準(zhǔn)備工作，為機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)提供初始參數(shù)，是提高手術(shù)精準(zhǔn)性和成功率的重要保證。欠缺合理性的術(shù)前規(guī)劃將影響手術(shù)機器人執(zhí)行手術(shù)操作的路徑、位置以及手術(shù)切口的選擇，容易造成手術(shù)視野差、機器人可操作性差等問題，影響手術(shù)的順利進行，甚至可能會造成誤傷操作、并發(fā)癥或醫(yī)患糾紛等不良影響[11-13]。

本文對為術(shù)前規(guī)劃提供必要信息的三維重建技術(shù)和手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)為主的術(shù)前規(guī)劃輔助技術(shù)及決定術(shù)前機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)初始參數(shù)的術(shù)前規(guī)劃技術(shù)進行綜述，探討機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃目前的研究熱點和典型研究成果，并進行總結(jié)和展望，以期更深入地研究機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃技術(shù)，為機器人輔助手術(shù)提供更加合理的規(guī)劃結(jié)果。

1 術(shù)前規(guī)劃概況

傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃是指在手術(shù)前醫(yī)生通過病灶的醫(yī)學(xué)圖像信息進行包括手術(shù)流程、手術(shù)切口位置等在內(nèi)的手術(shù)方案規(guī)劃[14]。在傳統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃方法中，病灶的位姿信息估計依賴于術(shù)者的臨床經(jīng)驗，精度較差、手術(shù)成功率不高[15]。醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和計算機技術(shù)以及其他輔助技術(shù)的快速發(fā)展，為機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的精準(zhǔn)術(shù)前規(guī)劃提供了基礎(chǔ)，手術(shù)醫(yī)生在術(shù)前可通過CT等醫(yī)學(xué)圖像獲得病灶處位置（如心臟手術(shù)中的搭橋走向、關(guān)節(jié)手術(shù)的骨骼位置等）、術(shù)中可能遇到的困難等信息數(shù)據(jù)[16]。機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃能夠通過準(zhǔn)確的數(shù)字化圖像獲取病灶位姿信息，在此基礎(chǔ)上利用機器人學(xué)理論對手術(shù)多臂系統(tǒng)的術(shù)前初始擺位進行規(guī)劃[17]。

2 機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃輔助技術(shù)研究

患者的病灶信息作為手術(shù)醫(yī)生進行機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃的重要數(shù)據(jù)，其獲取方式主要是通過不同的輔助技術(shù)協(xié)助實現(xiàn)，包括三維重建技術(shù)和手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)等[18-19]。

2.1 三維重建技術(shù)

三維重建技術(shù)是在20世紀(jì)后期興起的技術(shù)，能夠直觀地呈現(xiàn)人體組織或者器官影像，為手術(shù)醫(yī)生提供直觀的病理特征和數(shù)據(jù)[20]。醫(yī)學(xué)影像是三維重建的數(shù)據(jù)來源，目前臨床上應(yīng)用較多的成像技術(shù)主要有CT成像技術(shù)[21]、光學(xué)相干層析成像技術(shù)[22]、超聲成像技術(shù)[23]和MRI成像技術(shù)[24]等。三維重建技術(shù)分為面繪制[25]和體繪制[26]兩大類。面繪制和體繪制的相同之處在于兩者均是可視化數(shù)據(jù)，區(qū)別在于面繪制得到的是三角剖分模型，而體繪制可以直接觀察內(nèi)部組織、器官，方便手術(shù)醫(yī)生直觀地觀察組織信息。

面繪制是通過曲面造型技術(shù)重建等值面，但不能反映繪制對象的整體，容易丟失細節(jié)，重建的模型精度較差。Lorensen等[27]提出的移動立方體算法（marching cubes）是用線性插值求出等值面的三角剖分，并給出三角剖分拓撲圖（如圖1所示）。Tao等[28]提出的移動四面體算法（marching tetrahedra）是一種基于體積數(shù)據(jù)的快速等值面提取技術(shù)。Schroeder等[29]提出的Flying edges算法是基于并行運算的高性能可擴展的等值面提取算法，能夠避免不必要的計算，在一定程度上提高了效率。

體繪制通過繪制對象的原始立體數(shù)據(jù)得到直觀的3D渲染圖像，細節(jié)較豐富。Levoy等[30]提出的光線投射算法（ray casting）是目前應(yīng)用最多的體繪制算法。Dachille等[31]提出了一種用于體積數(shù)據(jù)集的高質(zhì)量渲染方法，速度更快，且支持交互式分類。Roettger等[32]研究的濺射法將每個體素看作局部核心，映射到二維平面。Lacroute[33]研究的錯切-變形體繪制算法根據(jù)三維視覺變換理論，將繪制過程拆分成三維錯切變換與二維變形變換，是較為快速的方法。

圖1 移動立方體算法三角剖分拓撲圖[27]

三維重建技術(shù)的應(yīng)用，將病灶圖像中的二維信息轉(zhuǎn)換為三維的可視化數(shù)字信息，為手術(shù)醫(yī)生提供了更精確的術(shù)前規(guī)劃數(shù)據(jù)。很多學(xué)者針對三維重建技術(shù)也展開了研究。Chiu等[34]較早運用三維影像開展心臟手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃。Coste-Manière等[35]綜合面繪制和體繪制進行術(shù)前規(guī)劃，指導(dǎo)手術(shù)方案。Fang等[36]在肝內(nèi)結(jié)石手術(shù)前使用CT進行掃描，建立組織模型，得到更為客觀和完整的數(shù)據(jù)。謝于等[37]通過可視化影像在術(shù)前規(guī)劃時提前預(yù)警手術(shù)醫(yī)生注意動脈走行，避免誤判。賈晨堯等[38]對比CT和CT血管造影（CT angiography，CTA）圖像，發(fā)現(xiàn)基于CT的可視化腎臟三維重建模型可以簡化手術(shù)難度、縮短手術(shù)時間和減少并發(fā)癥。雷靜桃等[39]綜述了機器人輔助膝關(guān)節(jié)置換術(shù)的術(shù)前規(guī)劃，根據(jù)膝關(guān)節(jié)的CT或MRI掃描圖像，基于逆向工程技術(shù)重建患膝的三維數(shù)字化模型。方馳華等[40]介紹了虛擬現(xiàn)實、3D打印等新技術(shù)在巨塊型肝臟腫瘤手術(shù)術(shù)前規(guī)劃的應(yīng)用，這些技術(shù)能夠為手術(shù)醫(yī)生提供更加直觀的病灶區(qū)域信息，利于提高術(shù)前規(guī)劃的效果。Yoshii等[41]研發(fā)了用于術(shù)前規(guī)劃的3D骨合成圖像融合系統(tǒng)，提高了術(shù)前規(guī)劃的精準(zhǔn)性。

2.2 手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)

手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)能夠為醫(yī)生提供精準(zhǔn)病灶位置信息，為術(shù)前規(guī)劃提供目標(biāo)區(qū)域，并引導(dǎo)實施手術(shù)規(guī)劃方案，提高術(shù)前規(guī)劃合理性。因此，手術(shù)導(dǎo)航是術(shù)前規(guī)劃的重要部分。手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)中的定位技術(shù)對于精準(zhǔn)定位病灶具有關(guān)鍵作用，以下重點論述空間定位技術(shù)和增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）技術(shù)[42-43]。

2.2.1 空間定位技術(shù)

根據(jù)傳感器的不同，空間定位方式可分為機械定位、超聲定位、電磁定位和光學(xué)定位4類[44]。其中機械定位是接觸式空間定位技術(shù)，超聲定位、電磁定位和光學(xué)定位是非接觸式空間定位技術(shù)。

（1）機械定位。機械定位發(fā)展較早，包括框架式機械定位和無框架式機械定位2種。其中，框架式機械定位是通過固定患者，結(jié)合圖像和標(biāo)記點進行配準(zhǔn)，從而獲得映射關(guān)系。其優(yōu)點是定位精度高，但體積較大且操作不便，容易對患者造成創(chuàng)傷。無框架式機械定位通過記錄機械臂對應(yīng)的空間關(guān)節(jié)向量計算末端點位置，優(yōu)點是使用方便，不影響手術(shù)區(qū)域，但定位精度較差，如加拿大ISG Technology公司的Viewing Wand[45]。

（2）超聲定位。超聲定位通過采用超聲測距原理來確定空間位置，具有成本低的優(yōu)點，但定位精度不穩(wěn)定、適用范圍小，如挪威MISON AS研制的SonoWand 導(dǎo)航系統(tǒng)[46]。

（3）電磁定位。電磁定位通過3個磁場發(fā)生器間的相對位置以及探測器監(jiān)測到的信號來計算探測器目標(biāo)的位置和方向，優(yōu)點是成本較低、便攜性強、操作簡單，但定位精度較差[47]。

（4）光學(xué)定位。光學(xué)定位通過光學(xué)三角測量技術(shù)，由計算機重建目標(biāo)空間位置，常采用雙目和多目相機，具有使用方便、價格低廉、定位精度高、不易受手術(shù)環(huán)境干擾等優(yōu)點，是最具前景的手術(shù)空間定位技術(shù)[48]。

2.2.2 AR技術(shù)

近年來，AR技術(shù)逐漸應(yīng)用到臨床手術(shù)中，提高了手術(shù)的可操作性和精準(zhǔn)性。AR技術(shù)是指疊加物理信息（視覺、聲覺、觸覺等），通過計算機、光學(xué)等技術(shù)，融合計算機產(chǎn)生的虛擬物體或其他信息以及真實環(huán)境，將虛擬信息與真實世界結(jié)合，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗，具有輔助手術(shù)醫(yī)生進行精準(zhǔn)靶點定位、擴大手術(shù)視野的優(yōu)勢，已逐步應(yīng)用到腦外科、神經(jīng)外科、耳鼻喉科等臨床手術(shù)中[49]。

采用AR技術(shù)的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)具有虛實融合、精確定位、實時交互3個特點[50]。AR的三大關(guān)鍵技術(shù)包括顯示技術(shù)、標(biāo)定技術(shù)和智能交互技術(shù)，能夠為手術(shù)醫(yī)生提供直觀的交互操作，以實現(xiàn)對不同術(shù)前規(guī)劃結(jié)果的手術(shù)操作模擬和術(shù)前規(guī)劃方案的優(yōu)化，可以讓手術(shù)醫(yī)生從中選擇較優(yōu)的規(guī)劃方案。Okamoto等[51]在腺體切除手術(shù)中結(jié)合AR技術(shù)實現(xiàn)對手術(shù)切除區(qū)域的更精確規(guī)劃，提高了目標(biāo)切除精度。Cabrilo等[52]利用AR技術(shù)進行內(nèi)窺鏡心臟搭橋手術(shù)，提高了手術(shù)效率。Edgcumbe等[53]采用AR技術(shù)開展腹腔鏡部分腎切除術(shù)，最大限度保留了非癌變腎臟部分，提高了手術(shù)效果。

目前針對病灶區(qū)域的準(zhǔn)確定位及病灶邊界的精確劃分是實現(xiàn)精準(zhǔn)手術(shù)亟待解決的問題，也是影響手術(shù)效果的一個重要因素。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用進一步拓展了解決以上問題的思路，結(jié)合計算機技術(shù)等有望實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的病灶區(qū)域處理。

3 機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃研究

在三維重建技術(shù)和手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)上，對于機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)，還需要確定合理的手術(shù)切口位置，對手術(shù)系統(tǒng)多條機械臂的初始擺位進行規(guī)劃。

3.1 手術(shù)切口位置規(guī)劃

針對微創(chuàng)手術(shù)，在術(shù)前規(guī)劃階段需要確定在人體進行手術(shù)切口的位置（如圖2所示）[17]，通常是將3～4個8或10 mm的切口作為手術(shù)器械的插入口，即手術(shù)機械臂遠心點的位置。

圖2 手術(shù)切口位置示意圖[17]

手術(shù)切口位置會影響術(shù)中手術(shù)視野、手術(shù)器械的操作區(qū)域等，不合理的切口容易導(dǎo)致術(shù)中手術(shù)機器人的二次調(diào)整。Cannon等[54]提出了一種自動化方法，旨在最小化手術(shù)機器人和內(nèi)窺鏡夾角與理想角度之間的偏差，提高了解剖速度且創(chuàng)傷更小。Pick等[55]針對達芬奇手術(shù)機器人研究了前列腺手術(shù)切口位置，給出機械臂擺放的最佳區(qū)域位置。

Ferzli等[56]提出一套根據(jù)目標(biāo)器官位置、手術(shù)醫(yī)生操作習(xí)慣等決定手術(shù)切口位置分布的標(biāo)準(zhǔn)化方法（如圖3所示），該方法是在經(jīng)驗基礎(chǔ)上通過總結(jié)得到的手術(shù)切口的布置方法，具有一定的實用性，但沒有考慮到手術(shù)操作過程中手術(shù)機械臂之間的運動情況，有一定局限性。Du等[57]以穿過手術(shù)目標(biāo)區(qū)域幾何中心的法向量作為視野的最佳方向，在此約束條件基礎(chǔ)上利用智能優(yōu)化算法得到最優(yōu)的手術(shù)切口位置（如圖4所示），能夠較好地保證手術(shù)過程中的視野條件，實現(xiàn)良好的術(shù)前規(guī)劃效果。Bauernschmitt等[58]建立了一個術(shù)前規(guī)劃仿真系統(tǒng)（如圖5所示），利用CT重建模型并定義感興趣區(qū)域，通過規(guī)劃手術(shù)切口的位置來對可達性、器械之間的碰撞以及器械與組織間的碰撞進行可視化仿真。Hayashibe等[59]設(shè)計了在術(shù)前通過套管針部位的運動學(xué)約束和手術(shù)機器人的逆向運動來模擬手術(shù)機器人的仿真系統(tǒng)（如圖6所示）來研究手術(shù)切口位置布置，依靠有限次嘗試能得到相對較優(yōu)的結(jié)果。

圖3 Ferzli等[56]針對部分腹腔手術(shù)的切口布置

圖4 Du等[57]提出的手術(shù)切口布置

圖 5 Bauernschmitt等[58]建立的術(shù)前規(guī)劃仿真系統(tǒng)

圖6 Hayashibe等[59]設(shè)計的手術(shù)機器人術(shù)前規(guī)劃仿真系統(tǒng)及應(yīng)用

3.2 機器人的初始擺位研究

機器人的初始擺位位置影響手術(shù)的可達性、操作性等。Adhami等[60]將術(shù)前規(guī)劃的手術(shù)切口位置規(guī)劃和機械臂的初始擺位劃為2個獨立的過程，基于多個評價指標(biāo)得到機械臂的最優(yōu)初始擺位。Azimian等[61]提出一種針對特定患者心臟手術(shù)的機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)術(shù)前規(guī)劃算法，該算法考慮機器人運動學(xué)、患者特異性胸部解剖學(xué)和特定的術(shù)中條件。楊景等[17]提出一種多目標(biāo)術(shù)前規(guī)劃優(yōu)化算法，結(jié)合給定的一組病灶參數(shù)闡述算法的實現(xiàn)流程，通過該算法得到在該病灶參數(shù)下最優(yōu)的手術(shù)機械臂擺位角度，以保證持械臂在腹腔內(nèi)有足夠的協(xié)作空間的基礎(chǔ)上盡可能地避免運動干涉。

Yu等[62]基于梯度投影法研究持械臂的術(shù)前擺位，以持械臂控制點之間的投影距離及面積、末端協(xié)作空間為優(yōu)化指標(biāo)對被動關(guān)節(jié)的擺位角度進行優(yōu)化（如圖7所示）。馬如奇等[63]利用雙持械臂的封閉逆解對傳統(tǒng)梯度投影方法進行改進，并通過仿真驗證其有效性。閆志遠團隊[64-67]將手術(shù)機械臂的運動性能考慮到術(shù)前規(guī)劃過程中，并將手術(shù)區(qū)域劃分為權(quán)值不同的多個子區(qū)域，以區(qū)域內(nèi)的單臂靈巧度指標(biāo)和多臂的協(xié)作指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，基于智能優(yōu)化算法對手術(shù)切口的位置及擺位角度進行了優(yōu)化（如圖8、9所示）。Feng等[68]將操作空間作為優(yōu)化指標(biāo)對手術(shù)切口位置和手術(shù)機械臂的姿態(tài)進行了優(yōu)化?；诙嗄繕?biāo)的術(shù)前規(guī)劃優(yōu)化方法相比依賴經(jīng)驗和虛擬系統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃方法更容易找到優(yōu)化目標(biāo)要求下的最優(yōu)解。

圖7 Yu等[62]提出的基于梯度投影法的術(shù)前擺位優(yōu)化

圖8 閆志遠等[65]提出的基于粒子群算法的術(shù)前擺位優(yōu)化

圖9 Zhang等[67]提出的基于NSGA-II算法的術(shù)前擺位優(yōu)化

4 結(jié)語

手術(shù)環(huán)境是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，如何準(zhǔn)確地將這一系統(tǒng)模型化，并且應(yīng)用到術(shù)前規(guī)劃優(yōu)化中，是進一步提高術(shù)前規(guī)劃效果的瓶頸問題。目前機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃存在以下問題:

（1）獲取包含病灶信息的手術(shù)環(huán)境是進行術(shù)前規(guī)劃的基礎(chǔ)，但其存在諸多影響因素，如人體正常生理活動等。如何準(zhǔn)確構(gòu)建手術(shù)環(huán)境，為術(shù)前規(guī)劃提供精準(zhǔn)的數(shù)值模型是未來研究的重點。

（2）機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃為手術(shù)系統(tǒng)提供重要的初始參數(shù)，同時涉及到手術(shù)過程中病灶的處理、重要臟器的保護、多臂之間的協(xié)作、機械臂自身的運動等。但目前機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃大多只單一考慮手術(shù)機械臂或腹腔環(huán)境指標(biāo)，無法保證對病灶區(qū)域較好的可操作性和避免對非視野區(qū)域內(nèi)重要臟器的損傷等。通過將腹腔手術(shù)環(huán)境和手術(shù)機械臂指標(biāo)有機地結(jié)合，有助于提高術(shù)前規(guī)劃結(jié)果的合理性。

因此，精準(zhǔn)的機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃需要建立精確的組織模型，并得到手術(shù)系統(tǒng)多臂合理的擺位，這樣才有助于手術(shù)醫(yī)生獲取病灶及周邊器官組織的具體情況，以便于手術(shù)過程中對病灶進行精準(zhǔn)的識別和處理，避免對正常組織造成額外的損傷，從而提高手術(shù)精度。同時滿足手術(shù)過程中手術(shù)視野和操作的需求，保證手術(shù)順利進行。另外，在進行術(shù)前規(guī)劃時，多手術(shù)環(huán)境信息的融合對術(shù)前規(guī)劃的合理性具有重要作用，可以間接提高手術(shù)的可操作性，也是未來發(fā)展的一個主要方向。