張銘杰 葉 震 史建剛 吳炳堅(jiān) 呂 燕 孫璟川

1.上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院 上海 200070 2.上海長征醫(yī)院 上海 200003

1 研究背景

伴隨著全球人口老齡化趨勢,頸椎疾病的發(fā)病率逐年提高。頸椎對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有重要保護(hù)作用,頸椎手術(shù)被認(rèn)為是難度最高的外科手術(shù)之一[1]。在頸椎手術(shù)中,頸椎前路手術(shù)從頸部前方進(jìn)行手術(shù),是針對頸椎病的最常見手術(shù)方式,手術(shù)效果如圖1所示。

▲圖1 頸椎前路手術(shù)效果

頸椎前路手術(shù)入路簡便,暴露良好,出血少,創(chuàng)傷小,可以直接減壓來自椎管前方的致壓物,植骨融合率高,椎間高度維持好,能較好地恢復(fù)頸椎的生理曲度。由于技術(shù)難度較高,頸椎前路手術(shù)年均手術(shù)量較少,且目前國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)師均采用手工手術(shù)方式。手工手術(shù)方式很難保證操作位置和方向,長時間手術(shù)操作所帶來的精力耗費(fèi)及手的生理顫抖都增加了手術(shù)誤操作的可能性[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及多專業(yè)融合技術(shù)的發(fā)展,圖像導(dǎo)航技術(shù)與機(jī)器人系統(tǒng)越來越多地運(yùn)用在脊柱內(nèi)固定手術(shù)中[3]。目前,臨床應(yīng)用較多的脊柱手術(shù)機(jī)器人包括以色列的Renaissance、法國的ROSA、美國的Hugo RAS[4],以及國內(nèi)的天璣機(jī)器人等。通過對比國內(nèi)外脊柱手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的特點(diǎn)[5],發(fā)現(xiàn)還沒有針對頸椎前路手術(shù)的專用手術(shù)機(jī)器人。

針對臨床需求,筆者基于機(jī)械臂設(shè)計(jì)了一種頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng),采用球形磨鉆工具,借助光學(xué)導(dǎo)航定位技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)斷層掃描三維重構(gòu)技術(shù)、操作軟件,幫助醫(yī)師解決臨床難題,提高手術(shù)效率和精度,減小手術(shù)創(chuàng)傷。

2 頸椎前路手術(shù)臨床痛點(diǎn)

頸椎前路手術(shù)難度較高,手術(shù)中每一個步驟都十分關(guān)鍵,對醫(yī)師的技術(shù)要求也較高。醫(yī)師在進(jìn)行手工頸椎前路手術(shù)時,會出現(xiàn)四方面臨床痛點(diǎn)。

(1) 醫(yī)師在操作過程中必須謹(jǐn)慎,因?yàn)轭i部有大量重要血管神經(jīng),要保護(hù)好這些血管神經(jīng)不受損傷,然后再進(jìn)行頸椎間盤或椎體的切除,切除后再進(jìn)行對應(yīng)的植骨和內(nèi)固定治療。

(2) 手工手術(shù)時間較長,精力耗費(fèi)及手顫抖等生理因素會導(dǎo)致醫(yī)師在進(jìn)行頸椎間盤及錐體切除時碰到周圍的血管神經(jīng),從而導(dǎo)致病患相應(yīng)功能失調(diào)甚至永久殘疾。

(3) 手術(shù)中需要對患處進(jìn)行磨削,傳統(tǒng)的手工手術(shù)基于肉眼觀察,為了提高手術(shù)精度,需要多次使用X光機(jī)反復(fù)觀察,消耗時間較長,所受輻射嚴(yán)重,并且不能保證手術(shù)結(jié)果令人滿意。

(4) 目前市面上沒有針對頸椎前路手術(shù)的專用手術(shù)機(jī)器人及磨鉆工具,市面上常見的手術(shù)機(jī)器人主要是面向脊柱疾病的通用機(jī)器人,用于進(jìn)行頸椎前路手術(shù)不能達(dá)到令人滿意的效果。

3 頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)如圖2所示,能夠解決上述頸椎前路手術(shù)臨床痛點(diǎn)。在頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中,具備亞毫米級光學(xué)導(dǎo)航功能,三維骨骼圖像可以使醫(yī)師在術(shù)前進(jìn)行更為直觀、快捷、有效的規(guī)劃。

▲圖2 頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)子模塊如圖3所示。

▲圖3 頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)子模塊

計(jì)算機(jī)主控制器選用高性能服務(wù)器,配置圖形處理器顯卡,使用深度學(xué)習(xí)算法,可以對大量電子計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)經(jīng)行快速分割,獲得頸椎三維模型。

頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)使用多軸機(jī)械臂、力傳感器和磨鉆工具,代替醫(yī)師手工進(jìn)行手術(shù)。光學(xué)導(dǎo)航用于對患者頸椎進(jìn)行影像配準(zhǔn),引導(dǎo)機(jī)械臂至手術(shù)區(qū)。

以光學(xué)導(dǎo)航坐標(biāo)系建立高精準(zhǔn)虛擬夾具區(qū)間,使手術(shù)更為安全。

4 頸椎術(shù)中影像定位匹配系統(tǒng)

頸椎術(shù)中影像定位匹配系統(tǒng)是一套輔助醫(yī)師在頸椎前路手術(shù)中實(shí)時獲取機(jī)械臂末端器械和頸椎相對位置的可視化智能輔助系統(tǒng),通過軟件編程實(shí)現(xiàn)二維圖像處理、深度學(xué)習(xí)算法、三維圖像重構(gòu)、前端開發(fā)等。

頸椎術(shù)中影像定位匹配系統(tǒng)操作過程如圖4所示。A為導(dǎo)入的基于電子計(jì)算機(jī)斷層掃描影像重建的頸椎三維模型,B為使用光學(xué)導(dǎo)航對笛卡爾坐標(biāo)系中的頸椎骨進(jìn)行采集,C為將虛擬頸椎三維模型與實(shí)際物理世界頸椎配準(zhǔn),建立映射關(guān)系,D為醫(yī)師在配準(zhǔn)完成后進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃,E為對磨鉆工具進(jìn)行手眼標(biāo)定,F為在人機(jī)系統(tǒng)中實(shí)時顯示磨鉆位置。

▲圖4 頸椎術(shù)中影像定位匹配系統(tǒng)操作過程

5 磨鉆工具與機(jī)械臂、光學(xué)導(dǎo)航的標(biāo)定

磨鉆工具安裝在機(jī)械臂上,要使機(jī)械臂控制磨鉆工具實(shí)現(xiàn)所規(guī)劃的路徑姿態(tài)變換,需要對磨鉆工具進(jìn)行標(biāo)定,建立以磨鉆工具為中心,相對于機(jī)械臂基座的坐標(biāo)系。

磨鉆工具的標(biāo)定分為位置標(biāo)定和姿態(tài)標(biāo)定,前者需要計(jì)算出磨鉆工具相對于機(jī)械臂法蘭盤的位置偏移量,后者需要標(biāo)定磨鉆工具的空間姿態(tài)。通過機(jī)械臂示教不同姿態(tài),讀取笛卡爾坐標(biāo),再經(jīng)過一系列矩陣方程推導(dǎo),即可標(biāo)定出磨鉆工具相對于機(jī)械臂法蘭盤的位姿。在建立磨鉆工具與機(jī)械臂的標(biāo)定方程后,還需要求解機(jī)械臂與光學(xué)導(dǎo)航的手眼標(biāo)定關(guān)系矩陣,這樣才能使光學(xué)導(dǎo)航引導(dǎo)磨鉆工具至手術(shù)區(qū)域,并在人機(jī)界面上實(shí)時顯示位姿。

5.1 位置標(biāo)定

在機(jī)械臂運(yùn)動空間內(nèi)選擇一個固定參考點(diǎn),移動機(jī)械臂以四種不同的姿態(tài)重合于這一固定參考點(diǎn),如圖5所示。分別記錄機(jī)械臂末端參數(shù)x、y、z、rx、ry、rz。對rx、ry、rz進(jìn)行羅德里格斯矩陣轉(zhuǎn)換,與x、y、z組成四組齊次方程。

▲圖5 機(jī)械臂四種姿態(tài)與固定參考點(diǎn)重合

(1)

式中:RBFi為機(jī)械臂基坐標(biāo)系至機(jī)械臂法蘭盤坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣;PBFi為機(jī)械臂基坐標(biāo)系至機(jī)械臂法蘭盤坐標(biāo)系的位置矢量;RFTi為機(jī)械臂法蘭盤坐標(biāo)系至工具末端坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣;PFTi為機(jī)械臂法蘭盤坐標(biāo)系至工具末端坐標(biāo)系的位置矢量;RTB為工具末端坐標(biāo)系至機(jī)械臂法蘭盤坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣;PTCP為工具末端坐標(biāo)系至機(jī)械臂法蘭盤坐標(biāo)系的位置矢量。

由于四種姿態(tài)下機(jī)械臂末端的位置不變,因此式(1)等號右側(cè)的PTCP相等。將四組齊次方程等號左側(cè)的參數(shù)改寫為矩陣形式,滿足矩陣的秩不小于3,使用最小二乘法即可求解出RFTi和PFTi。

5.2 姿態(tài)標(biāo)定

姿態(tài)標(biāo)定時,機(jī)械臂將磨鉆工具豎直指向參考平面,如圖6所示。參考平面的坐標(biāo)方向?yàn)闄C(jī)械臂基座坐標(biāo)方向。寫入當(dāng)前機(jī)械臂笛卡爾坐標(biāo),計(jì)算與法蘭盤之間的方向矢量,即可標(biāo)定出Z方向。磨鉆工具的X方向、Y方向即為參考平面的X方向、Y方向。

▲圖6 磨鉆工具姿態(tài)標(biāo)定

5.3 機(jī)械臂與光學(xué)導(dǎo)航手眼標(biāo)定

在頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中,機(jī)械臂、磨鉆工具、光學(xué)導(dǎo)航之間的關(guān)系為手眼標(biāo)定中的“眼在外”模式。手眼標(biāo)定方程為[6]:

AX=XB

(2)

式中:A為機(jī)械臂與光學(xué)導(dǎo)航的相對運(yùn)動;B為末端標(biāo)定板的相對運(yùn)動;X為待求的光學(xué)導(dǎo)航至末端執(zhí)行器的變換矩陣。

筆者使用四元數(shù)數(shù)學(xué)工具[7],求出機(jī)械臂與光學(xué)導(dǎo)航之間的關(guān)系。這一方法的優(yōu)點(diǎn)在于不需要對旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量進(jìn)行解耦,精度高,魯棒性強(qiáng)。

6 機(jī)械臂柔順控制技術(shù)

醫(yī)師在進(jìn)行頸椎前路手術(shù)時,將機(jī)械臂工具端拖拽至手術(shù)區(qū)域,或者手工調(diào)整磨鉆工具角度,希望拖拽的效果如同握筆一般流暢,進(jìn)而保證手術(shù)效果。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械臂柔順控制技術(shù)為安裝力傳感器,建立速度與力的數(shù)學(xué)模型,對數(shù)據(jù)進(jìn)行余弦擬合,推導(dǎo)速度和加速度曲線公式。這種方法建立的柔順控制數(shù)學(xué)模型雖然能夠使機(jī)械臂沿所需要的方向快速運(yùn)動,但是存在機(jī)械臂抖動、工具端與硬物接觸后反彈等問題,在醫(yī)療行業(yè)并不適用。

筆者建立力與位置數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu),選用高精度六維力傳感器,由此使頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可以對外部力或者影響做出反應(yīng)。

機(jī)械臂力控模型如圖7所示,主要由虛擬彈簧和減振器構(gòu)成。模型所受力與位置偏移量的關(guān)系符合胡克定律:

F=Cx1+K

(3)

式中:F為力傳感器所測得的力;C為彈簧彈性系數(shù),用于控制剛度;x1為機(jī)械臂產(chǎn)生的位移;K為阻尼系數(shù),用于設(shè)計(jì)減振器。

采用筆者控制方案,在多次試驗(yàn)中機(jī)械臂均無抖動,磨鉆工具末端碰到頸椎骨后無反彈,效果良好。

7 試驗(yàn)分析

采用頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)對頸椎全段模型骨進(jìn)行磨鉆試驗(yàn),如圖8所示。試驗(yàn)時,通過光學(xué)定位設(shè)備對手術(shù)精度進(jìn)行測試。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,頸椎全段模型骨磨鉆精度誤差控制在1 mm以內(nèi),保證了頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的手術(shù)精度。試驗(yàn)精度誤差曲線如圖9所示。

▲圖7 機(jī)械臂力控模型▲圖8 頸椎全段模型骨磨鉆試驗(yàn)▲圖9 磨鉆試驗(yàn)精度誤差曲線

8 結(jié)束語

筆者基于機(jī)械臂設(shè)計(jì)了頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng),具有磨鉆工具精度高、機(jī)械臂拖拽手感順暢等優(yōu)點(diǎn)。目前,還未見針對頸椎前路手術(shù)的專用手術(shù)機(jī)器人的報道,這一頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)具有良好的市場前景。應(yīng)用這一頸椎前路手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng),還有助于年輕臨床醫(yī)師對頸椎前路手術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。