串联机械臂,脊柱手术机器人

脊柱手术机器人系统开发及其研究

文:靳海洋,邓震,王宇,张朋 | 2017年第一期 (0) | (0)

 脊柱外科手术作为骨科手术的一个分支,由于脊柱本身的特殊解剖结构及其对中枢神经系统的重要保护作用,因而被认为是风险最高、难度最大的外科手术之一,近些年来针对脊柱外科手术的各种辅助手术机器人系统成为了医疗机器人领域的一个研究热点。在脊柱手术中骨组织的手术操作中,对手术机器人末端承载力、定位精度、操作稳定性具有更高的要求,本文将以椎弓根钉内固定术为应用背景,重点研究机器人机构设计、图像导航、导航定位控制等关键技术,为脊柱手术机器人的临床应用做准备。

 脊柱手术主要用于治疗脊柱畸形、压缩性骨折、椎间盘病变以及脊髓压迫等疾病,较为常见的手术包括椎板减压术、脊柱融合术、椎间盘置换术等。典型脊柱手术往往需去除、替换病灶部位的组织进行治疗,从而导致脊柱的原有力学结构都会在一定程度上受到破坏,降低了脊柱对躯干支撑的稳定性。因此,脊柱手术中往往同时使用椎弓根钉内固定术对脊柱进行稳定性重建。典型的脊椎骨结构包括椎体、棘突、横突、上/下关节突、乳突、椎孔等。由于脊椎的横突、椎板、上下关节突均汇合在椎弓根的同一点上,因此,此处的力学性能最好。在临床上,医生往往将骨钉通过狭窄的椎弓根处植入椎体内,以期获得最好的固定强度和稳定性重建效果,因此,稳定性重建手术又被称为椎弓根钉内固定术。

 临床上,医生基于图像导航系统完成手术诊断和手术规划以确定手术钉道路径。在手术中,医生首先使用开路器或骨钻进行钻钉道操作;然后将骨钉沿钉道植入脊椎骨内;之后将固定连杆弯曲至适当形状以适应所植入的骨钉之间的位置,并将连杆放入骨钉后部的U型槽内;最后用螺母将连杆固定,以完成脊柱稳定性的重建过程。

 安全、稳定的重建对钉道钻入钉点、角度和到达的深度都有严格的要求。入钉点或角度选择错误会导致钉道外偏或内偏,从而损伤脊神经或血管;钉道过深甚至穿透对侧皮质同样有可能损伤重要组织,而钉道过浅则会导致后续植入的骨钉稳定性不良等问题。因其特殊位置,椎弓根钻钉道也被认为是脊柱手术中最关键也是最危险操作之一。

脊柱外科手术机器人机构综合设计

 在非结构化的临床手术环境下,基于工业机器人开发的手术机器人已无法满足手术需求,手术机器人的研究已逐步过渡到专用手术机器人研究中。以色列基于Stewart并联机构开发了SpineAssist脊柱手术机器人,该六自由度机器人通过调整动平台的位姿使导向套筒定位于预定的钉道位置,为医生提供准确的操作导向。同样采用类似上述并联构型的还有德国WISARoMed脊柱手术机器人,其并联机构具有刚度大、结构紧凑、体积相对较小等优点,但也存在工作空间较小、灵活性差的问题。

 针对具有大工作空间的脊柱外科手术,更多的研究者选择基于串联构型来构建脊柱手术辅助系统,包括采用直角坐标构型的韩国汉阳大学的SPINEBOT-I系统、浦项工业大学的CoRASS系统以及南开大学的脊柱手术机器人系统等。采用直角坐标构型的工作空间大、空间简单,但机器人所占用的空间较大,在装备有各种设备仪器的手术室难以实用。另外,还有采用垂直关节机器人的德国VectorBot系统、Navarra大学基于PA-10的脊柱手术辅助系统等。垂直关节机器人具有较大的工作空间/体积比,具有更紧凑的结构形式,比较适合应用于脊柱外科手术中。

串联机械臂设计

 从满足脊柱手术的临床需求出发,考虑手术对安全性的特殊要求进行构型选择和结构设计,机械臂的构型首先应满足脊柱手术中钉道的定位和操作动作对自由度的要求。钉道入钉点的定位需要进行三个方向上的位置调整,以及两个方向上的角度调整。除此之外,为了保证导航系统对器械末端的标识点进行有效跟踪,需要机器人末端钻骨装置具有一个旋转自由度,以调整标识点的朝向。所以机器臂至少需要6个独立的自由度。其中,3个自由度用于位置调整,另外3个自由度用于姿态调整。

 较为常见的位置调整结构包括直角坐标型、柱面坐标型以及球面坐标型三种。脊柱手术过程中,患者处于俯卧体位,其脊柱近似平行于水平方向。同时在手术室条件下要求机器人的结构较为紧凑、重量较轻。比较直角坐标机器人和球面坐标机器人发现,后者较前者有更大的工作空间/体积比,具有更紧凑的结构形式。在旋转关节机器人中,与球面坐标机器人相比,柱面坐标机器人受到重力作用的关节数量更少,有利于进一步减小机器臂的结构尺寸,同时也降低了机器臂在关节意外失效情况下掉落伤害患者的可能性,更加符合手术机器人对安全性的更高要求。综合比较几种串联机器人的构型形式,本文选择柱面坐标型的位置调整自由度,加上机器人前端3个姿态调整自由度。

 此种构型形式中除第一关节为垂直运动的直线关节外,其余关节均为旋转关节。脊柱手术机器人几何模型如图1所示。其中,第2、3关节轴线垂直于水平面,使机器人在水平面内运动;第4、5、6关节轴线相交于一点,形成机器人的“腕关节”。末端操作器械沿第6关节轴线安装,并由其带动旋转调整方向。

 脊柱手术机器人的工作空间需要能够满足特定手术区域内的全部位置、姿态需求。临床上使用三个正交面(横断面、矢状面及冠状面)构成直角坐标系对患者进行描述。脊柱手术中钉道入钉点的选择主要在冠状面上进行。脊柱手术中患者体位为俯卧位,其冠状面近似水平;机器人摆放于手术床侧面,其坐标轴x方向近似垂直于矢状面,y轴方向近似垂直于横断面,如图2所示。所以机器人末端器械主要在x-y平面上进行钉道入钉点的定位。

力反馈钻骨装置设计

 针对脊柱手术中钻钉道过程,本文设计了专用的末端钻骨装置。如图3所示包括专用手术器械(专用医疗骨钻电机、快拆连接器、专用骨钻钻头)、直线传动单元、驱动电机、连接法兰、6轴力/力矩传感器以及红外定位靶点。

 其中,骨钻钻头通过专用的快拆连接器连接在骨钻电机输出轴之上,由医疗骨钻电机提供钻钉道所需要的高速旋转运动。钻钉道过程所需要的直线进给运动由尾端驱动电机及直线传动单元提供。红外靶点固定于直线传动单元的移动端,用来对骨钻的进给动作进行实时跟踪。为保证断电情况下手术器械及直线传动部件的移动端不滑落,选用能够自锁的梯形丝杠作为直线传动部件。直线传动单元的固定端通过连接法兰与6轴力/力矩传感器相连接,此结构保证作钻钉道过程中的反馈力可以通过传动单元、连接法兰等部件传递给力/力矩传感器,实现机器人末端的实时力感知。

图像三维重建技术

 骨科手术辅助机器人系统中已经普遍使用了图像导航技术,主要可分为二维图像导航及三维图像导航两类。其中,二维图像导航通过拍摄患者手术部位的正、侧位两张透视图片,基于拾取对应点的方法进行配准,构建手术区域的空间坐标系。

 三维图像导航能满足医生通过三维重建的手术区解剖结构模型直观地观察规划路径的空间位置,并直接在三维空间中完成手术规划。以色列的SpineAssist系统中使用了术前计算机断层扫描技术(ComputedTomography,CT)获取的三维图像与术中二维图像配准相结合的方式实现三维图像导航。韩国的SPINEBOT系列机器人也使用了类似的方法。另一种基于三维图像的导航方式是通过骨性标记点或人工植入的标记点进行基于几何特征的配准。如哈尔滨工业大学的椎间盘置换手术机器人系统中就应用了这种方法,但术中患者骨性标记点往往不明显,因此其选点精度、配准精度也受到一定的限制。

 脊柱手术机器人系统中,图像导航系统需为医生提供患者手术区可视化图像供其手术诊断及手术规划,同时为机器人提供手术规划信息监控和引起其运动。因此,导航系统的开发需要能够满足机器人运动、操作正确性和精确性的要求,同时满足医生进行术中诊断、规划和实时操作监视过程中的友好性需求。

 例如,CT或核磁共振成像获取的手术区图像重构为三维模型,方便术者更直观地对患者脊柱的空间形态、手术路径、器械位置等进行直观的观察。医学影像三维重构的方法主要分为体绘制、面绘制两种。从三维重构的图像效果来看,体绘制要优于面绘制;但从算法的效率以及交互性上来说,面绘制要远胜体绘制。术中导航系统着重关注软件的交互性能,因此,本文采用移动立方体(MarchingCubes,MC)面绘制算法进行手术区脊椎的三维重构。

 MC算法是一种基于三维空间图像数据场等值面抽取的算法。其基本思路为通过设定图像灰度阈值构造体素内部的等值面三角片,并按照等值三角片的顶点和法向量进行拼接,得到整体三维等值面作为三维模型的轮廓。本文基于VisualizationToolkit提供的Observer-Command交互模式,建立了基于交互的三维重建功能,可比较方便和准确地进行图像三维重建阈值的选择,有效提高重建的效率。

图像配准技术

 图像导航的核心之一是建立图像-患者-机器人三者之间的统一坐标变换关系。其中机器人-患者间的变换关系通过术中实时定位跟踪来进行计算,而图像-患者间的坐标变换关系则需要通过图像配准过程进行建立,实质上就是求得图像坐标系和患者坐标系之间的变换矩阵。脊柱手术中的配准过程属于刚性配准,常用的方法有基于点/点、点/面、轮廓/面以及面/面关系的基于几何特征的配准方法,此外还有在图像像素级进行配准的方法。

 本文采用基于点/点关系的配准方法中拾取点法和迭代就近点(InterativeClosestPoint,ICP)法两种算法相结合的配准方法。在提高了配准精度的同时避免了因图像坐标系与参考坐标系姿态相差过大而导致的配准失效现象。手术配准过程中,首先将患者参考坐标系内点集与图像坐标系内的点集进行配准,得到初次粗配准转换矩阵,以及粗配准后的参考点集;然后采用ICP算法将参考点集与图像点进行二次精配准,得到精配准矩阵,从而获得最终的配准矩阵。图4为图像配准过程中坐标转换关系。

导航定位控制技术

 导航定位采用红外双目摄像机以及固定于机器人末端机械和患者脊柱的红外靶点进行二者的实时定位跟踪,实现术中导航-机器人-患者系统的空间变换坐标系进行描述,完成手术规划信息到机器人控制参数的变换,从而实现对手术机器人导引。因此,整个坐标系统可以分为三个子坐标系统:手术器械坐标系、患者坐标系以及光学定位器坐标系,如图5所示。

 其中,手术器械坐标系中,通过器械手动校准建立器械尖端在器械标识点坐标系下的位姿矩阵;患者坐标系中,通过图像配准建立空间变换矩阵,将现实空间中位于患者靶点坐标系的手术区域的位姿信息转换至图像坐标系中;在光学定位器坐标系中,光学定位器实时跟踪手术器械靶点位姿及患者靶点位姿,并通过器械和患者子坐标系统内的坐标变换,形成定位器-手术器械-患者图像之间的空间变换闭环。在手术规划过程中,医生在患者图像坐标系内进行手术规划,确定钉道的入口点位置及目标点位置。在导航定位过程中,导航信息变换到机器人末端器械坐标系中。这样可以方便术中随时调整光学定位器的位置,同时不改变导航信息的值。

 

杂志订阅

填写邮件地址,订阅精彩资讯: