計算機輔助骨科導(dǎo)航技術(shù)與骨科機器人,醫(yī)學(xué)技術(shù)論文

計算機輔助骨科導(dǎo)航技術(shù)與骨科機器人,醫(yī)學(xué)技術(shù)論文原標(biāo)題：骨科機器人及導(dǎo)航技術(shù)研究進展內(nèi)容摘要：隨著微創(chuàng)外科技術(shù)、精準(zhǔn)醫(yī)療的不斷發(fā)展，骨科機器人及其導(dǎo)航技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注。憑著智能、微創(chuàng)、精準(zhǔn)等基本特性，骨科機器人在應(yīng)用中展現(xiàn)出宏大的應(yīng)用價值，有力地改善了傳統(tǒng)骨科手術(shù)損傷大、輻射量高、操作不精到準(zhǔn)確等狀況。骨科機器人從早期的基于工業(yè)化機器人改造逐步發(fā)展為專用骨科機器人，體積由大到小，功能由簡單到復(fù)雜，智能化程度不斷提高，甚至實現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控操作。骨科機器人的操作離不開導(dǎo)航技術(shù)的引導(dǎo)，各種導(dǎo)航技術(shù)不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)生了基于CT、2D透視、3D透視、無圖像、超聲、電磁等導(dǎo)航系統(tǒng)，以及多模態(tài)導(dǎo)航。由此，本文主要對骨科機器人及其導(dǎo)航技術(shù)的基本特征、分類進行總結(jié)。本文關(guān)鍵詞語：機器人；計算機輔助骨科手術(shù)；導(dǎo)航進入20世紀(jì)后，X線、CT、MRI、超聲等醫(yī)學(xué)影像技術(shù)飛速發(fā)展，為骨科疾病的診療提供了極大便利。但傳統(tǒng)骨科手術(shù)效果的好壞通常取決于醫(yī)生的個人經(jīng)歷體驗、手術(shù)技巧，不可避免帶來眾多的人為失誤，而導(dǎo)致患者的身心痛苦。隨著計算機信息技術(shù)、微創(chuàng)外科手術(shù)理念的出現(xiàn)，以及機器人工業(yè)的迅猛發(fā)展，計算機輔助導(dǎo)航骨科手術(shù)〔CAOS〕和骨科醫(yī)用機器人開場涌現(xiàn)。當(dāng)前在人工關(guān)節(jié)、脊柱外科、運動醫(yī)學(xué)、創(chuàng)傷骨科、骨腫瘤等眾多骨科領(lǐng)域，CAOS和醫(yī)用機器人均獲得了長足發(fā)展，華而不實一些研究成果已經(jīng)獲得了滿意的臨床應(yīng)用。骨科醫(yī)用機器人牽涉醫(yī)學(xué)圖像成像、計算機技術(shù)、圖像處理、機器人、機器人運動、機器人編程、空間定位、傳感器整合、遙操作、虛擬現(xiàn)實、加強現(xiàn)實等，將軟件、硬件與骨科手術(shù)學(xué)嚴(yán)密整合起來，能夠延伸骨科醫(yī)生的視覺、觸覺、聽覺范圍，提高手術(shù)操作的精到準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可重復(fù)性，降低手術(shù)難度進而可輔助醫(yī)生完成一些既往不可能完成的手術(shù)，減少手術(shù)時間、醫(yī)生和患者的輻射損傷，為醫(yī)學(xué)生和年輕骨科醫(yī)生的學(xué)習(xí)、?？婆嘤?xùn)提供極大的便利。隨著CAOS和醫(yī)用機器人的不斷成熟，智能化、微創(chuàng)化、精準(zhǔn)化、個性化骨科手術(shù)理念已成為將來的方向發(fā)展。1計算機輔助骨科導(dǎo)航技術(shù)骨科機器人的核心技術(shù)之一是計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)，導(dǎo)航就像人眼一樣，為機器人的運行提供精到準(zhǔn)確參考。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)是20世紀(jì)80年代提出的新技術(shù)，利用計算機強大的數(shù)據(jù)處理能力，將醫(yī)學(xué)圖像采集設(shè)備〔X線/CT/MRI/超聲/PET等〕獲取的患者數(shù)據(jù)進行分析處理，供醫(yī)生進行術(shù)前或者術(shù)中手術(shù)規(guī)劃。同時借助外部的空間坐標(biāo)跟蹤設(shè)備，將手術(shù)器械或機器人與患者手術(shù)目的區(qū)域進行實時空間坐標(biāo)測量，獲取兩者的相對位置關(guān)系，進而指導(dǎo)醫(yī)生進行精到準(zhǔn)確、快速、安全的定位和內(nèi)置物置入。早期基于醫(yī)學(xué)圖像的導(dǎo)航技術(shù)受成像技術(shù)原理、成像設(shè)備精度、成像現(xiàn)實可行性條件等眾多因素的影響，發(fā)展較為緩慢。隨著成像設(shè)備的不斷進步，醫(yī)學(xué)圖像已經(jīng)從二維向三維演變，實現(xiàn)了患者醫(yī)學(xué)信息的可視化、虛擬化，進而可指導(dǎo)醫(yī)生完成術(shù)前評估、仿真規(guī)劃、術(shù)中實時監(jiān)控、術(shù)后跟蹤等全程可控性操作，減少了醫(yī)生的人為失誤。計算機輔助導(dǎo)航技術(shù)有不同的分類方式方法。根據(jù)與人的交互性和自動化程度，能夠分為被動導(dǎo)航、交互式導(dǎo)航、全自動導(dǎo)航。根據(jù)醫(yī)學(xué)圖像成像方式方法的不同，主要經(jīng)歷了CT導(dǎo)航、X線透視導(dǎo)航、無圖像導(dǎo)航、超聲導(dǎo)航、激光導(dǎo)航等幾個階段。1.1基于CT的導(dǎo)航基于CT的骨科導(dǎo)航手術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代早期，得益于早期的立體定位手術(shù)的發(fā)展。需要術(shù)前進行手術(shù)部位的CT掃描，與患者術(shù)中的解剖標(biāo)志進行配準(zhǔn)，以進行復(fù)雜的二維、三維手術(shù)規(guī)劃。為了將術(shù)中手術(shù)器械的運動進行可視化，需要建立手術(shù)目的和術(shù)前CT數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換矩陣以進行配準(zhǔn)。早期的配準(zhǔn)方式方法依靠于骨外表構(gòu)造和圖像空間中對應(yīng)特征區(qū)域的辨別技術(shù)。最常用的為成對點的外表配準(zhǔn)，華而不實成對點可基于解剖標(biāo)志或基于外部標(biāo)記點。因而，需要進行必要的術(shù)前規(guī)劃，如此圖像交互標(biāo)記點確實定、分割、距離計算等。另外，當(dāng)前基于CT導(dǎo)航的商業(yè)化系統(tǒng)，有一基本的技術(shù)前提，即假設(shè)手術(shù)對象和虛擬圖像目的均為剛體。這就需要對每一個剛體分別進行配準(zhǔn)，例如每一個腰椎節(jié)段的椎體。為了補償運動假象，在配準(zhǔn)經(jīng)過和手術(shù)經(jīng)過中，必須對每一個手術(shù)對象給予參照物，因而在術(shù)中，動態(tài)參考物必須牢固地固定于手術(shù)對象上。當(dāng)前，很多研究致力于使用術(shù)中成像設(shè)備，例如C臂、超聲來提取解剖特征與術(shù)前斷層圖像進行圖像融合，進而不需要直接接觸手術(shù)解剖部位，為微創(chuàng)手術(shù)提供了極大的便利。CT導(dǎo)航在骨科的應(yīng)用最早開場于腰椎椎弓根螺釘置入手術(shù)，有很多學(xué)者對其易用性、可行性進行了深切進入研究[1].隨后，出現(xiàn)了各種各樣的商業(yè)化CT導(dǎo)航系統(tǒng)，并可應(yīng)用于脊柱不同節(jié)段的椎弓根螺釘置入。由于在脊柱領(lǐng)域的成功應(yīng)用，使得該技術(shù)向骨科其他亞專業(yè)拓展。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是比擬早的應(yīng)用例子，不僅注重置入手術(shù)的可靠性和精到準(zhǔn)確性，也注重手術(shù)規(guī)劃。很快，人們開場將CT導(dǎo)航用于全膝關(guān)節(jié)置換，指導(dǎo)手術(shù)規(guī)劃和假體置入。早期的CT導(dǎo)航，CT數(shù)據(jù)來源于手術(shù)室之外的CT室，這無法消除固有的術(shù)前圖像和術(shù)中手術(shù)對象的實時圖像之間的配準(zhǔn)誤差。因此，諸如西門子等公司將CT設(shè)備整合在手術(shù)室內(nèi)，可允許醫(yī)生隨時進行CT掃描，大大加強了配準(zhǔn)精度。德國BrainLab公司還研制了小型化、可移動式的術(shù)中CT設(shè)備Airo.但不可忽視的是術(shù)中CT設(shè)備價格較為昂貴，只要較大規(guī)模的醫(yī)院才能裝備，進而限制了其使用的廣泛性。1.22D透視導(dǎo)航移動式C型臂X線機的出現(xiàn)，為2D透視導(dǎo)航提供了最重要的基礎(chǔ)。當(dāng)前，移動式C型臂X線機幾乎成為骨科手術(shù)室的標(biāo)準(zhǔn)裝備。隨著對術(shù)前CT圖像和術(shù)中透視圖像兩者配準(zhǔn)的深切進入研究，人們開場擺脫CT的限制，直接將2D透視圖像用于導(dǎo)航經(jīng)過。2D透視導(dǎo)航的目的是獲得2D透視圖像和手術(shù)對象之間坐標(biāo)關(guān)系的轉(zhuǎn)換矩陣。第一步需要獲得C型臂X線機和手術(shù)對象之間的空間轉(zhuǎn)換矩陣，通常采用光學(xué)相機跟蹤系統(tǒng)來實現(xiàn)。第二步需要獲得2D透視圖像和C型臂X線機之間空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，通常把C型臂X線機的圓錐形X線透視模擬為光學(xué)相機系統(tǒng)來進行計算。完成以上兩步后，即可獲得2D透視圖像和手術(shù)對象之間坐標(biāo)關(guān)系的轉(zhuǎn)換矩陣。2D透視導(dǎo)航的優(yōu)點在于系統(tǒng)搭建方便、術(shù)中可按需隨時采集圖像。但是存在透視圖像的畸變問題，主要來源于C型臂X線發(fā)射器和接受器之間錐形透視引起的圖像變形。為減小配準(zhǔn)誤差，必須對這種畸變進行校正補償。有兩種常用的校正方式方法。一種為單平面的校正板，易于安裝在C型臂X線機上，但是校正經(jīng)過耗時、復(fù)雜。另一種為雙平面校正籠，校正效果好，但因體積大會占用手術(shù)操作的空間。實際手術(shù)中，首先獲得1張或多張透視圖像，輸入計算機導(dǎo)航軟件中進行配準(zhǔn)，可進行相應(yīng)的縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、標(biāo)記等操作，同時能夠借助多張2D透視圖像配準(zhǔn)重建成類似3D的圖像。在光學(xué)相機跟蹤系統(tǒng)的輔助下，可為醫(yī)生提供手術(shù)對象的實時虛擬可視化。這種由多張2D圖像配準(zhǔn)而得到的重建圖像，與傳統(tǒng)的使用多個C型臂X線機持續(xù)透視的效果相當(dāng)，但大大減少了醫(yī)患的輻射暴露。當(dāng)前已經(jīng)誕生了多種透視導(dǎo)航模塊，用于關(guān)節(jié)置換和骨科重建手術(shù)。1.33D透視導(dǎo)航世界上第一臺可進行術(shù)中3D重建的C臂是西門子公司1999年推出的SIREMOBILIso-C3D,后改良為ArcadisOrbic3D.其外觀與傳統(tǒng)C型臂X線機類似，但X射線束與C型臂X線機旋轉(zhuǎn)中心之間沒有傳統(tǒng)C型臂X線機的固有偏差，故為等中心透視，可圍繞手術(shù)目的進行精到準(zhǔn)確的繞軌道旋轉(zhuǎn)，最大旋轉(zhuǎn)角度為190，這為后期的精到準(zhǔn)確3D重建提供了基礎(chǔ)。隨著C型臂X線機的旋轉(zhuǎn)，能夠獲得50~200張2D透視圖像，采用錐形光束重建算法，可進行高解析度3D重建。由于采取了步進電機驅(qū)動C型臂X線機旋轉(zhuǎn)，使得操作具有可重復(fù)性，便于后期隨時、隨地進行圖像校正。該系統(tǒng)輸出圖像為DICOM格式，可輕松導(dǎo)入商業(yè)導(dǎo)航系統(tǒng)中進行3D-CT導(dǎo)航經(jīng)過。據(jù)研究，該3D透視導(dǎo)航系統(tǒng)的精度為：最大誤差1.18mm,平均為0.47mm,標(biāo)準(zhǔn)差為0.21mm.需要注意的是，手術(shù)對象在手術(shù)經(jīng)過中應(yīng)盡量靜止，以減少誤差來源，當(dāng)前人們正在研究怎樣通過運動補償來減少這種誤差。在臨床使用中，Iso-C3D總體精度上不如當(dāng)代的CT設(shè)備，尤其是在掃描大面積軀干時。更多的是用于上肢、下肢、脊柱部分節(jié)段或金屬假體的3D掃描重建，可知足大部分關(guān)節(jié)置換、骨科重建手術(shù)的實際需求。1.4無圖像導(dǎo)航無圖像導(dǎo)航，是指無需依靠術(shù)前或者術(shù)中透視圖像，而是通過光電跟蹤系統(tǒng)確定不同的解剖構(gòu)造和參考標(biāo)記來建立手術(shù)對象的虛擬表示出。也有人稱之為基于醫(yī)生所定義解剖構(gòu)造的計算機輔助導(dǎo)航。通過末端定位裝置，如取點器，可確定解剖標(biāo)記點并直接對其進行術(shù)中數(shù)字化顯示。最早是用于前穿插韌帶移植物的手術(shù)規(guī)劃、置入。1995年法國Dessenne等[2]研制出計算機輔助前穿插韌帶重建導(dǎo)航系統(tǒng)，并在尸體和患者身上進行了驗證，但由于只能重建出骨骼的局部，造成誤差較大。后來人們提出了骨骼形變技術(shù)[3],通過采集大量高精度骨骼體數(shù)據(jù)或者尸體骨3D外表掃描數(shù)據(jù)，建立特定骨骼的統(tǒng)計學(xué)模型。術(shù)中，采集相應(yīng)區(qū)域骨骼的離散點云數(shù)據(jù)，然后通過形狀預(yù)測法來將其與骨骼統(tǒng)計學(xué)模型進行配準(zhǔn)。通常能夠獲得較為精到準(zhǔn)確、真實的虛擬骨骼形態(tài)。無透視導(dǎo)航能夠輔助醫(yī)生確定特定關(guān)節(jié)運動的旋轉(zhuǎn)中心，這已經(jīng)在全膝關(guān)節(jié)置換中成功應(yīng)用，能夠確定髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心。后來無圖像導(dǎo)航在全髖關(guān)節(jié)置換、脛骨高位截骨術(shù)中獲得成功應(yīng)用。由于無圖像導(dǎo)航技術(shù)的微創(chuàng)性，使其能夠與傳統(tǒng)的2D、3D、CT導(dǎo)航混合使用。大量全膝關(guān)節(jié)置換的臨床研究結(jié)果表示清楚，無圖像導(dǎo)航下的假體置入精度優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。其他導(dǎo)航類型，如電磁導(dǎo)航、超聲導(dǎo)航等也獲得了深切進入研究。相比傳統(tǒng)光學(xué)導(dǎo)航，電磁導(dǎo)航完全不受視野、視線限制，尤其適用于微創(chuàng)、經(jīng)皮置入骨科手術(shù)。但缺點也很明顯，會遭到附近電磁場、含鐵材料的干擾而降低導(dǎo)航精度，尤其是在手術(shù)室內(nèi)存在諸多金屬、電子設(shè)備的情況下，但人們在不斷努力解決這一問題，并不斷地提高導(dǎo)航精度[4].超聲導(dǎo)航具有無創(chuàng)、無輻射、實時跟蹤的優(yōu)勢，通過超聲本身回波測距原理得到骨外表點云輪廓，通過光學(xué)示蹤器實時捕獲超聲探頭本身位置，再通過數(shù)學(xué)算法、配準(zhǔn)技術(shù)獲得骨點云輪廓與術(shù)前圖像〔X線片、CT、MRI等〕的實時配準(zhǔn)。但由于遭到超聲本身特性，如聲速、傳播距離、軟組織變形因素的影響，當(dāng)前尚未在臨床得到廣泛推廣。但當(dāng)前已經(jīng)有大量的基礎(chǔ)、臨床實驗對超聲配準(zhǔn)進行了深切進入研究[5~7],相信在不久的將來一定會大放異彩。2骨科機器人隨著機械制造工業(yè)的發(fā)展，機器人在靈敏性、精到準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、智能化等方面飛速進步。從20世紀(jì)80年代開場，機器人技術(shù)進入醫(yī)療領(lǐng)域。骨科機器人的出現(xiàn)，有力地改善了骨科手術(shù)切口大、輻射量高、操作不穩(wěn)定等難題。骨科機器人本體構(gòu)型從早期的基于工業(yè)化機器人改造逐步發(fā)展為專用骨科機器人，體積由大到小，從原始的單功能發(fā)展為多功能性，智能化程度不斷提高，部分機器人甚至實現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控操作。2.1關(guān)節(jié)外科和運動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)置換手術(shù)存在力線不良、假體不匹配等問題，穿插韌帶重建手術(shù)面臨置入點選擇偏差、骨隧道建立方向錯誤等難題。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、機器人技術(shù)的發(fā)展，人們研發(fā)出多款機器人輔助關(guān)節(jié)置換術(shù)、穿插韌帶重建術(shù)。大致可分為主動型、半主動型、被動型3類。主動型，可根據(jù)術(shù)前規(guī)劃，由機器人主動完成部分手術(shù)操作，如RO-BODOC、CASPAR、MBARS等。半主動型，需要在醫(yī)生的控制下進行手術(shù)操作，但醫(yī)生的操作又進一步被機器所約束以加強安全性，如Acrobot、PFS等。被動型，醫(yī)生具有完全的自主控制權(quán)，機器人本身不進行手術(shù)操作，而只是提供定位、導(dǎo)向、導(dǎo)航等功能，如HipNav、KneeNav、Galileo、SurgiCate等。美國ISS公司〔IntegratedSurgicalSystems〕和IBM于1991年共同研發(fā)了ROBODOC[8],其設(shè)計初衷是為了在非骨水泥型全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)中，對股骨假體所匹配的髓腔進行精到準(zhǔn)確化機器磨削，進而實現(xiàn)假體-股骨之間更嚴(yán)密的壓配、促進內(nèi)生長、延長假體壽命、減少翻修手術(shù)率。ROBODOC需要術(shù)前在患者股骨置入3枚鈦針，然后進行CT掃描，術(shù)中采用醫(yī)生手動導(dǎo)引和機器自動搜索來標(biāo)定3枚鈦針的位置，進而獲得術(shù)前、術(shù)中股骨的配準(zhǔn)。在經(jīng)過26只犬實驗后，于1992年成功應(yīng)用于1例64歲男性患者，為世界首例機器人輔助下全髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)。2008年該系統(tǒng)獲得美國FDA批準(zhǔn)，成為唯一獲得批準(zhǔn)的主動型骨科機器人。當(dāng)前，ROBODOC已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)應(yīng)用超過28000例關(guān)節(jié)置換手術(shù)，包括非骨水泥型全髖關(guān)節(jié)置換、全膝關(guān)節(jié)置換、全髖關(guān)節(jié)翻修手術(shù)。美國卡耐基梅隆大學(xué)于1995年研制了HipNav[9],術(shù)前采集CT數(shù)據(jù)，術(shù)中光學(xué)導(dǎo)航捕獲骨外表點云進行配準(zhǔn)，輔助醫(yī)生正確地置入髖臼假體，減少假體撞擊和脫位，初期的100例臨床實驗效果滿意。后來他們又研制了KneeNav,原理類似于HipNav,用于輔助完成前穿插韌帶和膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)。2005年該大學(xué)又研制出一種微型6自由度并聯(lián)機器人MBARS[10],可固定于骨骼上并對其進行主動磨削，使截骨面與假體的配合更為精致細(xì)密、精到準(zhǔn)確。英國帝國理工大學(xué)Davies等[11]1997年研制了Ac-robot,是一種小型化、半主動型、專用于全膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)的手持式機器人。該機器人參加了主動約束機制，對機器人的運動進行了工作區(qū)域限定，防止錯誤及額外損傷發(fā)生。術(shù)前采集下肢CT數(shù)據(jù)，術(shù)中采集膝