長(zhǎng)骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人研究現(xiàn)狀與展望

史 剛，張肖在，祁富貴，王鵬飛，張自啟，殷 悅，李雪陽(yáng)，焦 騰*

（1．空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，西安 710032；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第942醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，銀川 750000；3.空軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科，西安 710032）

0 引言

骨折是創(chuàng)傷骨科最常見的外科創(chuàng)傷，特別是四肢長(zhǎng)骨骨折，多發(fā)于工業(yè)生產(chǎn)、建筑工地或交通事故中，醫(yī)學(xué)上將這一類損傷稱為高能損傷。近年來(lái)，隨著人類社會(huì)生產(chǎn)、建設(shè)、交通和生活節(jié)奏的加快，此類損傷呈明顯增加趨勢(shì)。四肢骨折治療理念隨著抗生素的應(yīng)用和醫(yī)療科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而更新，主要經(jīng)歷了保守治療、20世紀(jì)60年代AO/ASIF國(guó)際內(nèi)固定研究學(xué)會(huì)（Association for the Study of Internal Fixation）提出的 AO（arbeitsgemeinschaft für osteosythese）治療原則和90年代Gerber與Palmar等提出的生物學(xué)接骨術(shù)（biological osteosynthesis，BO）治療原則 3個(gè)階段[1-3]。

近年來(lái)，交鎖髓內(nèi)釘治療四肢長(zhǎng)骨骨干骨折已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)治療方法[4]。髓內(nèi)釘治療方法中心固定的方式在對(duì)抗應(yīng)力方面相比鋼板固定方法有明顯優(yōu)勢(shì)，同時(shí)復(fù)位固定也在遠(yuǎn)離骨折部位的骨骺端附近進(jìn)行，有效保護(hù)了骨折局部血運(yùn)。但由于該治療方法采用微創(chuàng)閉合復(fù)位，術(shù)中需多次透視，手術(shù)醫(yī)生和骨折患者放射性暴露時(shí)間長(zhǎng)達(dá)158～316 s[5]，增加了輻射風(fēng)險(xiǎn)。另有文獻(xiàn)報(bào)道，閉合復(fù)位加髓內(nèi)釘內(nèi)固定治療骨折在矢狀面和冠狀面上對(duì)位不良占2%～18%[6]，通過術(shù)后CT檢查證實(shí)，超過10°的旋轉(zhuǎn)畸形發(fā)生率高于40%[7]。當(dāng)骨折復(fù)位旋轉(zhuǎn)畸形超過10°時(shí)就會(huì)對(duì)患者的生活產(chǎn)生明顯的影響，情況嚴(yán)重時(shí)需要再次手術(shù)糾正。

如何獲得準(zhǔn)確、穩(wěn)定的復(fù)位，同時(shí)減少?gòu)?fù)位過程中的透視次數(shù)，降低醫(yī)患雙方的輻射風(fēng)險(xiǎn)成為亟須解決的問題。由于四肢長(zhǎng)骨周圍均包裹有各類運(yùn)動(dòng)的肌群、神經(jīng)和軟組織，復(fù)位過程需要克服強(qiáng)有力的肌肉收縮牽拉力[8]，現(xiàn)有的外科手術(shù)機(jī)器人均不能滿足要求，因此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的研究人員進(jìn)行了不同的嘗試，研究開發(fā)了多種骨折手術(shù)機(jī)器人，各項(xiàng)研究取得了一定的進(jìn)展和成果。現(xiàn)就這些相關(guān)研究進(jìn)展和取得的結(jié)果作一綜述。

1 研究現(xiàn)狀

醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人是集機(jī)器人、醫(yī)學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制學(xué)、人工視覺、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)、人因工程學(xué)、信號(hào)傳輸與控制、軟件工程學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域于一體的多學(xué)科交叉融合研究結(jié)果[9]。研究人員巧妙地將機(jī)器人的控制精確、運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)生理性抖動(dòng)、可重復(fù)性好、抗疲勞等特征與外科醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出不同功能的醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人，目前已經(jīng)延伸到骨科的多個(gè)專業(yè)，包括創(chuàng)傷、脊柱、關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、骨腫瘤等，如ACROBOT和用于髖臼打磨置換的ROBODOC和CASPAR等[10]。由于長(zhǎng)骨骨干骨折治療的復(fù)位機(jī)器人運(yùn)行時(shí)需要承受一定的負(fù)荷[11-12]，并且需要足夠的運(yùn)動(dòng)空間以完成復(fù)位動(dòng)作，與目前其他外科領(lǐng)域應(yīng)用的機(jī)器人工作時(shí)幾乎無(wú)負(fù)荷不同[13]，研發(fā)技術(shù)難度高，暫無(wú)廣泛推廣應(yīng)用的長(zhǎng)骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人。

1.1 基于Stewart平臺(tái)以及其演變結(jié)構(gòu)的并聯(lián)式長(zhǎng)骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人

Stewart平臺(tái)是英國(guó)高級(jí)工程師Stewart在1965年研制的[14]，該平臺(tái)主要由6根并聯(lián)排列的可伸縮連桿連接上下2個(gè)平面，通過調(diào)整6個(gè)連桿的長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)2個(gè)平面6個(gè)自由度的精確運(yùn)動(dòng)控制。由于這2個(gè)平面之間沒有固定的連接軸，該模型可以在運(yùn)動(dòng)空間范圍內(nèi)完成較為復(fù)雜的動(dòng)作。該平臺(tái)主要應(yīng)用在數(shù)學(xué)和工程學(xué)領(lǐng)域，尤其是空間動(dòng)力方面的研究，例如用于訓(xùn)練飛行員的直升機(jī)空間運(yùn)動(dòng)模擬[15-16]，另外Stewart教授指出其也可應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。

1994年，美國(guó)骨科醫(yī)生Taylor及其弟弟合作，將Stewart平臺(tái)原理與Ilizarov外固定架技術(shù)進(jìn)行完美結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款六自由度的骨科用矯正支架系統(tǒng)，被稱為泰勒空間支架（Taylor spatial frame，TSF）[17-18]。該系統(tǒng)主要包括兩大部分，一部分為用于矯正的2個(gè)環(huán)和6根可伸縮螺桿，另一部分為運(yùn)算程序系統(tǒng)。該系統(tǒng)可根據(jù)用戶輸入的調(diào)整目標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出6個(gè)可伸縮螺桿的對(duì)應(yīng)目標(biāo)長(zhǎng)度，用戶根據(jù)系統(tǒng)生成的矯正處方，定期調(diào)整6個(gè)螺桿的長(zhǎng)度即可達(dá)到矯形治療的目的。TSF在臨床上的成熟應(yīng)用主要在骨折畸形愈合和畸形骨病的慢性矯正、骨缺損的牽張成骨等方面，配合截骨手術(shù)，在臨床治療中取得了較滿意的療效[17，19-21]。

英國(guó)拉夫堡大學(xué)（Loughborough University）的研究人員Bouazza-Marouf等在20世紀(jì)90年代中后期將計(jì)算機(jī)和機(jī)械控制技術(shù)與外科骨折治療方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種基于透視圖像的機(jī)器人視覺系統(tǒng)和專用復(fù)位機(jī)械手（如圖1所示），論證了醫(yī)用機(jī)器人技術(shù)的可行性，闡述了機(jī)器人復(fù)位的基本要求，并就相關(guān)安全和無(wú)菌要求進(jìn)行了討論[22]。但并未見進(jìn)一步實(shí)施骨折復(fù)位的介紹和實(shí)驗(yàn)結(jié)果報(bào)道[23]。

圖1 Bouazza-Marouf等設(shè)計(jì)的手術(shù)系統(tǒng)[22]

21世紀(jì)初，德國(guó)漢堡創(chuàng)傷中心的Seide教授以Stewart平臺(tái)和TSF技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了六軸自動(dòng)固定器（如圖 2所示）[24]。該系統(tǒng)在6根驅(qū)動(dòng)桿上安裝了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置以及載荷感應(yīng)裝置，醫(yī)生通過軟件輸入目標(biāo)動(dòng)作，計(jì)算機(jī)經(jīng)過計(jì)算自動(dòng)對(duì)外架進(jìn)行控制，來(lái)進(jìn)行畸形和骨折復(fù)位的急性操作以及骨愈合應(yīng)力情況的測(cè)量。

圖2 Seide教授設(shè)計(jì)的六軸自動(dòng)固定器及測(cè)量場(chǎng)景[24]

2002年，以色列耶路撒冷的希伯來(lái)大學(xué)計(jì)算機(jī)與工程學(xué)院和哈德薩大學(xué)及海法理工大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)共同分析了現(xiàn)有骨折復(fù)位治療技術(shù)的局限性，設(shè)計(jì)開發(fā)出長(zhǎng)骨骨折的髓內(nèi)釘鎖定機(jī)器人輔助系統(tǒng)[25-26]，并討論了計(jì)算機(jī)輔助外科系統(tǒng)的目標(biāo)和功能[27]。該系統(tǒng)主要輔助確定髓內(nèi)釘鎖孔位置，可減少術(shù)中透視次數(shù)和手術(shù)醫(yī)生輻射風(fēng)險(xiǎn)，縮短手術(shù)時(shí)間。

解放軍總醫(yī)院唐佩福團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了外側(cè)帶有定位標(biāo)記球結(jié)構(gòu)的Stewart平臺(tái)（如圖3所示）[28-29]，在CT掃描三維重建圖像的基礎(chǔ)上編寫相關(guān)軟件功能模塊，對(duì)平面位置進(jìn)行識(shí)別和控制，以健側(cè)骨為參考進(jìn)行復(fù)位操作，融入視覺伺服控制進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和安全性反饋，并完成了模型骨實(shí)驗(yàn)和離體牛股骨實(shí)驗(yàn)，重復(fù)10次實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示軸向位移平均誤差為1.24 mm，側(cè)向位移平均誤差為1.19 mm，側(cè)方成角平均為2.34°，內(nèi)旋/外旋角度平均為2.83°，復(fù)位結(jié)果滿足臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用要求[30-34]。此外該課題組還測(cè)試了不同參數(shù)配置下平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍極值，結(jié)果顯示平臺(tái)空間運(yùn)動(dòng)范圍與平臺(tái)直徑成反比，與連接桿可伸縮量成正比[30-34]。由于系統(tǒng)空間運(yùn)動(dòng)范圍有限，對(duì)于錯(cuò)位較大的骨折或骨畸形治療時(shí)需要先進(jìn)行適當(dāng)?shù)臓恳{(diào)整，之后再固定復(fù)位。

圖3 解放軍總醫(yī)院唐佩福團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)[28-29]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)蔡鶴皋院士指導(dǎo)課題組成員以6-PTRT并聯(lián)型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合正骨技術(shù)，確定了相應(yīng)參數(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了面向正骨復(fù)位的機(jī)器人系統(tǒng)（如圖4所示），分析了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正逆解相關(guān)問題，并對(duì)復(fù)位方法進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)、仿真研究和尸體標(biāo)本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示復(fù)位結(jié)果能夠滿足正骨復(fù)位的需求[35]。由于尸體的肌肉是僵硬的，不能主動(dòng)收縮，與實(shí)際臨床活體麻醉狀態(tài)活體肌肉和軟組織存在差異，未見進(jìn)一步臨床實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。

圖4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)[35]

1.2 基于串聯(lián)式工業(yè)用機(jī)器人的長(zhǎng)骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人

2004年，德國(guó)雷根斯堡大學(xué)與應(yīng)用科學(xué)大學(xué)合作，在眾多醫(yī)療機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人中根據(jù)負(fù)載能力和自身質(zhì)量等多種因素綜合匹配選擇，最終選擇以St?ubli RX130工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了股骨干骨折復(fù)位機(jī)器人RepoRobo（如圖5所示）[36]。其工作方式是通過安裝在機(jī)器人末端的抓持器與固定在股骨一端的鋼針形成穩(wěn)定連接，實(shí)現(xiàn)六自由度直接牽拉和旋轉(zhuǎn)復(fù)位操作，同時(shí)通過力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)位力的監(jiān)測(cè)。盡管只進(jìn)行了股骨骨折模型復(fù)位實(shí)驗(yàn)，但對(duì)于長(zhǎng)骨骨折復(fù)位過程中可能涉及到的問題進(jìn)行了論證，證明了該系統(tǒng)用于骨折復(fù)位的可行性。

圖5 德國(guó)雷根斯堡大學(xué)與應(yīng)用科學(xué)大學(xué)設(shè)計(jì)的骨折復(fù)位機(jī)器人RepoRobo[36]

2005年，德國(guó)漢諾威醫(yī)學(xué)院創(chuàng)傷科Gosling教授與德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)機(jī)器人與過程控制研究所Westphal教授合作，設(shè)計(jì)了一套帶有觸覺和距離反饋的復(fù)位控制系統(tǒng)（如圖6所示）[37]。該系統(tǒng)使用一個(gè)操縱桿作為控制輸入設(shè)備，利用2臺(tái)正交的攝像機(jī)獲取增強(qiáng)的圖像、1臺(tái)工業(yè)用機(jī)器人RX90作為復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在不同條件下進(jìn)行了15例合成股骨骨折復(fù)位操作，經(jīng)過比對(duì)復(fù)位結(jié)果證明了在機(jī)器人輔助條件下可以減少射線暴露時(shí)間并且可獲得更高的復(fù)位精度。但該研究只進(jìn)行了模型骨的實(shí)驗(yàn)，未見后續(xù)實(shí)驗(yàn)報(bào)道[38]。

圖6 德國(guó)漢諾威醫(yī)學(xué)院和布倫瑞克工業(yè)大學(xué)機(jī)器人與過程控制研究所設(shè)計(jì)的骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)[37]

2007年11月，上海市第六人民醫(yī)院骨科阮志勇在德國(guó)漢諾威醫(yī)學(xué)院以法國(guó)法韋日TEC-systems公司生產(chǎn)的RX 90CR工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，配合德國(guó)brainlab導(dǎo)航系統(tǒng)、力量扭矩傳感器和西門子三維C臂系統(tǒng)的SiremobilIso C 3D設(shè)備，對(duì)14具不帶軟組織的成人正常股骨標(biāo)本進(jìn)行復(fù)位實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中先獲取骨折前股骨和動(dòng)態(tài)追蹤標(biāo)志的相對(duì)位置，之后制作骨折模型，操作者通過三維C臂獲取骨折位置信息圖像，根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的實(shí)時(shí)三維模擬圖像來(lái)指導(dǎo)操作手柄主從式控制機(jī)器人完成復(fù)位[13]。實(shí)驗(yàn)總計(jì)進(jìn)行了144次，結(jié)果顯示A型骨折復(fù)位軸向分離平均值為1.08 mm，側(cè)方移位平均值為1.61 mm，內(nèi)外翻角度平均值為1.09°，前后屈角度平均值為1.42°，內(nèi)旋/外旋角度平均值為1.37°，各項(xiàng)參數(shù)顯示優(yōu)于臨床現(xiàn)用方法。

1.3 其他自主設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和控制方式的長(zhǎng)骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人

2008年，日本東京大學(xué)和大阪大學(xué)聯(lián)合研制了用于輔助股骨骨折復(fù)位的手術(shù)機(jī)器人FRAC-Robo（如圖7所示）[39]，其工作方式為在患者骨折遠(yuǎn)端與患者足部固定，可提供平移、牽引、旋轉(zhuǎn)6個(gè)自由度的操作，輔助醫(yī)生完成牽引復(fù)位。該裝置有效減輕了手術(shù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，但骨折近端沒有完全固定，在牽引旋轉(zhuǎn)骨折遠(yuǎn)端的過程中，由于肌肉和軟組織的牽拉骨折近端也會(huì)發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn)，并且此變化不可控，因此不能很好地控制骨折兩端進(jìn)行精準(zhǔn)地相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并且在固定過程中容易再次丟失復(fù)位，復(fù)位精度依然受手術(shù)醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)影響較大。

圖7 日本東京大學(xué)與大阪大學(xué)設(shè)計(jì)的骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)FRAC-Robo[39]

北京積水潭醫(yī)院創(chuàng)傷骨科自2001年開始與北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所合作國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重大項(xiàng)目，共同對(duì)CAOS（computer assisted orthopaedics surgery）應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，聯(lián)合研制了具有六自由度的小型模塊化復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)（如圖8所示），由骨折復(fù)位功能模塊、機(jī)器人定位功能模塊、計(jì)算機(jī)規(guī)劃控制模塊組成[40]。該系統(tǒng)經(jīng)過模型骨、尸體骨、尸體3個(gè)階段的實(shí)驗(yàn)研究[41]，由參加研發(fā)的醫(yī)生親自實(shí)施臨床手術(shù)，總結(jié)了操作經(jīng)驗(yàn)，不斷優(yōu)化操作程序。該系統(tǒng)是脛骨骨折專用裝置，共完成臨床脛骨骨折手術(shù)40例，均獲得良好的骨折復(fù)位，且遠(yuǎn)端鎖釘均一次鎖定成功[42]。

圖8 北京積水潭醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)的骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)[40]

2016年，原第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院與其第一附屬醫(yī)院創(chuàng)傷骨科合作，研究設(shè)計(jì)出一款六自由度的數(shù)字化的股骨干骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)（如圖9所示），并通過大量實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次改造，目前該系統(tǒng)在完成模型骨實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了2例成年山羊活體在體骨折復(fù)位實(shí)驗(yàn)，取得了良好的復(fù)位結(jié)果，進(jìn)一步的臨床實(shí)驗(yàn)正在辦理審批中[43]。

2 主要進(jìn)展

CAOS指計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航骨科手術(shù)，目前比較認(rèn)同的適宜應(yīng)用CAOS的臨床手術(shù)有骨盆后環(huán)骨折及骶髂螺釘內(nèi)固定、骨盆前環(huán)和髂骨骨折、髖臼骨折、股骨頸及轉(zhuǎn)子間骨折、髓內(nèi)釘手術(shù)、長(zhǎng)骨及骨盆截骨術(shù)、股骨垢滑脫等[44]，暫不包括長(zhǎng)骨骨干骨折的治療。為了盡快彌補(bǔ)計(jì)算機(jī)輔助機(jī)器人技術(shù)在長(zhǎng)骨骨干骨折治療領(lǐng)域應(yīng)用的不足，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開展了深入研究，在復(fù)位機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型、圖像處理和導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了一些新的進(jìn)展和突破。

圖9 原第四軍醫(yī)大學(xué)與其第一附屬醫(yī)院設(shè)計(jì)的骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)[43]

2.1 復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型的發(fā)展

骨折復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型從最初在工業(yè)機(jī)器人基礎(chǔ)上改造，逐步發(fā)展，經(jīng)過對(duì)以Stewart平臺(tái)為基礎(chǔ)的各種不同結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，取得了很大進(jìn)步。Stewart平臺(tái)能夠提供精確平穩(wěn)的復(fù)位和治療動(dòng)作，是完成高精度的小范圍局部操作的最優(yōu)選擇之一，但由于受到運(yùn)動(dòng)空間的限制，單獨(dú)在長(zhǎng)骨骨折復(fù)位治療中應(yīng)用的不多。骨折復(fù)位執(zhí)行機(jī)構(gòu)是復(fù)位動(dòng)作的末端執(zhí)行單元，其運(yùn)行的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到復(fù)位系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，同時(shí)，由于復(fù)位過程中應(yīng)力較大，必須科學(xué)設(shè)計(jì)、合理選材以保證復(fù)位執(zhí)行單元的剛性。近年來(lái)，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)不斷嘗試創(chuàng)新，自主設(shè)計(jì)了用于長(zhǎng)骨骨折復(fù)位治療的機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型，取得不錯(cuò)的成績(jī)。

2.2 相關(guān)圖像處理及導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展

傳統(tǒng)骨折手術(shù)中手術(shù)醫(yī)生只能根據(jù)實(shí)時(shí)透視獲取的二維圖像結(jié)合自身手術(shù)經(jīng)驗(yàn)推測(cè)患者骨折端的立體位置關(guān)系，以便進(jìn)一步操作，手術(shù)精度因人而異，很難控制。

近年來(lái)，圖像處理技術(shù)取得了很大進(jìn)步，主要體現(xiàn)在圖像識(shí)別、分割、重建、配準(zhǔn)、融合和傳輸?shù)确矫?。圖像識(shí)別分割技術(shù)已經(jīng)達(dá)到可形成包含解剖結(jié)構(gòu)和生理功能的重建圖像水平，為手術(shù)醫(yī)生提供了更加直觀、生動(dòng)的畫面；在配準(zhǔn)定位融合方面，解剖標(biāo)志注冊(cè)技術(shù)（anatomical registration）已發(fā)展成熟，縮短了配準(zhǔn)融合時(shí)間的同時(shí)大大提高了精度[45]。

隨著圖像處理技術(shù)的進(jìn)步，基于計(jì)算機(jī)運(yùn)算的機(jī)器人定位方法也得到了發(fā)展提高，借助定位機(jī)器人，手術(shù)醫(yī)生可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)圖像快速準(zhǔn)確地進(jìn)行髓內(nèi)釘鎖定等操作。其他應(yīng)用的導(dǎo)航技術(shù)還有光學(xué)導(dǎo)航、電磁定位導(dǎo)航和超聲定位導(dǎo)航。光學(xué)導(dǎo)航是最真實(shí)的導(dǎo)航技術(shù)，但手術(shù)中往往由于各種因素遮擋導(dǎo)致其不能很好地發(fā)揮作用，這個(gè)不足可以通過合理地布局和規(guī)劃進(jìn)行改善。電磁導(dǎo)航是一種無(wú)輻射、快速、精準(zhǔn)可靠的方式[46]，主要用于髓內(nèi)釘鎖定孔的定位，此外，還可以提供顯示髓內(nèi)釘遠(yuǎn)端鎖定孔的位置及方向的三維實(shí)時(shí)位姿情況[47-48]。這些技術(shù)的發(fā)展有力地保證和提高了手術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性，減少了射線暴露時(shí)間。

3 展望

目前，部分長(zhǎng)骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人的研究成果已經(jīng)進(jìn)入臨床實(shí)驗(yàn)階段，但距離大范圍推廣使用還有一定差距，復(fù)位機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型和配套的圖像處理技術(shù)及導(dǎo)航技術(shù)還有進(jìn)一步提高的空間。

長(zhǎng)骨骨折復(fù)位機(jī)器人發(fā)展可在這幾個(gè)方向嘗試：（1）發(fā)展多模態(tài)示蹤導(dǎo)航系統(tǒng)。在提高抗干擾能力的前提下，以光學(xué)示蹤導(dǎo)航為主、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為輔，提高診斷的準(zhǔn)確性和手術(shù)的安全性、精確性。（2）設(shè)計(jì)更加科學(xué)的復(fù)位結(jié)構(gòu)模型。既要擁有足夠的剛性以對(duì)抗復(fù)位過程中肌肉和組織的牽引力，又要保證復(fù)位動(dòng)作的精確靈活。（3）控制單元與執(zhí)行單元分開。引進(jìn)最新的無(wú)線通信控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，減少人員X線暴露時(shí)間，也可進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)太空、海底、極地、邊遠(yuǎn)地區(qū)等異地控制[49]，避免轉(zhuǎn)診，節(jié)約醫(yī)療成本，充分發(fā)揮有限的專家資源，提高醫(yī)療效率。（4）改變供電模式。應(yīng)用最新的電池技術(shù)，選用可快速更換和快速充電的電池模塊，避免使用線纜供電，一方面有利于消毒滅菌，另一方面節(jié)省有限的手術(shù)空間。（5）實(shí)現(xiàn)多種工作模式。實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)、半自動(dòng)、主從式控制等多種工作控制模式自由切換，滿足不同手術(shù)醫(yī)生的使用習(xí)慣。（6）模塊化設(shè)計(jì)。針對(duì)不同骨折類型，可快速更換模塊，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)接口，預(yù)留DICOM圖像接口，遠(yuǎn)程圖像、指令傳輸接口等。

從目前國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)驗(yàn)進(jìn)展情況來(lái)看，長(zhǎng)骨骨干骨折復(fù)位機(jī)器人的發(fā)展比其他領(lǐng)域醫(yī)療機(jī)器人緩慢，但這并不能限制此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見在未來(lái)幾年，將有多種機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于長(zhǎng)骨骨干骨折臨床復(fù)位實(shí)驗(yàn)，在提高骨折復(fù)位精度、減少X線暴露時(shí)間、減小手術(shù)創(chuàng)傷、降低手術(shù)醫(yī)生的體力支出方面作出巨大貢獻(xiàn)。