機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)三維定位導(dǎo)航

張峰峰，陳龍，楊詩怡，于凌濤，干旻峰，詹蔚，孫立寧

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州大學(xué) 蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215123；3.哈爾濱工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；4.蘇州大學(xué) 附屬第一醫(yī)院，江蘇 蘇州 215000)

傳統(tǒng)的脊柱手術(shù)需要暴露患者的脊柱或通過基于術(shù)中X光圖像的手術(shù)導(dǎo)航來實(shí)現(xiàn)標(biāo)記點(diǎn)的放置，給患者的心理和身體帶來了痛苦[1-3]。目前隨著醫(yī)學(xué)影像、光學(xué)追蹤及機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)明顯不能適應(yīng)時代的需求。憑借術(shù)前病人的脊柱CT與術(shù)中病人脊柱的X光圖來完成三維圖像和二維圖像的實(shí)時配準(zhǔn)來定位病灶點(diǎn)的位置。這一技術(shù)雖然可以幫助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)，但由于術(shù)中引入X光圖來進(jìn)行手術(shù)導(dǎo)航，無疑是給醫(yī)生和患者增加了被輻射的風(fēng)險，對患者造成二次傷害。目前許多研究引入機(jī)器人輔助三維導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行病灶點(diǎn)位置的精確定位及手術(shù)路徑的規(guī)劃，在臨床上具有長遠(yuǎn)的意義[4-6]，但仍然沒有徹底解決術(shù)中病人和醫(yī)生的輻射問題。因此，如何能夠降低或消除輻射對病人的影響成了目前手術(shù)導(dǎo)航研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)[7]。三維結(jié)構(gòu)光技術(shù)主要指通過投影儀投射特定的光學(xué)圖案到被測物體表面，由相機(jī)對其進(jìn)行信息采集，最終實(shí)現(xiàn)對被測物體的表面三維重建。三維結(jié)構(gòu)光技術(shù)經(jīng)過這些年的發(fā)展，在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域逐漸嶄露頭角[8-10]。隨著圖像引導(dǎo)手術(shù)導(dǎo)航和三維結(jié)構(gòu)光技術(shù)的快速發(fā)展，未來將三維結(jié)構(gòu)光技術(shù)用于術(shù)中病人脊柱表面信息的采集，可能會成為一種趨勢[11]。相比于利用X光機(jī)對病人術(shù)中脊柱拍攝X光圖，基于三維結(jié)構(gòu)光技術(shù)的病人脊柱表面信息的采集則是在完全無輻射的情況下進(jìn)行，同時具有高效率和高精度的特點(diǎn)。在術(shù)中通過結(jié)構(gòu)光掃描儀掃描脊柱來實(shí)時提供脊柱表面三維重建圖像。與術(shù)前CT圖像進(jìn)行實(shí)時配準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，融合了光學(xué)跟蹤設(shè)備進(jìn)行實(shí)時獲取手術(shù)器械和患者的病灶點(diǎn)之間的相對位置關(guān)系，使其能夠?qū)崟r顯示在可視化的三維空間軟件中[12-15]。醫(yī)生可以在三維導(dǎo)航軟件上進(jìn)行脊柱病灶點(diǎn)的三維可視化觀察，同時可以進(jìn)行手術(shù)路徑的規(guī)劃，能夠更精確的定位和切除病灶點(diǎn)[16-20]。

本文設(shè)計了機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)的三維定位導(dǎo)航系統(tǒng)并進(jìn)設(shè)計了脊柱穿刺定位實(shí)驗(yàn)。利用結(jié)構(gòu)光圖像代替術(shù)中X光圖像，同時在CT和結(jié)構(gòu)光掃描的圖像的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行三維手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的軟、硬件模塊的深入研究。對基于三維結(jié)構(gòu)光掃描的脊柱三維重建圖像的精度以及術(shù)前CT和術(shù)中結(jié)構(gòu)光圖像的配準(zhǔn)精度進(jìn)行定量分析，同時進(jìn)行各個模塊的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系分析，將規(guī)劃的路徑坐標(biāo)傳送給機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手術(shù)路徑的規(guī)劃和病灶點(diǎn)的精確定位。最后設(shè)計穿刺定位位置和姿態(tài)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證機(jī)器人輔助的三維導(dǎo)航系統(tǒng)精度。

1 機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)三維導(dǎo)航系統(tǒng)

1.1 硬件組成

整個三維機(jī)器人輔助導(dǎo)航系統(tǒng)主要由以下硬件組成：結(jié)構(gòu)光掃描儀、脊柱模型、工作站、機(jī)器人、可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)(s7-200)、顯示器、手術(shù)臺和NDI光學(xué)跟蹤器,如圖1所示。其中NDI光學(xué)跟蹤器主要獲取手術(shù)器械、患者病灶點(diǎn)、結(jié)構(gòu)光掃描儀等之間的相對位置關(guān)系。三維結(jié)構(gòu)光掃描儀主要用于拍取實(shí)驗(yàn)過程中脊柱模型圖像，能夠?qū)崟r重建脊柱表面的三維信息，為實(shí)驗(yàn)過程中的配準(zhǔn)環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。機(jī)器人主要用于代替人手完成脊柱模型病灶點(diǎn)的穿刺，減小人為操作存在的隨機(jī)誤差。為了方便實(shí)驗(yàn)和更真實(shí)的模擬實(shí)際的手術(shù)環(huán)境，選取部分脊柱模型噴上白漆標(biāo)記作為實(shí)驗(yàn)操作的對象，將不屬于脊柱部分的尾骨去除。

圖1 脊柱手術(shù)三維導(dǎo)航系統(tǒng)的硬件組成Fig.1 Hardware composition of three-dimensional navigation system for spinal surgery

1.2 軟件組成

在基于MFC的基礎(chǔ)之上融合了VTK、ITK可視化軟件安裝包，用Visual studio 2010編寫了脊柱手術(shù)的三維手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)軟件的操作界面。手術(shù)路徑規(guī)劃模塊、三維重建模塊以及3D-3D配準(zhǔn)模塊構(gòu)成了三維導(dǎo)航系統(tǒng)的軟件部分。

1.2.1 術(shù)前CT和術(shù)中基于結(jié)構(gòu)光掃描的脊柱三維重建模塊

基于術(shù)前CT的脊柱模型三維重建的流程如下：首先，在實(shí)驗(yàn)前通過CT機(jī)對脊柱模型進(jìn)行拍攝，將CT切片導(dǎo)入工作站。然后，通過VTK軟件包讀取CT切片的相關(guān)信息。最后分別采用體繪制和面繪制的方法對脊柱模型進(jìn)行三維重建。具體基于CT的術(shù)前脊柱模型三維重建的效果如圖2(a)所示。

基于術(shù)中三維結(jié)構(gòu)光掃描的脊柱模型三維重建流程為：1)通過三維結(jié)構(gòu)光掃描儀的投影儀向脊柱模型投射編碼圖案；2)通過雙目結(jié)構(gòu)光相機(jī)進(jìn)行脊柱表面信息的采集，傳入到工作站，進(jìn)行解碼；3)將得到的脊柱表面三維點(diǎn)云信息顯示在顯示器中。具體的基于結(jié)構(gòu)光三維重建效果如圖2(b)所示。

1.2.2 3D-3D配準(zhǔn)模塊

首先通過三維重建模塊投射一定的初始配準(zhǔn)參數(shù)，將術(shù)前拍攝的脊柱模型的CT切片進(jìn)行三維重建。然后通過結(jié)構(gòu)光掃描儀對術(shù)中脊柱進(jìn)行實(shí)時掃描，進(jìn)行脊柱表面的點(diǎn)云信息采集，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行基于VTK的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維曲面重建。最后將基于結(jié)構(gòu)光的術(shù)中脊柱三維曲面與術(shù)前CT重建的脊柱模型圖像進(jìn)行相似性測度值計算，設(shè)定一個相似性測度值，當(dāng)二者的配準(zhǔn)結(jié)果不滿足相似性測度值時，再調(diào)整初始的配準(zhǔn)參數(shù)，使其能夠滿足相似性測度的要求。具體配準(zhǔn)流程如圖3所示。

圖2 脊柱模型的三維重建效果Fig.2 The effect of three-dimensional reconstruction of spinal model

圖3 3D-3D圖像配準(zhǔn)的流程Fig.3 3D-3D image registration process

1.2.3 脊柱手術(shù)的路徑規(guī)劃模塊

運(yùn)行三維手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)軟件，根據(jù)預(yù)先的設(shè)置規(guī)劃脊柱手術(shù)路徑。通過3D-3D的配準(zhǔn)模塊所獲得的參數(shù)將預(yù)先規(guī)劃好的手術(shù)路徑的兩端坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到三維結(jié)構(gòu)光光掃描儀的坐標(biāo)系中。根據(jù)三維結(jié)構(gòu)光掃描儀到星狀剛體的標(biāo)定和校準(zhǔn)參數(shù)，使其從三維結(jié)構(gòu)光掃描儀坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到星狀剛體坐標(biāo)系中。使用NDI光學(xué)跟蹤器實(shí)時獲取脊柱模型上的被動剛體和機(jī)器人末端手術(shù)器械上的被動剛體之間位姿關(guān)系。同時實(shí)時獲取脊柱模型和星狀剛體之間的相對位姿。通過一系列轉(zhuǎn)換，可以將術(shù)前規(guī)劃的手術(shù)路徑的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系，從而進(jìn)一步控制機(jī)器人按照既定的路線進(jìn)行手術(shù)穿刺。

2 三維導(dǎo)航系統(tǒng)各模塊之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系分析

在光學(xué)掃描儀上安裝1個星狀的剛體，剛體內(nèi)嵌有紅外發(fā)射二極管。通過NDI光學(xué)跟蹤定位系統(tǒng)對星狀剛體進(jìn)行標(biāo)定和識別，實(shí)時建立剛體的位置和方位。通過1個校準(zhǔn)過程確定結(jié)構(gòu)光掃描儀到星狀剛體的轉(zhuǎn)換，只要星形發(fā)射器保持固定在結(jié)構(gòu)光掃描儀的相同位置，這種轉(zhuǎn)換就保持不變。

(1)

圖4 脊柱手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系Fig.4 Coordinate transformation relationship of spinal surgical navigation system

3 脊柱定位位置和姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

通過設(shè)計導(dǎo)航定位位置和姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)的三維導(dǎo)航系統(tǒng)精度。根據(jù)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換原理，首先完成脊柱模型的CT三維重建以及術(shù)中結(jié)構(gòu)光掃描儀實(shí)時掃描，對結(jié)構(gòu)光實(shí)時掃描得到的脊柱模型三維重建表面的精度進(jìn)行誤差定量分析。再進(jìn)行CT重建后的圖像與結(jié)構(gòu)光掃描重建后的圖像進(jìn)行3D-3D圖像的配準(zhǔn)，同時對二者之間的配準(zhǔn)誤差進(jìn)行定量分析。最終將術(shù)前規(guī)劃好的手術(shù)路徑轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系中，通過PLC控制機(jī)器人運(yùn)動到規(guī)劃的位置。通過對機(jī)器人實(shí)際穿刺的位置與理論位置之間進(jìn)行插值計算，進(jìn)一步得到定位位置和姿態(tài)的精度誤差。

3.1 基于結(jié)構(gòu)光掃描的脊柱模型表面三維重建實(shí)驗(yàn)

通過結(jié)構(gòu)光掃描儀對術(shù)中脊柱表面進(jìn)行實(shí)時掃描，獲得脊柱表面實(shí)時三維點(diǎn)云信息。在基于VTK軟件包的基礎(chǔ)之上，對三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時曲面重建。將脊柱三維重建曲面模型導(dǎo)入Geomagic studio軟件中，對其三維曲面重建精度進(jìn)行分析，得到的誤差如圖5所示。整個脊柱三維曲面重建精度的標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation，SD)為0.123 9 mm,均方根估計值為0.124 1 mm。

圖5 基于結(jié)構(gòu)光掃描的脊柱曲面三維重建誤差分析Fig.5 Error analysis of 3D reconstruction of spinal surface based on structured light scanning

3.2 3D-3D圖像配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

將術(shù)前脊柱模型的CT切片進(jìn)行三維重建，同時在術(shù)中采用結(jié)構(gòu)光掃描儀對脊柱表面實(shí)時掃描，以此獲取脊柱表面三維圖像。利用基于脊柱外部點(diǎn)、面信息，將結(jié)構(gòu)光掃描儀三維重建的脊柱表面信息與CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。使用Horn的四元數(shù)方法解決奇異值分解，使用Besl和McKay提出的迭代最近點(diǎn)算法進(jìn)行基于脊柱表面的配準(zhǔn)，并且使用k-d維樹來減少配準(zhǔn)的搜索時間。對2者的配準(zhǔn)精度進(jìn)行驗(yàn)證，得到的誤差如圖6所示。在實(shí)驗(yàn)過程中，選取200 mm長的脊柱白色段作為實(shí)驗(yàn)對象，最終2者配準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.835 6 mm,均方根估計值為2.832 8 mm。

圖6 脊柱模型3D-3D配準(zhǔn)誤差分析Fig.6 Analysis of 3D-3D registration error in spinal model

3.3 機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位位置實(shí)驗(yàn)

在脊柱模型上打孔并插入4個螺釘，通過PLC控制機(jī)器人到達(dá)規(guī)劃的位置。憑借螺釘進(jìn)行路徑的姿態(tài)規(guī)劃，利用小孔進(jìn)行路徑規(guī)劃時的定位。對理論位置的坐標(biāo)和實(shí)際位置的坐標(biāo)進(jìn)行測量并進(jìn)行差值計算。

對打孔后的脊柱模型重新拍攝CT圖像進(jìn)行三維重建。任選模型上的2 點(diǎn)規(guī)劃4條手術(shù)路徑，進(jìn)行A、B、C、D組定位位置的實(shí)驗(yàn)。利用機(jī)器人夾持手術(shù)器械到達(dá)指定的位姿，通過NDI光學(xué)跟蹤系統(tǒng)實(shí)時讀取探針的被動剛體選取的點(diǎn)的實(shí)際和理論位置的坐標(biāo)。除此以外仍需將探針尖點(diǎn)的坐標(biāo)從探針被動剛體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到NDI坐標(biāo)系下。具體的4組實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：本研究中所提出的機(jī)器人輔助脊柱手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位位置平均精度誤差和最小精度誤差分別為3.34 mm和3.23 mm。

如圖7所示對小孔位置進(jìn)行定位實(shí)驗(yàn)。如表1所示，利用NDI對探針被動剛體的位姿數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

圖7 機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位位置Fig.7 Robot-assisted navigation and location

3.4 機(jī)器人輔助導(dǎo)航位姿定位實(shí)驗(yàn)

以螺釘中軸線作為基準(zhǔn)，規(guī)劃術(shù)前的手術(shù)路徑。對實(shí)際的位姿和理論上的位姿的坐標(biāo)進(jìn)行測量，計算坐標(biāo)之間的差值。分別選取螺釘和手術(shù)器械上平行于基準(zhǔn)的2點(diǎn)，通過NDI讀取探針末端所取的點(diǎn)的坐標(biāo)。分別通過在螺釘和手術(shù)器械上尋找2點(diǎn)構(gòu)建測量向量，將螺釘2點(diǎn)之間的構(gòu)建的向量命名為向量α,將手術(shù)器械上2點(diǎn)之間的向量命名為向量β。機(jī)器人輔助定位位姿的誤差主要通過向量α和β的夾角的測量來計算。在脊柱上任選2組螺釘，每組螺釘分別進(jìn)行2種不同的手術(shù)路徑的規(guī)劃。

1)選取如圖8所示位置的螺釘，規(guī)劃2條不同的手術(shù)路徑。第1組導(dǎo)航定位位姿的實(shí)驗(yàn)，所獲的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表1 機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位位置的實(shí)驗(yàn)誤差Table 1 Experimental errors of robot-assisted navigation and location

表2 第1組定位導(dǎo)航姿態(tài)實(shí)驗(yàn)的誤差Table 2 Error of the first group of positioning and navigation attitude experiments

圖8 第1組機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位位姿Fig.8 The first group of robot-assisted navigation positioning posture

2)換位置，選取如圖9所示位置的螺釘，規(guī)劃2條不同的手術(shù)路徑。第2組機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位位姿的實(shí)驗(yàn)，所獲的具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

圖9 第2組機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位位姿Fig.9 The second group of robot-assisted navigation positioning posture

按照上述的實(shí)驗(yàn)步驟，選取2組不同位置的螺釘，共進(jìn)行了A、B、C、D共4組實(shí)驗(yàn)。通過4組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出本研究所提出的機(jī)器人輔助導(dǎo)航定位位姿的平均精度為3.10°，最小精度誤差為1.92°。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，定位導(dǎo)航的位姿基本滿足醫(yī)生臨床手術(shù)的需要。

表3 第2組定位導(dǎo)航姿態(tài)實(shí)驗(yàn)的誤差Table 3 Error of the second group of positioning and navigation attitude experiments

4 結(jié)論

1)本文提出了術(shù)中結(jié)構(gòu)光圖像與術(shù)前CT圖像三維配準(zhǔn)的方法，降低了人為操作誤差對脊柱穿刺手術(shù)的影響。同時利用結(jié)構(gòu)光圖像代替?zhèn)鹘y(tǒng)的X光圖，與術(shù)前CT圖像進(jìn)行配準(zhǔn)可以解決術(shù)中輻射過量問題。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該三維脊柱穿刺手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的定位位置的誤差為3.34±0.12 mm,其定位導(dǎo)航姿態(tài)的誤差為3.1±0.89°，基本可以滿足脊柱穿刺手術(shù)導(dǎo)航的基本需求。

2)該導(dǎo)航系統(tǒng)仍然存在一定的誤差。主要原因可能在于該導(dǎo)航系統(tǒng)的整體流程環(huán)節(jié)過多，導(dǎo)致每個環(huán)節(jié)的誤差積累，最終形成較大的誤差。

在今后的研究中，可以從下面3個方向進(jìn)行著重研究：對導(dǎo)航系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行深入研究，力求減少導(dǎo)航系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，簡化手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的流程，降低各環(huán)節(jié)誤差的累積；3D-3D配準(zhǔn)的算法進(jìn)行優(yōu)化，同時減少配準(zhǔn)時間，提高配準(zhǔn)精度；目前該研究的對象為脊柱的裸骨模型，在未來可能進(jìn)行動物或尸體實(shí)驗(yàn)的研究來進(jìn)一步對該導(dǎo)航系統(tǒng)的精度進(jìn)行驗(yàn)證。