骨科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展綜述

于洪健 李 乾 杜志江

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱，150080）

0 引言

骨科手術(shù)是典型的硬組織操作手術(shù)，手術(shù)術(shù)式繁多、臨床需求廣泛。骨科手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)成為推動(dòng)骨科手術(shù)個(gè)性化、精準(zhǔn)化、微創(chuàng)化發(fā)展的核心裝備與技術(shù)，其操作對(duì)象屬于人體硬組織，在物理學(xué)中可視為剛體，因此骨科手術(shù)機(jī)器人也可稱為“硬組織操作機(jī)器人”。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，極大的推動(dòng)了現(xiàn)代骨科學(xué)與骨科手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，如計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與醫(yī)學(xué)影像技術(shù)在臨床骨科中的融合應(yīng)用，促進(jìn)了“計(jì)算機(jī)輔助骨科手術(shù)（Computer Assisted Orthopedic Surgery，CAOS）”的發(fā)展；其核心技術(shù)圖像引導(dǎo)手術(shù)IGS（Image guided Surgery），通過X光或CT影像信息作為主要數(shù)據(jù)載體，結(jié)合空間定位導(dǎo)航技術(shù)對(duì)患部位置信息及手術(shù)工具位姿信息進(jìn)行跟蹤，可實(shí)現(xiàn)高精度術(shù)中導(dǎo)航。而機(jī)器人技術(shù)與圖像引導(dǎo)技術(shù)的結(jié)合與應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)了機(jī)器人輔助骨科手術(shù)（Robotic Assisted Orthopedic Surgery）的發(fā)展，機(jī)器人可以依據(jù)醫(yī)學(xué)影像信息直接進(jìn)行手術(shù)操作規(guī)劃、定位及控制，實(shí)現(xiàn)輔助或自主手術(shù)操作。

骨科手術(shù)屬于深部手術(shù)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作對(duì)象為骨性剛體結(jié)構(gòu)，故對(duì)操作精度要求高，而且手術(shù)術(shù)式多樣、操作流程復(fù)雜、操作需求繁多。骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)通常由影像系統(tǒng)、手術(shù)規(guī)劃導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)器臂操作系統(tǒng)三大部分組成，其中影像系統(tǒng)由X光機(jī)或CT等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)手術(shù)部位空間位置信息的透視，并通過定位標(biāo)靶實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)信息由圖像坐標(biāo)系到機(jī)器人坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，為機(jī)器人系統(tǒng)操作提供基礎(chǔ)位置信息，因此圖像分辨率（精度）及質(zhì)量、影像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度，對(duì)機(jī)器人手術(shù)操作精度具有重要影響。

手術(shù)規(guī)劃導(dǎo)航系統(tǒng)依據(jù)醫(yī)學(xué)影像所提供的信息進(jìn)行手術(shù)操作規(guī)劃，這個(gè)過程可根據(jù)手術(shù)術(shù)式的不同由醫(yī)生主導(dǎo)完成或機(jī)器人自主完成，也可依據(jù)手術(shù)規(guī)劃信息引導(dǎo)機(jī)器人完成手術(shù)操作，目前在臨床領(lǐng)域通常利用光學(xué)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)航系統(tǒng)精度可達(dá)0.05mm～0.5mm。

機(jī)械臂操作系統(tǒng)為機(jī)器人的控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可依據(jù)手術(shù)規(guī)劃信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，完成手術(shù)操作。在手術(shù)過程中，機(jī)器人依據(jù)導(dǎo)航信息跟蹤末端工具狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)術(shù)中保護(hù)，因此導(dǎo)航系統(tǒng)是機(jī)器人空間定位的關(guān)鍵一環(huán)。

1 骨科手術(shù)機(jī)器人類型

骨科手術(shù)機(jī)器人操作對(duì)象與傳統(tǒng)機(jī)器人操作對(duì)象的屬性是一致的（同為剛體），這使得機(jī)器人技術(shù)在該領(lǐng)域的臨床應(yīng)用具有天然優(yōu)勢(shì)，因此骨科手術(shù)機(jī)器人也是最早實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的手術(shù)機(jī)器人之一。機(jī)器人進(jìn)入骨科領(lǐng)域可追溯到20世紀(jì)80年代，其表現(xiàn)出良好的臨床實(shí)用性，對(duì)提高手術(shù)精度、減小手術(shù)損傷、減輕醫(yī)生強(qiáng)度具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外已有多家研究機(jī)構(gòu)開發(fā)出骨科手術(shù)機(jī)器人原型系統(tǒng)，而且部分系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

根據(jù)現(xiàn)有骨科手術(shù)分類方法，骨科手術(shù)機(jī)器人可分為關(guān)節(jié)骨科、創(chuàng)傷骨科與脊柱外科手術(shù)機(jī)器人。

1.1 關(guān)節(jié)骨科手術(shù)機(jī)器人

關(guān)節(jié)骨科手術(shù)機(jī)器人是最早實(shí)現(xiàn)技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用的骨科手術(shù)機(jī)器人，按照操作控制方式可分為主動(dòng)操作型和主動(dòng)約束型。

1986年，美國(guó)IBM Thomas J. Watson研究中心和加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校聯(lián)合開發(fā)出一種用于髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)的精密系統(tǒng)；1992年，雙方成立Integrated Surgical Systems公司，并以上述技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)出骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)ROBODOC（如圖1a），該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用，并于2008年獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）許可。ROBODOC是主動(dòng)操作型機(jī)器人的典型代表，以水平關(guān)節(jié)型串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合末端工具，可實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)置換手術(shù)操作；還可依據(jù)術(shù)前3D規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主手術(shù)操作，輔助骨骼成形、假體定位和置入。

1997年，德國(guó)Orto Maquet公司研發(fā)出CASPAR（Computer Assisted Surgical Planning and Robotics）機(jī)器人系統(tǒng)（如圖1b），該系統(tǒng)采用工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并增加了前交叉韌帶修復(fù)術(shù)術(shù)式，功能類似于ROBODOC，兩者均為主動(dòng)型操作機(jī)器人，可依據(jù)手術(shù)規(guī)劃自主完成骨骼成形操作，但由于安全性、手術(shù)效率、準(zhǔn)備時(shí)間等問題限制了該系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。

2001年，英國(guó)Acrobot公司的ACROBOT（Active Constraint Robot）機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)臨床試驗(yàn)（如圖1c），該系統(tǒng)技術(shù)由英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)于1992年開發(fā)。ACROBOT首次采用主動(dòng)約束式控制方式（Surgeon-guided）來實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作，機(jī)器人依據(jù)術(shù)前3D影像進(jìn)行重建、分割及手術(shù)規(guī)劃；術(shù)中基于配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，將術(shù)前規(guī)劃信息映射到手術(shù)操作區(qū)域，并由機(jī)器人提供操作區(qū)域約束，再由醫(yī)生拖拽實(shí)現(xiàn)骨骼成形操作。

2013年，全球骨科醫(yī)療科技公司巨頭Stryker收購(gòu)MAKO Surgical公司及其RIO（Robotic Arm Interactive Orthopedic）關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)（如圖1d），該系統(tǒng)于2015年獲得美國(guó)FDA許可。RIO機(jī)器人系統(tǒng)同樣采用主動(dòng)約束控制方式實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)切除術(shù)，在機(jī)械臂設(shè)計(jì)中其更注重人機(jī)交互操作的柔順性，機(jī)械臂具有6自由度，采用絲傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過各自由度的平衡設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的柔順交互操作。

相比于主動(dòng)操作型機(jī)器人，主動(dòng)約束型手術(shù)機(jī)器人更好利用了機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，通過主動(dòng)約束保障關(guān)節(jié)切除操作的邊界控制，提高手術(shù)安全性，并且利用醫(yī)生引導(dǎo)的拖拽操作，使整個(gè)手術(shù)過程連續(xù)、可控。因此，主動(dòng)約束型手術(shù)機(jī)器人具有更好的臨床可操作性、適應(yīng)性及安全性。

圖1 關(guān)節(jié)骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

1.2 脊柱外科手術(shù)機(jī)器人

脊柱外科手術(shù)機(jī)器人目前主要針對(duì)的臨床術(shù)式為椎弓根釘固定術(shù)，機(jī)器人借助醫(yī)學(xué)影像規(guī)劃實(shí)現(xiàn)空間精準(zhǔn)定位，自主完成或?qū)бt(yī)生完成植入通道鉆制操作。脊柱手術(shù)機(jī)器人以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、微創(chuàng)手術(shù)為首要目標(biāo)，通過機(jī)器人精準(zhǔn)定位可以減小患者手術(shù)過程中的開口大小，減少神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)，最大限度地實(shí)現(xiàn)手術(shù)操作的精準(zhǔn)度和安全性。

最早實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用的脊柱外科手術(shù)機(jī)器人是以色列Mazor Robotics的SpineAssist機(jī)器人系統(tǒng)，如圖2a所示。該系統(tǒng)采用6自由度 Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型，直徑50mm，高80mm，重250g，重復(fù)定位精度0.01mm。輕量化、小型化的設(shè)計(jì)，使SpineAssist機(jī)器人在執(zhí)行手術(shù)操作時(shí)可直接置于患者的脊柱上，免受椎體位置變動(dòng)的影響，同時(shí)基于革命性的“Hover-T橋”技術(shù)，使系統(tǒng)安裝過程更便捷、適應(yīng)性更強(qiáng)。2004年，SpineAssist通過美國(guó)FDA和歐盟CE認(rèn)證，2011年升級(jí)為Renaissance系統(tǒng)（如圖2b），可實(shí)現(xiàn)術(shù)中2D及3D導(dǎo)航。

2016年，美國(guó)美敦力（Medtronic）公司推出Mazor X Stealth機(jī)器人系統(tǒng)（如圖2c），該系統(tǒng)購(gòu)自以色列醫(yī)療設(shè)備公司Mazor Robotics。Mazor X Stealth采用串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)椎弓根釘植入導(dǎo)航操作，相比SpineAssist及Renaissance系統(tǒng)，其具有更高的系統(tǒng)剛度，手術(shù)操作注冊(cè)及準(zhǔn)備時(shí)間更短。

同樣采用串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的脊柱外科手術(shù)機(jī)器人還有美國(guó)Zimmer Biomet公司的ROSA機(jī)器人系統(tǒng)及Globus Medical 公司的ExcelsiusGPS機(jī)器人系統(tǒng)。

圖2 脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

國(guó)內(nèi)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人的研究起步稍晚，近年成為國(guó)內(nèi)醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并取得了一定的成果。其中，最具代表性的機(jī)器人系統(tǒng)有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱哈工大）的脊柱手術(shù)機(jī)器人（如圖3a）、積水潭醫(yī)院及天智航公司聯(lián)合開發(fā)的天璣脊柱手術(shù)機(jī)器人（如圖3b）；其余代表性研究機(jī)構(gòu)包括中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、北京航空航天大學(xué)（以下簡(jiǎn)稱北航）等。

圖3 國(guó)內(nèi)脊柱外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

1.3 創(chuàng)傷骨科手術(shù)機(jī)器人

創(chuàng)傷骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)主要應(yīng)用于長(zhǎng)肢骨骨折復(fù)位手術(shù)，基于醫(yī)學(xué)影像引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷骨的復(fù)位操作。其按照機(jī)器人構(gòu)型可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種，國(guó)外串聯(lián)型機(jī)器人代表包括：德國(guó)漢諾威大學(xué)及日本東京大學(xué)研制的骨折復(fù)位手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)（如圖4a、4b）。

德國(guó)漢諾威大學(xué)引入遙操作概念，通過力反饋手柄操作Staubli工業(yè)機(jī)器人，并結(jié)合光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)和術(shù)中3D影像采集C型臂（一種便捷x光機(jī)）完成骨折的配準(zhǔn)；日本東京大學(xué)研制的機(jī)器人輔助骨折復(fù)位系統(tǒng)FRAC-Robo，通過帶有力反饋裝置的6自由度串聯(lián)機(jī)器人、足靴固定足部，牽引下肢完成股骨干骨折復(fù)位。

在國(guó)內(nèi)，哈工大研制出用于骨干骨折復(fù)位的6-PTRT型并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)（如圖4c），并通過人體模型骨和人體標(biāo)本試驗(yàn)制定了臨床復(fù)位手術(shù)方案；北航研制出用于股骨干骨折的復(fù)位雙平面導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)（如圖4d），并針對(duì)脛骨髓內(nèi)釘手術(shù)、股骨髓內(nèi)釘手術(shù)、骨盆骶髂關(guān)節(jié)螺釘手術(shù)和股骨頸空心釘手術(shù)，開展臨床應(yīng)用研究；中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院（301醫(yī)院）構(gòu)建了基于Stewart平臺(tái)的長(zhǎng)骨骨折復(fù)位機(jī)器人系統(tǒng)（如圖4e）和基于UR機(jī)械臂的通用定位機(jī)器人系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)均采用基于視覺導(dǎo)航下點(diǎn)云配準(zhǔn)的策略，已完成模型及標(biāo)本試驗(yàn)。

圖4 創(chuàng)傷骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

創(chuàng)傷骨科手術(shù)機(jī)器人是一種較早開展研究的手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，然而由于骨折手術(shù)分型的多樣性，造成手術(shù)需求復(fù)雜，使得現(xiàn)有機(jī)器人系統(tǒng)難以滿足實(shí)際手術(shù)需求，因此創(chuàng)傷骨科機(jī)器人目前還沒有實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用與產(chǎn)品化推廣。

2 關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器人輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)作為一種新型的骨科手術(shù)方案，早在上個(gè)世紀(jì)就被提出，其使用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制、跟蹤[1-2]。這種方法的目的是在手術(shù)視野和手術(shù)路徑受限的情況下，可以高精度、高安全性地完成骨科手術(shù)。針對(duì)不同的手術(shù)術(shù)式，盡管骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)使用的具體技術(shù)方法、手術(shù)流程和機(jī)器人控制方法不同，但這些系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)理念具有很高的相似性。如圖5所示，在一般的機(jī)器人輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)虛擬對(duì)象、導(dǎo)航系統(tǒng)和病灶物理對(duì)象是3個(gè)必不可少的重要組成部分，而圖像與規(guī)劃技術(shù)、導(dǎo)航配準(zhǔn)技術(shù)和目標(biāo)跟蹤技術(shù)則是手術(shù)過程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

圖5 機(jī)器人輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)組成及其關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖像與規(guī)劃技術(shù)

機(jī)器人輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)相對(duì)于普通外科手術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)是：醫(yī)生可以在一個(gè)相對(duì)具象的計(jì)算機(jī)虛擬對(duì)象上進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃，基于此，機(jī)器人可完成手術(shù)的部分或全部操作。上述多數(shù)的虛擬對(duì)象來自于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)從時(shí)間上可分為術(shù)前和術(shù)中兩種。幾年前，大多數(shù)骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)都使用術(shù)前CT圖像生成三維虛擬對(duì)象，但也有一些使用核磁共振MRI圖像的例子[3-4]。與MRI相比，CT圖像可以更加清晰地對(duì)比骨組織和其他軟組織，圖像質(zhì)量較高，但是對(duì)患者的輻射劑量較大。近來，研究者們普遍認(rèn)識(shí)到術(shù)前圖像的局限性：圖像采集和實(shí)際手術(shù)之間的時(shí)間差會(huì)導(dǎo)致手術(shù)精度下降，因此關(guān)于術(shù)中圖像的研究越來越多，包括術(shù)中二維圖像和術(shù)中三維圖像。

相較于CT圖像，C型臂采集的二維透射圖像具有更低的輻射劑量，基于這種虛擬透視圖像的導(dǎo)航系統(tǒng)在很多創(chuàng)傷骨科手術(shù)中得到應(yīng)用。但是由于其配準(zhǔn)方法復(fù)雜，實(shí)際規(guī)劃起來有很多問題，尤其在面向椎板減壓術(shù)和關(guān)節(jié)置換術(shù)等磨削類手術(shù)時(shí)，更是無法直接在這種虛擬透視圖像上進(jìn)行規(guī)劃。為解決這些問題，一種新型的術(shù)中三維成像設(shè)備被研制出來[5]，該設(shè)備由一個(gè)電機(jī)和C型臂組成，可以在一定時(shí)間內(nèi)連續(xù)采集50-100張二維透視圖像，并從中重建出一個(gè)三維CT數(shù)據(jù)。該采集的數(shù)據(jù)可以有效解決上述問題，被認(rèn)為是一種理想的虛擬對(duì)象。目前，這種設(shè)備已經(jīng)在幾種手術(shù)的導(dǎo)航系統(tǒng)中成功應(yīng)用[6-7]。

在使用三維虛擬對(duì)象進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，手術(shù)系統(tǒng)一般需要對(duì)所關(guān)心的組織、解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行圖像分割處理和三維重建顯示，以更加直觀的形式展示病灶。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，一些基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的方法被提出，這些方法能從醫(yī)學(xué)圖像中分割出特定的組織或器官，例如，針對(duì)人工耳蝸植入手術(shù)，伯爾尼大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)從CT圖像中分割出面神經(jīng)，并在規(guī)劃和手術(shù)中對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行規(guī)避[8]。

2.2 導(dǎo)航配準(zhǔn)技術(shù)

導(dǎo)航系統(tǒng)是骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的核心部分，它是連接病灶物理對(duì)象和計(jì)算機(jī)虛擬對(duì)象的紐帶，可將醫(yī)生在計(jì)算機(jī)虛擬對(duì)象上的規(guī)劃轉(zhuǎn)換至病灶物理對(duì)象坐標(biāo)系上，這個(gè)過程也被稱作導(dǎo)航配準(zhǔn)。在不同的骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中，由于手術(shù)方式不同、設(shè)備不同，配準(zhǔn)方法也不相同[9]。

最簡(jiǎn)單的配準(zhǔn)方法是由醫(yī)生在虛擬對(duì)象上選擇一些解剖標(biāo)志點(diǎn)，并通過跟蹤儀的探頭拾取病灶物理對(duì)象上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)憑借此計(jì)算出兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系[10]。雖然這種方法的數(shù)學(xué)求解較為簡(jiǎn)單，但是由于醫(yī)生在兩個(gè)對(duì)象上拾取點(diǎn)的一致性不高，可能導(dǎo)致配準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度較低。如果把一些人造標(biāo)志點(diǎn)植入到患者體內(nèi)，則可以很好地解決這個(gè)問題，因?yàn)檫@些標(biāo)記點(diǎn)在虛擬對(duì)象和物理對(duì)象中都便于醫(yī)生選取[11]。然而，在患者體內(nèi)植入標(biāo)志點(diǎn)可能會(huì)引發(fā)額外的感染風(fēng)險(xiǎn)和不適感，因此這些方法還未被大范圍推廣[12]。

此外，還有一些機(jī)器人系統(tǒng)利用手術(shù)中采集的幾張不同位置的X光片實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)，這些X光片在經(jīng)過圖片校正后共同配準(zhǔn)到3D虛擬對(duì)象上，即所謂的2D-3D配準(zhǔn)[9]。比如，在一些系統(tǒng)中，醫(yī)生憑借幾張二維透視圖像就可以完成規(guī)劃任務(wù)，因此直接將幾張術(shù)中的X光片作為虛擬對(duì)象進(jìn)行配準(zhǔn)也是一種可行的方法[13]。

術(shù)中超聲圖像具有實(shí)時(shí)性、無輻射等優(yōu)點(diǎn)，一些研究者在骨科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)中利用校準(zhǔn)后的超聲設(shè)備，獲取患者病灶處骨組織的形貌，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航配準(zhǔn)。具體地，超聲設(shè)備有兩種不同的追蹤模式：基于振幅的A模式和基于亮度的B模式。在A模式下，醫(yī)生需要保持超聲探頭垂直于待測(cè)量骨的表面，這在軟組織過厚時(shí)較為困難，另外，測(cè)量精度取決于超聲波在人體組織中的傳播速度，但是這在不同患者之間具有差異性，需要有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐才能實(shí)現(xiàn)[14-15]，因此該模式下的導(dǎo)航配準(zhǔn)成功應(yīng)用較為罕見。而B模式則可以掃描一個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)的組織，更加方便醫(yī)生使用，但這種圖像通常較為嘈雜，需要進(jìn)行額外的處理[16]。

值得指出的是，如果虛擬對(duì)象是在手術(shù)過程中采集得到的，并且采集過程中成像設(shè)備與患者物理坐標(biāo)系的相對(duì)關(guān)系被一些位姿追蹤設(shè)備實(shí)時(shí)獲取，那么在手術(shù)過程中每時(shí)刻采集得到的圖像都可以直接建立到患者物理坐標(biāo)系中，這時(shí)的配準(zhǔn)過程會(huì)更加簡(jiǎn)單[9]。

2.3 目標(biāo)跟蹤技術(shù)

在一些手術(shù)系統(tǒng)中，為了實(shí)時(shí)跟蹤患者在手術(shù)中可能出現(xiàn)的位移或者呼吸運(yùn)動(dòng)，會(huì)采用相應(yīng)的跟蹤設(shè)備。在一些早期骨科手術(shù)中，基于聲學(xué)、磁學(xué)和機(jī)械方法等的跟蹤設(shè)備被使用，而現(xiàn)在，大多數(shù)骨科手術(shù)系統(tǒng)使用的是基于紅外光的主動(dòng)/被動(dòng)跟蹤設(shè)備：前者使用一種能夠主動(dòng)發(fā)射紅外光的LED作為跟蹤點(diǎn)，后者則使用一種能夠反光的球作為跟蹤點(diǎn)，通過對(duì)這些點(diǎn)的跟蹤以及從中識(shí)別出的特定幾何形狀，跟蹤器可以獲取多個(gè)坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。此外，還有一些研究者從視頻信息中獲取已知幾何形狀物體的位置，這是一種可以代替紅外光光學(xué)跟蹤器的簡(jiǎn)單方法[17-18]。

然而，上述光學(xué)跟蹤設(shè)備要求在手術(shù)過程中跟蹤器和被跟蹤點(diǎn)之間不能有視線遮擋，這需要醫(yī)生在手術(shù)過程中做出相應(yīng)的調(diào)整。針對(duì)此問題，基于電磁的跟蹤系統(tǒng)被提出，其系統(tǒng)內(nèi)置的磁場(chǎng)發(fā)生器可在手術(shù)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)，并且對(duì)放置在這個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)的接收線圈的位置、姿態(tài)進(jìn)行測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤的目的，不需要擔(dān)心視線遮擋問題，更加方便醫(yī)生操作。但由于磁場(chǎng)很容易受到干擾，一些可能在手術(shù)中使用的金屬物體會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生較大影響[19-20]。

近來，基于慣性的跟蹤設(shè)備在一些骨科手術(shù)中被成功應(yīng)用，例如膝關(guān)節(jié)置換術(shù)[21]、椎弓根固定術(shù)[22]和髖臼周圍截骨術(shù)[23]等。這種方法不存在視線遮擋和電磁干擾的問題，但是定位精度較低，并且測(cè)量計(jì)算較為復(fù)雜。

3 小結(jié)

骨科手術(shù)機(jī)器人自上個(gè)世紀(jì)以來得到長(zhǎng)足發(fā)展，而且針對(duì)部分手術(shù)的骨科手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)成功應(yīng)用于臨床，但由于手術(shù)系統(tǒng)精度、患者手術(shù)安全等問題尚未得到完全解決，目前所取得的成績(jī)遠(yuǎn)非理想目標(biāo)?？上驳氖?，近年來許多智能設(shè)備、醫(yī)療機(jī)器人和人工智能技術(shù)逐漸成熟，這些將為骨科手術(shù)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供更多的技術(shù)支持。