基于仿人類思維的骨科機(jī)器人核心架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【作者】楊輝，胡凱，夏建松，朱文武，楊挺

浙江省醫(yī)療器械審評中心，杭州市，310009

0 引言

人工智能是機(jī)器對人類思維的信息過程的模擬，是人的智能的物化[1]。手術(shù)機(jī)器人是人工智能技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的典型代表，也是人工智能技術(shù)最早被應(yīng)用于實(shí)踐過程的領(lǐng)域之一，仿人類思維機(jī)器人是高度智能化的機(jī)器人，是人工智能發(fā)展到目前的一個(gè)最新階段。骨科疾病是現(xiàn)代社會的常見病和多發(fā)病，需要手術(shù)治療的骨科疾病日益增多，而傳統(tǒng)骨科手術(shù)受制于醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)和術(shù)中影像設(shè)備，存在手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)高、內(nèi)植物植入精度低、復(fù)雜術(shù)式難普及、智能設(shè)備匱乏等不足，這些會帶來骨科手術(shù)創(chuàng)傷大、并發(fā)癥多等問題。有研究報(bào)道，在傳統(tǒng)骨科手術(shù)中，徒手放置螺釘導(dǎo)致的椎弓根破壞率為3%～54.7%[2-5]，螺釘錯(cuò)位相關(guān)的并發(fā)癥，包括神經(jīng)損傷，發(fā)生在0～7%的患者中[2]。因此臨床亟需新的治療理念、手段和設(shè)備來滿足治療骨科疾病的需求，骨科機(jī)器人以其微創(chuàng)、精準(zhǔn)的特點(diǎn)為骨科疾病治療與相關(guān)研究提供了更加智能化、精準(zhǔn)化的方案，是當(dāng)前骨科臨床治療發(fā)展的一個(gè)重要方向。

然而，傳統(tǒng)用的骨科手術(shù)機(jī)器人還是存在一些弊端，例如手術(shù)過程中醫(yī)療機(jī)器人對患者進(jìn)行操作時(shí)，機(jī)器人與患者的相對位置可能并不是恒定的，機(jī)器人操作過程中患者會發(fā)生微動導(dǎo)致手術(shù)操作的不準(zhǔn)確[6]；術(shù)前基于圖像或基于CT的計(jì)算機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)已被引入指導(dǎo)椎弓根螺釘?shù)闹萌耄到y(tǒng)的失敗率仍然可高達(dá)8.5%～11%不等[7-8]。最近發(fā)展的術(shù)中CT導(dǎo)航被認(rèn)為可以提高仰臥位患者螺釘置入的準(zhǔn)確性，然而，胸腰段和骶骨椎弓根穿孔的發(fā)生率仍為3.2%～4.8%[9-10]。影像漂移即手術(shù)進(jìn)行中組織結(jié)構(gòu)移位導(dǎo)致導(dǎo)航系統(tǒng)影像與真實(shí)位置的誤差，大多數(shù)骨科機(jī)器人的導(dǎo)航系統(tǒng)會產(chǎn)生“漂移”現(xiàn)象，這也是導(dǎo)航系統(tǒng)最大的弊病，發(fā)生率可高達(dá)66%[11]；學(xué)習(xí)曲線不一，手術(shù)配準(zhǔn)過程不能無創(chuàng)配準(zhǔn)等問題均限制了骨科手術(shù)機(jī)器人的進(jìn)一步應(yīng)用[12]。而且傳統(tǒng)的手術(shù)機(jī)器人在手術(shù)過程中，是在手術(shù)視覺下，由醫(yī)生通過對手術(shù)空間的坐標(biāo)和視覺坐標(biāo)進(jìn)行不斷的配準(zhǔn)以糾正手術(shù)動作，在狹小的手術(shù)空間里，依靠人的手眼協(xié)調(diào)，完成手術(shù)定位和手術(shù)過程，該過程缺乏醫(yī)生思維過程，會出現(xiàn)二次損傷或操作不準(zhǔn)確的情況[13]，基于以上問題的存在，我們提出了一種創(chuàng)新性的仿人類思維機(jī)器人，根據(jù)功能分為腦、眼、手三大模塊，機(jī)器人輔助骨科手術(shù)也是機(jī)器人的“腦-眼-手”協(xié)調(diào)工作的過程，提高了手術(shù)方案的合理性及方案的執(zhí)行精度，并融入了醫(yī)生思維過程。下面主要針對骨科手術(shù)機(jī)器人的核心架構(gòu)及臨床應(yīng)用展開論述。

1 設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)骨科手術(shù)主要是醫(yī)生通過觀察病人的影像資料后，在腦中構(gòu)思，徒手操作手術(shù)的過程。而仿人類思維機(jī)器人是對醫(yī)生常規(guī)操作的精準(zhǔn)映射，通過一系列協(xié)作與協(xié)調(diào)算法，將機(jī)器的控制巧妙融入醫(yī)生原有工作流，最終形成極優(yōu)的人機(jī)協(xié)同控制結(jié)果，其架構(gòu)設(shè)計(jì)極度貼合醫(yī)生邏輯，醫(yī)生思維實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)化，手術(shù)信息實(shí)現(xiàn)了即時(shí)性以及可視化，手術(shù)操作過程實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)化。

2 仿人類思維機(jī)器人核心架構(gòu)

2.1 仿人類思維骨科手術(shù)機(jī)器人核心架構(gòu)

我們提出的基于仿人類思維的機(jī)器人核心架構(gòu)，根據(jù)功能分為腦、眼、手三大模塊，如圖2所示。

圖1 仿人類思維機(jī)器人工作流程Fig.1 Work process of the robot based on human-like thinking

圖2 仿人類思維骨科手術(shù)機(jī)器人核心架構(gòu)Fig.2 Core architecture of human-like thinking orthopedic surgery robot

2.2 腦

腦的架構(gòu)主要包括三維重建與規(guī)劃系統(tǒng)和術(shù)中反饋系統(tǒng)兩個(gè)子系統(tǒng)。其中三維重建與規(guī)劃系統(tǒng)可以在術(shù)前針對不同情況為患者制定個(gè)性合理化的手術(shù)方案即進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)生思維的數(shù)據(jù)化；模擬CT反饋系統(tǒng)可以在術(shù)中及時(shí)反映手術(shù)情況，用于術(shù)中及時(shí)評價(jià)置入器械位置是否合理，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)結(jié)果評估的標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.1 三維重建與規(guī)劃系統(tǒng)

傳統(tǒng)術(shù)前規(guī)劃方式是醫(yī)生在觀摩CT、MR等多種模態(tài)的影像之后，在腦海中構(gòu)建患者影像結(jié)構(gòu)的三維模型，然后再依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行手術(shù)方案規(guī)劃，這種術(shù)前規(guī)劃方法存在精度較差、主觀性強(qiáng)、手術(shù)成功率不高等問題[14-15]。我們設(shè)計(jì)的仿人類思維機(jī)器人，只需要在手術(shù)進(jìn)行前將CT、MR等多種模態(tài)的影像導(dǎo)入系統(tǒng)，本機(jī)器人的三維重建與規(guī)劃系統(tǒng)可對導(dǎo)入的醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行處理，提供DICOM三維圖像的預(yù)覽、重建、手術(shù)規(guī)劃、配準(zhǔn)及反饋的3D交互功能，機(jī)器人可輔助醫(yī)生實(shí)現(xiàn)病灶冠狀位、矢狀位、橫斷位關(guān)鍵數(shù)據(jù)的測量，進(jìn)行理想手術(shù)路徑的規(guī)劃，對3D虛擬內(nèi)植入物進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，規(guī)劃復(fù)雜螺釘?shù)闹萌肼窂剑梢?guī)劃創(chuàng)傷手術(shù)切口位置及長度，行手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評估，最大限度地避開危險(xiǎn)區(qū)，幫助醫(yī)生精確定位病變位置，完成手術(shù)模擬以及風(fēng)險(xiǎn)評估等，可以在很大程度上減少各種手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 術(shù)中反饋系統(tǒng)

模擬CT反饋系統(tǒng)可以在術(shù)中及時(shí)反映手術(shù)情況，用于術(shù)中及時(shí)評價(jià)置入器械位置是否合理。目前臨床判斷椎弓根螺釘置入位置的方法有X線透視、CT等影像學(xué)手段，X線透視主要依靠術(shù)者經(jīng)驗(yàn)，效果不可靠，術(shù)后CT是當(dāng)前檢驗(yàn)螺釘位置的金標(biāo)準(zhǔn)，但無法在術(shù)中實(shí)時(shí)反映螺釘位置，術(shù)后發(fā)現(xiàn)螺釘誤置為時(shí)已晚，術(shù)中CT可在術(shù)中對椎弓根釘位置進(jìn)行評估，避免術(shù)后因椎弓根釘誤置而導(dǎo)致二次手術(shù)，但術(shù)中CT價(jià)格昂貴，目前很少應(yīng)用。我們開發(fā)的機(jī)器人具有模擬CT反饋系統(tǒng)，醫(yī)生在不增加額外X線輻射的情況下（僅需采集C臂機(jī)正側(cè)位透視），通過橫斷位、矢狀位、冠狀位三個(gè)CT視圖及3D虛擬模型直接觀察螺釘位置，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)直接的干預(yù)，及時(shí)實(shí)現(xiàn)術(shù)中評估與糾正，提升手術(shù)安全性。

2.3 眼

眼的架構(gòu)主要包括圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)。圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)可以在術(shù)中進(jìn)行無創(chuàng)實(shí)時(shí)配準(zhǔn)，患者術(shù)中影像及時(shí)更新，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)信息即時(shí)性以及可視化。

機(jī)器人圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)主要是輔助醫(yī)生低輻射高頻次獲取術(shù)中病灶3D精密圖像，供醫(yī)生更新虛擬手術(shù)路徑，保證手術(shù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖與目標(biāo)解剖結(jié)構(gòu)動態(tài)匹配。目前，傳統(tǒng)骨科治療通常是在術(shù)中獲得實(shí)時(shí)影像，醫(yī)生根據(jù)解剖學(xué)知識在腦海中不斷構(gòu)建3D結(jié)構(gòu)，術(shù)中再采集X射線圖像，提供實(shí)時(shí)信息以調(diào)整手術(shù)方案。這種方法對醫(yī)生個(gè)人經(jīng)驗(yàn)要求較高，準(zhǔn)確性不高。我們設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用多模態(tài)圖像處理技術(shù)，可在獲取術(shù)中病灶透視片后，將其與術(shù)前三維模型進(jìn)行實(shí)時(shí)配準(zhǔn)，使術(shù)中影像與術(shù)前影像融合，模擬人腦的思維過程，可以保證該虛擬規(guī)劃路徑匹配患者實(shí)際位姿。

2.4 手

手的架構(gòu)主要包括機(jī)械臂系統(tǒng)與末端執(zhí)行系統(tǒng)。機(jī)械臂系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)手術(shù)場景構(gòu)建并更新場景功能；末端執(zhí)行子系統(tǒng)用于建立微創(chuàng)手術(shù)通道，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)操作精準(zhǔn)化。

2.4.1 機(jī)械臂系統(tǒng)

采用具有六自由度的機(jī)械臂，采用實(shí)時(shí)運(yùn)動仿真策略，具有實(shí)時(shí)手術(shù)場景構(gòu)建方案，實(shí)時(shí)感知機(jī)器人周圍的環(huán)境，并更新場景功能。手術(shù)機(jī)器人機(jī)械臂分為肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都有2個(gè)電機(jī)，分別實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能和彎曲功能。具有數(shù)據(jù)通信協(xié)議，指揮控制電路執(zhí)行相應(yīng)的動作，使操作指令能被機(jī)器人接受，并準(zhǔn)確按照指令執(zhí)行。具有激光中心點(diǎn)自動識別功能：機(jī)器人可自動識別激光中心點(diǎn)（或激光中心點(diǎn)坐標(biāo)），并實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械中心位置與激光中心坐標(biāo)完全重合；具有避障算法、運(yùn)動規(guī)劃算法，保證手術(shù)過程中運(yùn)行平穩(wěn)且保障高精度。機(jī)器人可利用機(jī)械臂建立穩(wěn)定通道，使手術(shù)操作更精準(zhǔn)。

2.4.2 末端執(zhí)行系統(tǒng)

末端執(zhí)行系統(tǒng)用于建立微創(chuàng)手術(shù)通道，過濾掉外科醫(yī)生任何手動作的震顫。末端執(zhí)行系統(tǒng)需要掛接到手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械臂上，二者通過機(jī)械臂接口模塊進(jìn)行連接，因此建立匹配及牢固的接口模塊，完成末端執(zhí)行系統(tǒng)的搭載和快速更換。本子系統(tǒng)采用ANSYS建立力學(xué)模型并結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證手術(shù)器械輕量化同時(shí)又保有足夠的工作精度，以完成各種精細(xì)動作。

3 臨床應(yīng)用

3.1 一般資料

選取2020年4月至2021年1月收治的采用仿人類思維機(jī)器人進(jìn)行輔助置釘?shù)墓桥韫钦刍颊?例，其中男5例，女3例，年齡28～71歲，平均（55.83±16.76）歲，致傷原因：摔傷3例，交通事故3例，擠壓傷1例，高處墜落1例。

3.2 手術(shù)過程

（1）手術(shù)路徑規(guī)劃：術(shù)前將CT影像導(dǎo)入系統(tǒng)，利用三維重建與規(guī)劃系統(tǒng)對導(dǎo)入的圖像進(jìn)行處理，進(jìn)行手術(shù)螺釘路徑規(guī)劃。

（2）配準(zhǔn)：術(shù)中獲取病灶透視片后，將術(shù)中影像與術(shù)前三維模型進(jìn)行實(shí)時(shí)配準(zhǔn)，使術(shù)中影像與術(shù)前影像融合。

（3）機(jī)器人輔助置釘：機(jī)械臂定位后，進(jìn)行輔助置釘操作。

（4）術(shù)后位置確認(rèn)：術(shù)后通過CT檢查確認(rèn)螺釘位置是否正確。

3.3 結(jié)果分析

回顧性分析了8例骨盆骨折手術(shù)案例，8例患者共置入10枚螺釘，對術(shù)中的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行記錄并分析，并通過術(shù)后CT來評價(jià)螺釘置入位置，螺釘置入位置的評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)[16]：①優(yōu)，螺釘完全在通道內(nèi)；②良，螺釘部分接觸皮質(zhì)骨但無穿出；③差，螺釘穿出皮質(zhì)骨或進(jìn)入關(guān)節(jié)內(nèi)。患者術(shù)中以及術(shù)后評估各項(xiàng)指標(biāo)，如表1所示。

表1 各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果Tab.1 Results of various indicators

4 總結(jié)

我們提出的仿人類思維機(jī)器人核心架構(gòu)與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，能夠自然靈活地應(yīng)對環(huán)境的變化與復(fù)雜的臨床需求，具備了“腦-眼-手”協(xié)同操作的能力，可完成手術(shù)路徑的精確定位，同時(shí)具有更好的實(shí)時(shí)性、更強(qiáng)的交互性、更佳的用戶體驗(yàn)，在同類手術(shù)機(jī)器人中具有最強(qiáng)易用性，醫(yī)生無需經(jīng)過長期的培訓(xùn)周期，學(xué)習(xí)曲線幾乎為零；在手術(shù)操作中，機(jī)器人分別對醫(yī)生的腦、眼、手進(jìn)行超強(qiáng)賦能，利用高精密3D重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)生思維的數(shù)據(jù)化，利用多模態(tài)圖像融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)手術(shù)信息的直觀化，利用機(jī)械臂技術(shù)實(shí)現(xiàn)操作的精準(zhǔn)化。仿人類思維機(jī)器人核心架構(gòu)不額外增加醫(yī)生的操作步驟，可以極大提升醫(yī)生操作的精準(zhǔn)性和工作效率，實(shí)現(xiàn)骨科手術(shù)的更加精準(zhǔn)化與微創(chuàng)化。

當(dāng)運(yùn)用于臨床骨盆骨折患者治療時(shí)，本機(jī)器人可減少手術(shù)操作過程中對醫(yī)生和患者的輻射，減少整體的手術(shù)操作時(shí)間，在術(shù)后對螺釘位置進(jìn)行評價(jià)，說明機(jī)器人輔助置釘精度較高。本機(jī)器人可在臨床進(jìn)一步推廣，并可推進(jìn)外科手術(shù)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和手術(shù)微創(chuàng)化。