基于光学导航的全自动肝癌消融精准机器人穿刺系统

【作 者】侯姣蛟，杨荣骞，林钦永，张哲思，谢杨洁，黄美萍

1 华南理工大学医学院，广州市，510006

2 广东省人民医院放射科（广东省医学科学院），广州市，510080

3 华南理工大学 材料科学与工程学院 生物医学工程系，广州市，510006

0 引言

经皮穿刺介入手术作为肝癌治疗方法中一种典型的微创手术，因其在疗效性、可重复性及肝脏功能保护方面的明显优势，成为肝癌非手术治疗的一种常用手段[1-2]。目前，穿刺主要由医生手工完成，穿刺的准确性和质量完全依赖医生的经验和能力。近十年来，机器人辅助技术成为现代外科医学的重要研究课题。机器人辅助针穿刺技术既具有理论指导意义，又可以有效提高临床针穿刺的操作精度，减少手术时间，在微创外科领域具有重要的临床应用价值[3]。

本文设计了包含光学手术导航系统[4]、手术机械臂、末端穿刺工具和上位机控制软件的安全易用的自动肝癌消融精准机器人穿刺系统。该系统利用自行设计的光学手术导航系统，实时获取末端穿刺工具与病患的位姿关系；利用机器人定位的高精准性和稳定性，实现穿刺针位置和姿态的自动调整，最大限度提高手术精度并降低医生的劳动强度。

1 系统方案及设计要求

该系统由光学手术导航、计算机工作站、机器人控制箱、手术机械臂部分组成，系统组成如图1所示。光学导航仪实时跟踪安装标记点的手术器械，获取手术过程中所涉及的标记点的空间位置，医生结合术前重建的图像分辨出病人的主要器官以及手术靶点位置，制定合理的手术路径，通过计算机传递位姿信息到手术机器人，使其按照系统要求的路径对病人进行穿刺手术。

图1 系统组成图Fig.1 System structure

该系统设计需综合考虑多方面的因素，需满足以下要求：第一，手术精度要求。手术精度是肝癌消融穿刺手术质量的决定性因素，影响因素包括光学手术导航系统的定位精度、末端夹具精度、人为操作误差，这些误差累积会对最后的手术结果造成很大影响。该系统最终的精度要求位置偏差在8 mm以内，姿态偏差10°以内。第二，手术安全要求。在手术进行过程中要具有绝对的可靠性、安全性与灵活性，因此，运行过程中需要以适当的速度运行手术机器人，并能及时修正路径避免误伤。

2 系统实现

2.1 肝癌消融光学手术导航系统

肝癌消融光学手术导航系统[5]作为空间定位坐标系，实时跟踪手术工具及目标区域，将病人术前影像数据和术中结构准确对应，为医生提供导航，其核心是自发研制的近红外光学定位系统，主要包括硬件平台、导航软件以及手术工具三部分。

2.1.1 光学手术导航仪硬件

光学导航仪中的近红外双目定位摄像机由两个CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor)型工业摄像机构成，其感光芯片最高分辨率为1 600×1 200 pixel，两个摄像机主轴正方向形成α=15°的夹角且两相机距离500 mm 固定于三脚架上。镜头前安装近红外波段的带通滤光片以滤除进入摄像机CMOS芯片的大部分环境光，提高采集到的图像中标记点与图像背景的对比度。镜头前端的近红外发光源发射的近红外光被反光标记点反射回摄像机的CMOS感光从而使得反光标记点在图像上形成明亮的光点，继而采用灰度加权平均算法进行标记点坐标提取。

2.1.2 导航软件

光学导航仪软件实现左右摄像机图像采集、标记点亚像素坐标提取、左右摄像机标记点立体匹配、标记点三维坐标计算的功能。图像控制模块可调节摄像机采集图像的对比度和清晰度、摄像机的基本硬件参数，结合标定后获得的光学导航仪内外部参数在图像显示模块计算获得标记点的三维坐标。手术导航系统注册后，实时显示手术器械及其与靶点的相对位置并将其投影到三视图进行CT切面图像显示。

2.1.3 手术工具

术中手术器械需要被摄像机跟踪定位才能完成导航，根据在器械上安装的标记物类型可将其分为主动式和被动式两种。主动式手术器械上安装的标记物为自主发光的二极管，安装及使用过程较复杂；被动式手术器械上安装的标记物为可反射近红外光的标记球，使用方便。该系统采用带有NDI公司生产的红外标记球的被动式手术器械，如图2所示，对器械标定后即可完成对其跟踪。

图2 手术器械Fig.2 Surgical instrument

2.2 手术机器人

手术机器人按照光学导航仪规划的指令调整位置和姿态，引导工具端的手术工具代替手动穿刺完成手术操作，避免了手的抖动和疲劳感，有效提高穿刺手术的准确性和稳定性。机器人系统采用丹麦创新工业机器人制造公司Universal Robots生产的UR10串联机器人，其有编程简易、灵活度优异、安全性和独特创新的人机协同功能等特点。

装配成型的手术机器人主要包括机器人主体、执行器、驱动器、上位机软件等。手术机器人主体是由基座及机械臂构成。执行器是机械臂上的最后部件，位于机器人末端的执行部分，直接作用于任务对象。在经皮穿刺手术辅助机器人中，末端执行器是机器人进行穿刺手术的部分，使用的手术器械为射频消融针。

2.3 上位机控制软件

上位机为机器人主控制PC，其通过编程实现对机器人的直接控制，机器人接收来自上位机的运动控制指令执行操作。PC控制端与机器人控制主机之间采用Modbus/TCP作为通信协议，控制软件功能结构如图3所示。

图3 上位机控制软件功能结构图Fig.3 Control software function structure of host computer

3 系统控制方法

该系统通过光学手术导航仪获取机器人上射频针与靶点的相对位置，计算机控制机器人执持射频针按预先规划好的手术路径进行穿刺。系统控制方法如图4所示。

图4 系统控制图Fig.4 Control chart of the system

3.1 手术导航工作流程

术前利用CT、MRI、C臂等数字化扫描技术获得带有标记点的病人影像信息，输入到计算机工作站进行三维影像模型重建。术中光学导航仪动态追踪手术器械并将其实时显示在术前重建的虚拟解剖结构上，从而建立图像空间与病人实际空间映射，医生根据光学导航仪显示获得穿刺针在术前重建的三维解剖结构中的位姿，为手术机器人最优进针路径的确定提供客观的指导。图5为导航系统的工作原理图。

图5 导航系统的工作原理图Fig.5 Working principle diagram of the navigation system

3.2 手术机器人控制方法

系统根据空间映射关系将三维图像中的进针路径映射到机器人空间，同时计算出机器人的运动参数。术中手术机器人根据规划设定的运动参数逐步调整穿刺针位姿使针尖到达进针路径的靶点实行手术操作。

手术机器人实施穿刺手术时首先通过机器人6-DOF手臂的平移运动，将穿刺针尖从初始位置移动到手术规划的进针点。临床上医生手持穿刺针自由移动，机器人辅助穿刺手术为了符合医生的操作习惯，通过外力拖动功能使医生有手拿穿刺针移动的感觉。

穿刺针针尖移动到皮肤进针点后，通过控制算法补偿针尖位移保持针尖点不动调整穿刺针姿态使其与进针路径相一致。穿刺针姿态调整好后，根据手术规划的皮肤进针点与病灶靶点的距离推进穿刺针运动进针深度距离使针尖到达靶点进行手术。手术完成后，设定退针深度将穿刺针按照原进针路径退出到安全位置。

4 结果和测试

为了验证系统的精度，开展了定点定位实验和轨迹验证实验，光学手术导航对手术器械的跟踪定位精度在文献[6]中已经验证，可达0.1 mm RMS。精度验证实验将机器人按照规划运动到的位置坐标和导航仪获取的手术器械当前位置坐标进行对比，实验结果如图6所示，点定位精度可达0.995 mm RMS，轨迹跟踪效果如图6所示。

5 总结

基于光学导航的全自动肝癌消融精准穿刺系统对于临床具有重要的实用价值，目前该系统研究还处于实验阶段，距离临床应用还有一定的距离。为开发更具有临床应用价值的穿刺机器人系统，还需对临床应用中所遇到的问题进行解决。

图6 实验精度验证Fig.6 Accuracy verif i cation

[1] 杜志江, 修雯雯. 机器人辅助经皮穿刺手术系统发展概况[J]. 中国医疗器械杂志, 2007, 31(5): 362-366.

[2] Livaghi T, Goldberg S N, Lazzaroni S, et al. Hepatocellular carcinoma: radio-frequency ablation of medium and large lesions[J]. Radiology, 2000, 214: 761-768.

[3] 董宝玮, 梁萍, 于晓玲, 等. 超声导航经皮微波消融治疗早期原发性肝癌的远程疗效[J]. 中华医学杂志, 2006, 86(12): 797-800.

[4] 苏文魁, 张毓笠, 李冬梅, 等. 手术导航系统及其应用概述[J]. 中国医疗器械杂志, 2010, 34(4): 284-288.

[5] Lin Q, Cai K, Yang R, et al. Development and validation of a nearinfrared optical system for tracking surgical instruments[J]. J Med Syst, 2016, 40:107.

[6] Yang R, Wang Z, Liu S, et al. Design of an accurate near infrared optical tracking system in surgical navigation[J]. Lightwav Tech,2013, 31(2): 223-231.