采用电磁导航技术的手术机器人应用研究

【作 者】 石运永，林力，吴文波

上海盼研机器人科技有限公司，上海市，201318

0 引言

在骨科手术中，常见的手术操作有钻孔、磨削、截骨等手术操作，如何保证医生在术中实现这些精准操作是当前迫切需要解决的问题。随着机器人技术和计算机图形学技术的进步，越来越多的手术机器人被应用到临床当中，以解决手术视野差、手术精度低和对医生临床经验要求高等问题[1-4]。

现在市场上开发了多款手术机器人系统，比如北京天智航医疗科技股份有限公司的天玑骨科手术机器人系统、北京柏惠维康科技股份有限公司的神经外科手术导航定位系统。临床研究表明，通过使用手术机器人系统可以保证手术的定位精度，通过术前的手术方案设计可以有效避免人工操作对神经和组织的损伤[5-6]。从其技术实现方式上可以看出，由于腿部、颈椎等骨科手术和神经外科手术的手术视野比较开放，因此在导航系统上都是使用光学导航系统来进行定位的。而对于一些手术视野较差、神经和血管较丰富的区域，手术时采用光学导航则会带来光学遮挡导致手术精度低的问题，比如颅面骨手术、肺部活检穿刺等手术。因此该术种可以利用电磁导航定位系统不怕遮挡、体积小、传感器体积小的优势来进行工具的导航定位，辅助医生实现精准的手术操作。

在颅面截骨手术时，目前一般采用口内切口的方式，但由于颅面结构复杂、神经和血管分布广泛、手术视野差等原因，医生在手术时不能完全看到下颌骨的形状以及手术工具相对下颌骨的位置，很难按计划进行精确的截骨操作，从而导致截骨双侧不对称，术后效果不理想。即使是经验丰富的医生做手术时也难以保证安全与精确，对年轻的医生则是更大的挑战。如何给医生指出明确的截骨路径并辅助其在狭小空间内精准定位成了截骨手术迫切需要解决的问题。我们以颅面手术为研究对象，重点论述了电磁导航定位的骨科手术机器人的关键技术及解决方案，并通过模型试验对系统功能进行了验证[7-9]。

1 电磁导航手术机器人系统

1.1 系统介绍

系统主要由硬件和软件两部分组成，图1为电磁导航手术机器人系统结构。图2为电磁导航手术机器人示意。

图1 电磁导航手术机器人系统结构Fig.1 Structure of the electromagnetic navigation robotic surgical system

图2 电磁导航手术机器人示意Fig.2 Diagram of the electromagnetic navigation surgical robot

系统的配准就是将不同单元的坐标系进行统一，系统的坐标系分别为：机器人基坐标系、图像坐标系、磁场坐标系和工具坐标系。磁场发生器与患者影像之间的位置关系矩阵为：

式中：pe为磁场发生器的位姿；pi为医学图像的位姿；为图像和磁场发生器之间的转换矩阵。

机器人末端执行工具与磁场发生器之间的位置关系矩阵为：

式中：pt为机器人末端工具的位姿信息；pe为磁场发生器的位姿；为磁场发生器与机械臂末端工具之间的转换矩阵。

机械臂基座和末端工具之间的位置关系矩阵为：

式中：pb为机器人基座位姿信息；pt为机器人末端工具的位姿信息；为机器人末端工具与机械臂基座之间的转换矩阵。

通过以上坐标矩阵之间的转换关系可以得到系统之间的配准矩阵为：

在系统工作流上，用户先将患者佩戴影像标志物拍摄的DICOM图像导入手术导航系统中，在手术导航系统中根据工作流进行患者信息管理、影像的分割与重建和相应的术前轨迹规划，在完成以上术前准备工作后，通过对应的通信协议完成和机械臂控制系统之间的信息通信，控制系统在接收到位置信息后，进行相应关节的运动，保证路径执行的精确性，最后在手术机器人的辅助定位下，由医生完成剩下的精准手术操作。同时在安全控制系统中进行虚拟边界、防碰撞等安全保护设计，保证运动过程中不会和其他物品发生碰撞，下面针对电磁导航手术机器人系统用到的关键技术展开论述。

1.2 电磁导航系统

电磁导航系统主要由4部分组成，分别是磁场发生器、磁场传感器、信号处理单元和系统控制器。系统的工作原理是通过将磁场传感器放置在磁场发生器产生的磁场区域中，传感器检测到磁场信号，再通过信号处理单元进行信号的滤波和分析并传递到系统控制器，最后通过磁场信号的变化进行传感器位置和姿态的检测。

该项目为了保证测量的精度，首先要保证传感器能够稳定固定，需要根据术种对传感器进行加工设计，设计时需要考虑以下内容：磁场传感器便于安装和拆卸，传感器的清洁和消毒等。在骨科手术中，由于手术部位为坚硬不会轻易发生形变的骨性物质，因此我们在具有标志性的位置上进行固定位的选择，从而使术中传感器位置和术前设计保持一致。比如在关节置换类手术时就将传感器安装在医用PEEK材料制作的固定架上，通过钛钉固定在手术区域。

在颅面手术中，由于牙齿的大小不一致，具有天然的可识别特性，在设计时可以考虑将传感器和牙齿进行匹配固定，这样既增加了固定的稳定性同时也实现了无创安装，降低了对患者的伤害，设计的磁场传感器及固定装置如图3所示。在该系统中设计了固定装置并将其固定在牙套上，在固定装置上有用于进行空间定位用的定位球，定位球之间设置不同的识别距离。通过该设计，不仅可以实现传感器的快速安装和拆卸，术者在佩戴该装置后获得的影像也可用于术中的系统配准。同时装置尺寸设计得较小，在术中不会对医生造成手术视野的遮挡以及使用器械时产生干扰。

图3 磁场传感器及固定装置Fig.3 Magnetic field sensor and fixed device

使用机器人导航系统进行辅助治疗的核心功能是实现精准导航。为此，系统在手术环境、末端工具和配准技术上进行了优化创新。

在手术环境上，对于医生使用的手术拉钩等辅助医疗器械，采用3系列的不锈钢材料制作，尽量减少磁性物质带来的干扰。末端工具也采用316不锈钢材质并根据手术需要进行设计。

除了以上减少电磁导航系统干扰源的措施，重要的技术手段就是实现影像、机械臂和患者3个坐标系统的精确配准。在本配准算法中，利用高通阈值分割算法分割出4个定位金属球所在的图像区域并识别出球心位置，从而自动识别出DICOM影像空间坐标系下的定位球的空间坐标。在患者佩戴固定装置后，利用磁场传感器获取术中磁场坐标系下的固定装置定位球的空间坐标。最后通过坐标转换算法可以建立影像空间坐标系与患者之间的配准转换关系。该转换关系可在患者发生运动时实时更新，从而适应手术的患者摆位要求。

为了保证系统在坐标系配准过程中相对位置保持固定不变，需要采用固定装置对手术部位进行固定，本项目中患者的头部保持固定，系统设计了下颌固定装置。本装置的一端通过钛钉固定在患者的下颌处，另外一端通过气动臂装置固定在手术床床旁的固定装置上。

1.3 手术导航系统的设计

手术导航系统作为核心的功能软件，在设计时需要注重人机交互性，帮助用户快速熟悉设备的使用，界面如图4所示。

图4 手术导航系统界面Fig.4 Surgical navigation system interface

在软件布局中采用功能模块化设计，功能模块包括用户登录、患者信息管理、图像浏览与处理、路径规划、数据保存5个模块。

用户登录模块：在此模块区域内可根据使用用户的不同，进行用户权限的配置，防止不同用户操作软件带来的软件配置信息更改，保证了软件在不同用户使用时的安全性。

患者信息管理模块：进行患者信息的导入和分类，建立患者信息数据库，方便用户调用和分析数据。

图像浏览与处理模块：此模块主要用于影像显示、术前影像分割和影像模型重建。用户可以通过该功能模块完成DICOM影像的导入，通过对导入图像的阈值分析和采用边缘检测的图像算法对图像各组织进行影像分割。通过该操作可以明显地区分血管、肌肉和骨骼等组织，保证用户可以实现精准操作。在完成分割后，可以进行影像的三维重建，通过重建图像用户可以快速识别手术区域的操作信息，便于病灶点的诊断和手术操作。通过影像显示区域，显示影像的分割和重建状态，也实时显示术前和术中执行的影像操作，便于操作者观察。

路径规划模块：在影像完成分割和重建之后，用户对手术区域进行末端工具的路径规划操作。在确定好病灶点和路径操作方式后，将位置信息传递给机械臂控制系统，保证机械臂按照预先规划的轨迹运动，到达预定位置后由操作者执行具体的手术操作。

数据保存模块：此模块可以进行整个操作的数据保存和导出，方便用户收集和分析数据。

通过对以上功能模块的介绍，可以看到本手术导航系统采用模块化设计，具有界面清晰、操作简单的优点，通过该软件工作流操作，可以保证医生熟悉设备的使用并执行精准的手术操作，降低术中对血管、神经组织的伤害，降低术后后遗症的发生。

1.4 手术末端工具的设计

在手术机器人的设计中，手术末端作为最终的执行部分发挥了关键作用。末端工具设计是否合理，决定了手术的成败。传统术中使用的工具由于没有考虑安装到其他设备上，所以不能直接安装到机器人的末端。因此在手术机器人系统的研发中，重要的工作就是要根据术种的需要进行末端工具的重新设计，保证其能够完成预期用途。

在设计过程中要考虑以下设计因素，首先要确定末端应用的术种，根据手术环境的需要，对其外观、尺寸进行设计。除此以外在设计过程中要考虑的因素还有使用频次、消毒方式、材质要求、加工精度等。本项目中针对颅面外科设计的部分末端工具如图5所示，工具分成了母端手柄和子端工具2个部分，根据电磁导航设备需要防止强磁性金属干扰的需求，末端采用了316不锈钢材料，使用该材料不会对磁场产生干扰，同时也可以高温消毒灭菌。根据使用目的，对其形状进行设计，该末端工具的母端手柄外形修长，可以防止机器人的关节进入磁场区域产生干扰，同时子端工具设计用来进行颅面截骨操作的截骨导板。用户通过该末端工具可以在狭小的空间内执行截骨路径的精准定位和工具移动，在子端导板工具沿着重合的规划截骨面运动的过程中，医生操作截骨工具沿着导板边缘同步实施精准的截骨操作。

图5 末端工具Fig.5 End-effector tool

1.5 手术机器人的安全功能设计

为保证手术机器人的操作安全性，要对其主动安全和被动安全功能进行设计。在安全设计上，除了最基本的急停设置外，在其路径规划、机械臂力反馈等方面分别进行安全保护设计。

在路径规划时，采用虚拟空间建模，其作用是防止机械臂在执行轨迹运动时，各运动关节不会和该空间发生干涉。导航系统根据导入的患者三维模型数据信息进行虚拟空间建模，机械臂利用手术区域的虚拟空间信息，进行各关节运动角度的逆解，可以确定出一条符合手术要求的最优路径，保证机械臂运动时不会和人体及外围设备发生碰撞，保护患者和设备的安全。

为了防止机械臂在运动过程中受到外力作用发生故障，机械臂具有力反馈功能。当机械臂受到超过保护阈值的外力作用时，机械臂停止运动，起到保护患者和设备的作用。

1.6 手术机器人工作流程的设计

在手术操作中，合理的手术工作流程对手术的成功至关重要。基于骨科手术操作特性，设计了一套能够顺利执行本项目的手术机器人工作流程，工作流程分为术前的手术规划和术中快速执行操作，通过术前确定标志点、影像重建和手术路径规划能够有效节省术中准备时间。术中，医生在完成患者摆位和前期临床准备工作后就可导入术前和患者确定的设计方案。在保证系统配准符合要求后，可沿着规划的截骨面进行精准操作，整个过程可以缩短手术时长，降低患者感染风险。手术机器人工作流程如图6所示。

图6 手术机器人工作流程Fig.6 Surgical robot workflow

2 试验验证

为了验证本系统的有效性，进行了模型的精度验证试验。以下颌骨的截骨手术为应用对象，为其设计手术方案。试验方案及流程如下：

根据患者的扫描信息制作头部模体，模型如图7所示。在模体中安装验证标志点，在成像时该标志点具有和模型不同的显影阈值信息，可以方便用户在图像中根据标志点位置进行系统精度验证。试验中使用CT获取该模型的影像信息并将其DICOM图像导入手术导航软件，进行影像的分割和建模，最后根据手术需要进行截骨路径的规划。

图7 头部模型Fig.7 Head model

在规划阶段，先确定好截骨的角度以及路径所在的平面，并在导航界面中进行截骨面的展示，同时使用虚拟子端模型对其进行末端工具位姿的显示。执行完轨迹规划后，通过机械臂将末端工具精准运动到设计的初始位置，子端工具的截骨面与设计的截骨面重合，其姿态与虚拟子端工具一致，随后由医生手持截骨用的锯片沿着子端导板工具的运动方向实时进行截骨操作，整个过程中末端工具会沿着规划截骨面定位和轨迹引导，可以保证医生在缺乏经验的情况下精准实现截骨操作并提高手术精度。导航系统的设计方案和实际的末端工具定位位置如图8所示。

图8 系统设计方案和定位精度验证Fig.8 System design scheme and positioning accuracy verification

通过模型的精度验证可以看到，机械臂的末端工具可以按照手术方案进行子端工具的定位，工具紧贴设计的位置，系统导航精度≤2 mm，能够满足手术的要求。

通过试验证明了在空间结构复杂或狭小的区域，磁导航的手术机器人可以避免光学导航定位系统的光线干涉问题，整个系统通过对系统配准算法、末端工具和软件工作流程等各个细节进行系统的设计可以满足手术的精度要求。本系统可以在手术方案设计时避免对神经和血管等组织造成伤害，降低手术对用户经验的要求，减少术后并发症的发生。

3 总结与展望

通过模型验证证明了采用电磁导航系统的手术机器人的有效性，但需要很多的工作来逐步完善系统。比如当前的手术方案还依赖于医生的经验，需要医生根据其自身的经验对手术位置进行定位和选择合适的手术工具进行手术。在将来的研发中，可以顺应当前人工智能技术的发展，通过对样本集特征提取和分析实现智能手术方案的设计，减轻医生的负担[10]。同时根据应用的需要，设计更多符合预期使用用途的个性化末端工具，将手术机器人应用到更多的手术环境当中。