机器人辅助股骨干骨折复位的性能评价

韩 巍，刘文勇，林 鸿，王军强，苏永刚，王满宜＊

（1.北京积水潭医院 创伤骨科，北京 100035；2.北京航空航天大学生物与医学工程学院；3.北京天智航技术有限公司）

基于髓内钉内固定的股骨干骨折手术治疗是临床上广泛采用的一种微创方法，但这种治疗手段仍存在着射线辐射剂量大、复位操作精度不高、复位状态维持困难等不足［1］。近年来，机器人装置凭借其自主操作、抗辐射、高精度等特点，被用于股骨干复位操作［2，3］，有效缓解了上述问题。

尽管机器人系统已经在股骨干骨折复位操作实验中展现了良好的应用前景，但对其临床性能的评价研究相对较少。仅仅依靠医生的直接观察来评价复位效果存在主观不确定性，因此，有必要制定机器人辅助股骨干骨折的效果评价指标，来评测机器人的实际性能。本研究以此为切入点，以股骨干骨折复位机器人为实验平台，提出性能评价指标并开展实验研究，评估机器人系统在股骨干骨折复位操作过程中的有效性和有用性。

1 材料与方法

1.1 骨折复位机器人设备

股骨干骨折复位机器人是一台6自由度并联机构，可直接安装在骨科手术床上（图1）。该机器人利用术中实时采集的C臂透视图像进行手术规划，来引导并联机构带动股骨干的两段折骨完成自动化的复位操作。机器人本体的性能指标是：操作范围50 mm，定位精度1.0 mm，复位操作力50 kg。

图1 骨折复位机器人

1.2 手术规划原理

手术规划在二维透视图像上进行，其基本原理是：分别采集股骨干的正侧位透视图像，以健侧骨段为参考，对骨折后的骨段进行理想力线及骨长的恢复（图2）。规划时，首先输入患肢初始骨长、规划目标骨长、圆环内径等规划信息，并据此计算出机器人各个杆件的运动相关信息（输入的初始杆长、计算出的复位校正后杆的长度等），用于驱动机器人运动。

1.3 实验标本和评测指标

实验采用8例模型股骨，用来检验机器人辅助股骨干骨折复位的实际效果。成像设备采用PHILIPS BV Libra C臂。评测指标设定为：（1）两段折骨之间的轴向偏移；（2）两段折骨之间的径向（横向）偏移；（3）两段折骨轴线之间的角度偏差。采用统计学方法进行误差分析。

图2 手术规划原理

1.4 实验过程

实验流程设计如下：

＊ 采集健肢图像：将透光尺置于健肢下方，在健侧对应骨的近远端关节处用C臂分别采集X光图像，建立简化的三维模型，并测量检测骨长。

＊ 在患肢上固定并联机器人：组装机器人并完成初始化，然后用自攻钢针将机器人固定在近、远端圆环处的断骨两侧。

＊ 采集患肢图像：将透光尺的零标度对准股骨远端平台，采集正侧位X光图像。

＊ 手术规划：根据健侧近远端两幅光片中的标尺计算出所需恢复的骨长，并输入数据库。然后进行手术规划，给出骨长及目标骨长、轴向旋转角度、圆环直径、骨类型等规划信息。

＊ 机器人复位：机器人按照规划信息进行复位操作。

＊ 复位指标测定：获得复位好的股骨干和机器人状态的图像，导入手术规划软件，测量出三个指标的具体数据值（图3）。

图3 测量指标的软件界面

2 结果

复位路径规划软件操作简单，复位机器人自主运行顺畅。根据误差的“3σ”原则进行统计，得到：（1）两段折骨之间的轴向偏移：均值1.31 mm，标准差0.46 mm，可以认为轴向偏移误差为（－0.07，2.67）mm。（2）两段折骨之间的径向（横向）偏移：均值2.44 mm，标准差0.50 mm，可以认为轴向偏移误差为（0.95，3.92）mm。（3）两段折骨轴线之间的角度偏差：均值2.26°，标准差0.23°，可以认为轴向偏移误差为（1.56，2.96）°。

表1 测量结果值（N＝8）

3 讨论

在股骨干骨折髓内钉内固定手术中，传统的复位操作存在几点不足。首先，复位操作过程中需要不断地进行X光照射，以确保复位的正确性：这对医生和病人的辐射比较大，受辐射的平均时间普遍在（158－316）秒［4］。其次，医生在复位过程中只能通过不断地采集透视图像来观察骨折部位的复位状态，所获得的信息不充分，缺乏定量化的复位信息。最后，复位操作的精准度不高：手动复位的效果很难精确达到术前的规划位置，在复位完成后也很难维持复位状态。

随着信息技术和机器人技术的发展，基于医学影像引导的机器人辅助复位方法被引入股骨干复位操作，从而为克服上述问题提供了可能。机器人具有自主操作、抗辐射等特点，可有效提高复位精度，降低射线对医患双方的辐射，因而在骨折复位中受到广泛重视，如德国的Füchtmeier等人研制了一套基于Steubli工业机器人的复位机器人系统“RepoRobo”［5］，日本的 Warisawa等人研制了一台6自由度的骨折复位机器人［6］，这两种机器人先后完成了模型骨实验，表明机器人可以实现骨折在所有平面上的精确复位。

但是，与骨科定位机器人相比，骨折复位机器人必须满足更多的操作性能要求。定位机器人只需具备足够的定位精度即可，对操作负荷要求不高［7］。但在长骨骨折复位中，受肌肉牵拉力的影响，复位操作需要借助相当大的外力（国外的实验表明：股骨干骨折复位中所需的操作力大约为240 N［5］），而且还必须在复位操作和固定过程中始终维持这样的力。因此，复位机器人不仅要具备足够的操作精度，更要具备足够大的承力能力。而前述的两种机器人均为串联机器人，其有效载荷有限，难以满足长骨骨折复位过程中的操作力要求。从机器人技术角度，并联机器人具有高精度、大载荷的优点，能更好地满足复位操作要求，因此，现有的骨折复位机器人大多采用了并联（或串并混联）机器人的构型形式。

目前，国内外已经出现了几种基于并联机器人构型的骨折复位机器人。日本的Seide等人［8］采用一台6自由度并联机器人，可在几天之内分时段完成长骨骨折复位操作，从而最小化对软组织的损伤。台湾的Hung等人提出了一种手术床型复位机器人原型系统［9］，初步具备了膝关节弯曲、大腿牵引和足部旋转等自动操作功能。解放军总医院的唐佩福等人［10］研制了一台基于术前 的并联机器人复位系统，并完成了标本实验。与此同时，为了减少复位过程中的射线辐射，主从操作概念也被引入复位过程，来实现医生远距离操作下的骨折复位。德国的Westphal和Gosling等人利用游戏杆来远程控制股骨干复位［11，12］。哈尔滨工业大学的富历新等人设计了一种机器人辅助骨折复位系统，包括自动操作台和并联复位机器人。上述研究成果已经在实验测试中展现了良好的应用前景。

但是，骨折复位机器人的临床性能方面，不同的机器人系统所采用的评价方法和评价指标也不尽相同。Zeide和Hung等人利用高精度的测量设备来计算机器人运动过程中的实际轨迹的精确度（相对于规划的轨迹）［8，9］。唐佩福等人［10］则采用轴向位移、侧向位移、侧方成角、内旋／外旋四个参数来评价机器人的复位效果。从临床来看，这几个参数能够较好地表达复位效果。但是，要精确测量这些参数，必须对复位后的状态进行CT扫描，再利用相关软件进行处理和计算，操作过程比较复杂。

本文针对自主开发的并联复位机器人系统，制定了复位操作流程；并制定了基于二维透视图像的性能评价指标，开展了模型测试实验，获得了预期数据。统计结果表明：两段折骨之间的轴向偏移小于3 mm，径向（横向）偏移小于4 mm，为轴向偏移误差小于3°，满足骨折复位要求。后续将开展标本测试和模拟临床测试，进一步测试系统的性能。

长骨骨折复位已经实现了微创化，其发展趋势是自动化和智能化。随着对机器人性能的评价指标体系和评价手段的不断发展和标准化，骨折复位机器人也将日趋完善，从而进一步促进机器人在骨折临床的应用和推广。

［1］田 伟.计算机辅助骨科手术学［M］.人民卫生出版社，2011.

［2］Jacob Rosen，Blake Hannaford，Richard M.Satava.Surgical Robotics－Systems Applications and Visions，Springer，2011.

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［4］Wolinsky PR，McCarty E，Shyr Y，et al.Reamed intramedullary nailing of the femur：551 cases［J］，Journal of Trauma－Injury Infection and Critical Care，1999，46（3）：392.

［5］Bernd Füchtmeier，Stefan Egersdoerfer，Ronny Mai，et al.Reduction of femoral shaft fractures in vitro by a new developed reduction robot system ‘RepoRobo’［J］.Injury，2004，35：S－A113.

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［7］阮志勇，Tobias Huefner，罗从风等.机器人辅助股骨干骨折复位［J］.中国组织工程研究与临床康复，2010，14（13）：2292.

［8］Seide K，Faschingbauer M，Wenzl ME，et al.A hexapod robot external fixator for computer assisted fracture reduction and deformity correction［J］.Int J Med Robotics Comput Assist Surg，2004，1（1）：64.

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［12］Gosling T，Westphal R，Hufner T，et al.Robot－assisted fracture reduction：a preliminary study in the femur shaft［J］.Med Biol EngComput 2005；43（1）：115.