天玑骨科手术机器人高精度工作区域研究

范明星 施崭 张琦 王令珑 房彦名 田伟

0 引言

脊柱结构复杂，手术风险高，椎体周围毗邻重要的组织结构，术中稍有偏差则可能损伤椎体周围的血管及神经，甚至出现大动脉破裂、脊髓损伤、下肢瘫痪等严重并发症[1-2]。骨科手术机器人系统目前已广泛应用于脊柱外科领域，能够有效提高脊柱外科手术精度，减少并发症发生[3-5]。

骨科手术机器人通过光学导航系统能够实时动态捕捉机械臂末端示踪器和患者示踪器的相对位置，从而引导机械臂按照手术规划校准手术路径，保障手术精度[6]。但光学导航系统可能存在图像漂移等问题[7]，导致手术过程中显示精度和实际精度不相符。手术机器人导航精度受很多因素影响，包括光学导航系统自身构型、示踪器平面与光学导航系统工作平面夹角、机械臂示踪器和患者示踪器是否受到遮挡等[8-10]。既往研究发现光学导航系统在工作区域内各个测量点之间的精度并不完全相同[11]。天玑骨科手术机器人使用了Polaris光学导航系统(Northern Digital Inc.,Waterloo,Ontario,Canada)，该导航系统体积较大，可以在较大范围内跟踪导航器械，从而满足骨科手术机器人进行脊柱外科手术的临床需求，但该骨科手术机器人在工作区域内的高精度范围尚需进行深入探讨。

本研究针对天玑骨科手术机器人系统，在构建精度测试模型基础上，选取骨科手术机器人系统在工作区域内的特定测量点进行精度测量，通过对比不同测量点间的精度差异，找到天玑骨科手术机器人系统工作的高精度区域。

1 材料与方法

1.1 天玑骨科手术机器人

天玑骨科手术机器人主要包括光学导航系统、6自由度机械臂、医生工作站三个部分。光学导航示踪器由4个被动反射球和框架结构组成。患者示踪器和机械臂示踪器分别安装在患者术区骨性结构上和机械臂末端。手术医生在医生工作站上可以实时监测患者示踪器和机械臂示踪器的空间相对位置。

1.2 精度测试模型

精度测试模型由底座、立柱、测试点、患者示踪器等部分组成(图1)。底座和立柱由工程塑料制成，在医学影像中较难成像，测试点为在医学影像中成像清晰的3 mm不锈钢小球。精度测试模型上共安装有位置不同的6个可测试点。

图1 精度测试模型Figure 1 Precision testing model

1.3 测量点设置

设置天玑骨科手术机器人的光学导航系统位置，使其与精度测试模型所处平面垂直距离为1.5 m[12]，在该距离下固定光学导航系统位置，将精度测试模型所处位置标记为工作区域中心O。在实验平台上建立以O点为原点的平面直角坐标系，在坐标系内缓慢改变精度测试模型位置，当患者示踪器刚好不能被光学导航系统追踪时记为到达工作区域边界。经测量，工作区域边界为以O点为中心的长1263 mm、宽878 mm长方形区域。分别在4个象限工作区域中找到中心点P1、P2、P3、P4，并沿y轴找到距离O点50、100、150、200、300、400mm的测量点A、B、C、D、E、F点(图2)。使用天玑骨科手术机器人在上述各测量点对精度测试模型进行模拟手术，并记录精度值。

图2 光学导航系统及测量点位置Figure 2 Navigation system and measuring point position

1.4 精度测量方法

将精度测试模型固定在测量点上，按照天玑骨科手术机器人操作流程，使用C臂扫描获取精度测试模型三维影像，图像自动传输至医生工作站，由医生规划以精度测试模型测试点A、B的球心为入点和出点的手术路径(图3)。

图3 规划手术路径的规划Figure 3 Planning of the surgical path

使用安装3 mm测头的三坐标测量仪(QuantumS FaroArm)依据参考点进行注册，并建立三维空间坐标系。首先对测试点A的球心空间位置进行标定，并在三坐标测量仪系统中将测试点A的空间坐标设置为空间坐标系原点即A(0,0,0)。当机器人运动就位后，使用三坐标测量仪对机器人运动到的实际入点A1(x1,y1,z1)进行标定，并计算规划入点和实际入点的偏移距离La1，同法计算出点偏移距离Lb1，取两者最大值为此次测量的精度值。重复上述测量100次，并取平均值。该测量点的精度值由多次测量精度值的均值和标准差(中位数和四分位数间距)和均方根(RMS)表示。

1.5 统计方法

本研究中所有数据采用SPSS 25.0进行处理。对符合正态分布的计量资料，表示为均数±标准差，采用方差分析进行组间比较，对不符合正态分布的计量资料，表示为中位数(四分位数间距)，组间比较采用非参数检验(Kruskal-Wallis秩和检验)，P<0.05被认为具有统计学意义。

2 结果

天玑骨科手术机器人在y轴各测量点间的精度值存在统计学意义(H=103.39，P<0.001，表1)，其中距离中心O点400 mm处的测量点F精度最差，为0.58(0.29) mm，RMS值为0.63 mm。箱式图反映其余y轴各测量点间的精度值均无统计学差异(图4)。天玑骨科手术机器人在各象限中心点P1、P2、P3、P4的精度值无统计学差异(H=5.67，P=0.13)，平均偏差值在0.42～0.45 mm之间(表2)。

表1 天玑骨科手术机器人在y轴各测量点的精度Table 1 The accuracy of TiRobot at each measurementpoint in y-axis

*表示组间差异具有统计学意义图4 y轴各测量点的精度比较箱式图Figure 4 Box diagram of the accuracy comparison ofeach measurement point in y-axis

表2 天玑骨科手术机器人在各象限中心点的精度值Table 2 Accuracy of TiRobot at the center point of each quadrant

3 讨论

光学导航系统因其灵敏度高、易于操作等特点，成为骨科手术机器人中最为常用的导航系统之一。基于C臂图像的光学导航系统及其临床应用是近些年外科手术的研究热点，光学导航系统在神经外科、骨科、心脏大血管科的高难度手术中发挥了至关重要的作用，提高了手术安全性和精准性[12-14]。

天玑骨科手术机器人是基于光学导航的骨科手术机器人系统，依靠实时追踪机械臂末端示踪器和患者示踪器的相对位置，来调整机械臂末端姿态和位置，从而实现手术规划路径。故在手术机器人系统获取完手术区域图像后，患者示踪器应与手术区域保持相对位置固定不变，任何偏移将致使导航图像出现错误，从而导致手术失败。在本研究中，为了避免引入由于术中软组织牵拉、减压操作、患者的呼吸运动等导致的图像偏移[7]，采用了精度测试模型在实验室条件下探讨光学导航系统对天玑骨科手术机器人手术精度的影响。有学者提出RMS是能有效反映光学导航系统精度的有效值之一[9]，所以在本研究中探讨精度时，不仅把均值和标准差(中位数和四分位数间距)纳入精度评价指标，也把RMS纳入精度评价指标。

研究发现天玑骨科手术机器人在光学导航系统工作区域的四个象限中心内精度稳定，当距离手术区域超过400 mm，靠近边界位置时，精度值较差，同时精度值不稳定，RMS值较高。此研究结果与Elfring等[9]对Stryker公司和NDI公司的光学导航系统精度研究结果相一致，Elfring等[9]的研究发现，光学导航系统在追踪区域的边界处精度最差。同时Wiles等[15]的研究显示，若在Polaris光学导航系统工作范围内再选取直径为500 mm的球形工作区域进行精度测量，则RMS值可由之前的0.35 mm缩小至0.15 mm。

光学导航定位系统在工作区域边界位置产生“图像漂移”，除了示踪器本身的反射特性外，还可能与手术室环境下光源的反射、折射以及遮挡有关。天玑骨科手术机器人的光学导航系统主要由红外立体相机和安装在患者与机械臂末端的示踪器组成，无论是对红外相机还是对示踪器的干扰，都有可能导致光线遮挡，尤其是手术区域解剖结构较复杂时，更容易导致遮挡，从而出现光学导航系统定位精度差，影响骨科手术机器人精准执行手术规划。

本研究存在以下不足：(1) 只纳入了天玑骨科手术机器人系统作为实验对象，并未纳入其他基于光学导航系统的手术机器人，应在后期研究中增加研究对象，提高研究结果的普适性。(2) 未计算图像采集和配准过程中出现的系统误差，而是采取每个测量点测量100次取平均值的方法来降低系统误差，后期研究中应把系统误差也纳入测量范围，从而减少系统误差对研究结果的影响。

4 结论

天玑骨科手术机器人的工作区域为长方形，临床医生在光学导航系统摆放位置和手术路径规划时应避免处于骨科手术机器人的工作区域边界，应尽量保持手术区域位于视野中心400 mm范围内，从而减少由于图像漂移对手术精度的影响。