基于3D打印配準(zhǔn)模板的脊柱機(jī)器人系統(tǒng)在椎板切除中的應(yīng)用

李卓夫 宋雄康 季旭全 劉杉杉 姜帥 王承夏 胡磊 李危石

脊柱外科領(lǐng)域的手術(shù)機(jī)器人正處于蓬勃發(fā)展的階段。從最早的Mazor機(jī)器人公司的SpineAssis機(jī)器人到環(huán)球醫(yī)療的ExcelsiusGPS機(jī)器人，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）已批準(zhǔn)了4家公司的7個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)用于脊柱手術(shù)[1]。除此之外，天智航公司的“天璣”骨科機(jī)器人也已經(jīng)成為國(guó)產(chǎn)骨科機(jī)器人的代表成功應(yīng)用于臨床。從功能上來(lái)看，這些脊柱手術(shù)機(jī)器人主要聚焦于提升椎弓根置釘?shù)臏?zhǔn)確性[1-3]。事實(shí)上，與椎弓根置釘操作一樣，椎板切除操作同樣存在諸多風(fēng)險(xiǎn)。在切骨過(guò)程中，如操作不當(dāng)很可能會(huì)出現(xiàn)神經(jīng)根損傷、硬膜損傷、馬尾綜合征，甚至脊髓損傷等[4]。然而，該領(lǐng)域的研究多數(shù)還停留在針對(duì)單個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的探索上，如骨切削策略的制定[5-6]和基于操作安全性考慮的狀態(tài)識(shí)別等[7-9]，尚缺乏成熟的輔助椎板切除的脊柱機(jī)器人系統(tǒng)的報(bào)道。因此，筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款協(xié)作型的脊柱機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)輔助脊柱椎板切除操作[10]。

該系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了在垂直切割過(guò)程中識(shí)別椎板的內(nèi)層皮質(zhì)骨，以實(shí)現(xiàn)在即將穿透的情況下停下來(lái)，保證了垂直切割的安全性。除了應(yīng)用場(chǎng)景與目前市場(chǎng)化的脊柱機(jī)器人不同外，該機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)化程度也更高。根據(jù)Yang等[11]學(xué)者的提出的機(jī)器人自動(dòng)化程度分級(jí)系統(tǒng)（0-5級(jí)），包括：0級(jí)，無(wú)自動(dòng)化；1級(jí)，機(jī)器人輔助；2級(jí)，任務(wù)自動(dòng)化；3級(jí)，條件自動(dòng)化；4級(jí)，高度自動(dòng)化；5級(jí)，完全自動(dòng)化。目前，臨床應(yīng)用的脊柱機(jī)器人均屬于1級(jí)自動(dòng)化水平，即機(jī)器人僅起到輔助作用，不能進(jìn)行自主操作。而筆者團(tuán)隊(duì)研發(fā)的脊柱機(jī)器人能在醫(yī)師的監(jiān)視下自主進(jìn)行椎板切除操作，屬于2級(jí)自動(dòng)化水平。然而，該機(jī)器人系統(tǒng)仍存在一些局限性，需要操作時(shí)人手動(dòng)將刀尖移動(dòng)到待切除的位置并對(duì)準(zhǔn)切割方向。這使得術(shù)者無(wú)法對(duì)減壓的范圍做出精確的規(guī)劃。事實(shí)上，椎板減壓范圍的選擇對(duì)于臨床醫(yī)生而言也是一個(gè)考驗(yàn)。減壓范圍過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致重復(fù)的切骨操作，增大損傷風(fēng)險(xiǎn)；減壓范圍過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致對(duì)骨性結(jié)構(gòu)不必要的破壞。因此，筆者在之前研究的基礎(chǔ)上，對(duì)該機(jī)器人系統(tǒng)做出了進(jìn)一步優(yōu)化，通過(guò)加入雙目攝像頭及術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)，使得機(jī)器人能自主定位到切割位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)減壓范圍的精準(zhǔn)規(guī)劃。本研究的目的是對(duì)改進(jìn)后機(jī)器人系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行探索。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

納入10個(gè)羊的腰椎標(biāo)本進(jìn)行研究。剔除其表面軟組織，使其椎板的表面充分暴露。同時(shí)，將椎體部分移除，暴露椎板的內(nèi)側(cè)面，以便于實(shí)驗(yàn)觀察。本研究方案經(jīng)北京大學(xué)第三臨床醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物倫理委員會(huì)批準(zhǔn)［（2021）動(dòng)倫審第（001-01）號(hào)］。

1.2 機(jī)器人系統(tǒng)介紹

該脊柱機(jī)器人系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成一個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)。術(shù)者只需要在術(shù)前規(guī)劃好椎板切除路徑，并在術(shù)中將3D打印配準(zhǔn)模板安裝在棘突上，機(jī)器人便可以識(shí)別出椎板的位置并自主進(jìn)行椎板切除操作。該系統(tǒng)由操作端和控制端構(gòu)成（見(jiàn)圖1）。操作端包括6自由度機(jī)械臂（遨博AUBO-I5），力傳感器（SRI，上海宇力有限公司），超聲骨動(dòng)力系統(tǒng)（水木天蓬XD880A型），以及雙目光學(xué)攝像頭（鑄正機(jī)器人有限公司）。超聲骨動(dòng)力系統(tǒng)的手柄末端裝載有機(jī)器人專用鈦合金刀片。刀片為方形，其尖端寬3 mm，厚0.7 mm。機(jī)械臂采用遨博智能科技有限公司的6自由度機(jī)械臂，最大觸及距離是886.5 mm，最大負(fù)載是5 kg。機(jī)器人系統(tǒng)的控制端集成在臺(tái)車的工作站中，其中包括專門開發(fā)的術(shù)前規(guī)劃軟件及術(shù)中操作軟件。通過(guò)將椎體的CT資料導(dǎo)入術(shù)前規(guī)劃軟件中，術(shù)者可以對(duì)椎板切除的路徑進(jìn)行規(guī)劃，同時(shí)軟件會(huì)生成3D打印配準(zhǔn)模板的模型。術(shù)中操作軟件可對(duì)超聲骨動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)及機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)控。

圖1 脊柱機(jī)器人系統(tǒng)示意圖，包括6自由度機(jī)械臂、力傳感器、超聲骨動(dòng)力系統(tǒng)、雙目攝像頭及集成在臺(tái)車中的工作站。左下部分顯示了操作時(shí)3D打印配準(zhǔn)模板、椎體骨和機(jī)器人系統(tǒng)的相對(duì)位置關(guān)系

該機(jī)器人的切削策略采取的是逐步垂直切削。機(jī)器人首先將刀尖懸停在切割路徑起始點(diǎn)上方，然后垂直向下進(jìn)行切割，直到系統(tǒng)通過(guò)力傳感器的數(shù)據(jù)獲知即將穿透椎板，機(jī)器人停止切削。隨即抬起機(jī)械臂，沿切削路徑向末端移動(dòng)2.5 mm（小于刀片寬度），重復(fù)垂直切削。直至完成整條路徑上的垂直切削步驟。

1.3 操作流程

1.3.1 術(shù)前準(zhǔn)備

獲取腰椎標(biāo)本的CT數(shù)據(jù)，在術(shù)前規(guī)劃軟件上規(guī)劃椎板切除路徑。同時(shí)軟件自動(dòng)生成3D打印配準(zhǔn)模板的模型。該配準(zhǔn)模板分成兩個(gè)部分，底部為貼合棘突的安裝部分（該部分會(huì)縮小0.5 mm，以實(shí)現(xiàn)和棘突的過(guò)盈配合，有利于裝配的穩(wěn)定性），頂部則是包含有4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的示蹤器部分（見(jiàn)圖2）。手術(shù)前將3D打印配準(zhǔn)模板打印出來(lái)。

圖2 裝在椎體棘突上的3D打印配準(zhǔn)模板，模板下方為安裝部分，上方為帶有4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的示蹤器部分

1.3.2 術(shù)中操作

將處理好的腰椎標(biāo)本固定在卡具上，將3D打印配準(zhǔn)模板安裝在棘突上。在術(shù)中操作軟件的控制下，只需要由術(shù)者發(fā)出開始指令，機(jī)器人便可按照術(shù)前規(guī)劃的切割路徑在術(shù)者的監(jiān)視下自動(dòng)進(jìn)行椎板切除操作。同時(shí)，術(shù)者可以通過(guò)急停按鈕在機(jī)器人操作的任何階段停止機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.4 研究方法

利用該脊柱機(jī)器人系統(tǒng)在10例腰椎標(biāo)本的椎板兩側(cè)各進(jìn)行一次切削操作，以實(shí)現(xiàn)椎板切除。一共進(jìn)行20次椎板切削操作。手術(shù)前后均對(duì)標(biāo)本進(jìn)行CT掃描。評(píng)測(cè)指標(biāo)主要包括：①椎板切除的時(shí)間，從超聲骨刀第一次接觸椎板的外側(cè)皮質(zhì)骨開始計(jì)時(shí)，到最終完成椎板切除所需要的時(shí)間；②椎板切除操作的準(zhǔn)確度，利用Mimics軟件將術(shù)前規(guī)劃的切割下來(lái)的椎板和實(shí)際切割下來(lái)的椎板，通過(guò)棘突的形態(tài)特征進(jìn)行擬合重疊。在切割起始點(diǎn)和終止點(diǎn)處測(cè)量規(guī)劃切割面和實(shí)際切割面的距離，作為體現(xiàn)椎板切除準(zhǔn)確度的指標(biāo)。

2 結(jié)果

在10例腰椎標(biāo)本的兩側(cè)進(jìn)行了20次椎板切削操作（見(jiàn)圖3）。一共進(jìn)行了212次垂直切削，平均每側(cè)的椎板切削需要10.6次垂直切削來(lái)完成。單側(cè)椎板切除的平均時(shí)間為（172.55±33.23）s。規(guī)劃切割面和實(shí)際切割面在起始點(diǎn)的距離為（0.99±0.46）mm，在終止點(diǎn)的距離為（0.85±0.55）mm。

圖3 A.規(guī)劃切割面和實(shí)際切割面切割起始點(diǎn)的距離；B.規(guī)劃切割面和實(shí)際切割面在切割終止點(diǎn)的距離

3 討論

現(xiàn)如今，輔助椎弓根置釘?shù)募怪鶛C(jī)器人已成功應(yīng)用于臨床[12]。相比之下，在機(jī)器人輔助椎板切除領(lǐng)域，目前的研究基本都停留在實(shí)驗(yàn)室階段，尚無(wú)完整成型的機(jī)器人面世[13]。筆者既往的研究報(bào)道了一款自主開發(fā)的協(xié)作型脊柱機(jī)器人系統(tǒng)[10]，該系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了切削過(guò)程中對(duì)椎板“外層皮質(zhì)層—中間松質(zhì)層—內(nèi)層皮質(zhì)層”這三種層次及最終“穿透”狀態(tài)的識(shí)別，一定程度上保證了機(jī)器人操作的安全性。然而，這套系統(tǒng)仍需要術(shù)者手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)器人的起始位置和姿態(tài)，并依靠術(shù)者發(fā)出開始和結(jié)束指令。這使得椎板減壓的范圍還是只能依據(jù)術(shù)者經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)辨認(rèn)椎板的形態(tài)來(lái)選擇。為了使椎板減壓的范圍更加精準(zhǔn)，筆者在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入了術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)和術(shù)中導(dǎo)航系統(tǒng)。通過(guò)前者，手術(shù)醫(yī)師能在術(shù)前基于椎體的CT數(shù)據(jù)對(duì)椎板減壓范圍做出精準(zhǔn)規(guī)劃。而后者可以引導(dǎo)機(jī)械臂按照規(guī)劃的路徑執(zhí)行椎板切除操作。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)執(zhí)行的椎板切除的真實(shí)切割線與術(shù)前規(guī)劃路徑的切割線平均誤差在1 mm左右，基本符合臨床需求。

3D打印技術(shù)在脊柱領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在解剖學(xué)研究、教學(xué)、手術(shù)規(guī)劃導(dǎo)航及3D打印內(nèi)植入物這幾個(gè)方面[14-16]。其中，手術(shù)規(guī)劃及導(dǎo)航主要是圍繞輔助椎弓根定位、鉆孔或者置釘來(lái)進(jìn)行[17-19]。本研究為3D打印技術(shù)在機(jī)器人輔助椎板切除領(lǐng)域的首次應(yīng)用。該機(jī)器人系統(tǒng)的術(shù)前規(guī)劃軟件基于術(shù)前CT資料提取每個(gè)椎體棘突的形態(tài)，并基于該數(shù)據(jù)生成每個(gè)椎體對(duì)應(yīng)的3D打印配準(zhǔn)模板的模型。術(shù)中術(shù)者只需要將配準(zhǔn)模板安裝在棘突上，就完成了配準(zhǔn)操作，省略掉煩瑣的術(shù)中配準(zhǔn)過(guò)程，節(jié)省手術(shù)時(shí)間。同時(shí)，相較于依靠C型臂或O型臂進(jìn)行配準(zhǔn)的方式而言，該技術(shù)不需要術(shù)中透視，使得患者和手術(shù)醫(yī)師免于放射線輻射的傷害。不足之處在于術(shù)中需要對(duì)棘突上的軟組織進(jìn)行徹底的剝除，且不能對(duì)棘突的骨性結(jié)構(gòu)造成破壞，否則會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)板放置的位置不準(zhǔn)，影響配準(zhǔn)精度。其次就是雖然縮減了術(shù)中時(shí)間，但術(shù)前準(zhǔn)備時(shí)間明顯增加，在獲取了CT資料后，需要規(guī)劃路徑并設(shè)計(jì)導(dǎo)板，這個(gè)時(shí)間往往需要2～3 d。即便如此，考慮到其廉價(jià)性及便利性，在保證安全的情況下，筆者認(rèn)為額外的時(shí)間成本是可以接受的。

本研究也存在一些局限性。首先，這是一個(gè)基于動(dòng)物脊柱骨的體外研究，且試驗(yàn)對(duì)象為單個(gè)椎體骨。而在真實(shí)的臨床情況下，椎旁肌、韌帶，甚至于上位椎體的下關(guān)節(jié)突對(duì)椎板切除操作均存在一定的影響。其次，離體研究由于沒(méi)有呼吸運(yùn)動(dòng)的干擾，椎體始終在一個(gè)不變的位置上，這在很大程度上簡(jiǎn)化了操作難度。最后，和之前提到的一樣，基于3D打印配準(zhǔn)模板的方式對(duì)裝配精度的要求很高，如果裝配過(guò)程中出現(xiàn)偏差，則后續(xù)進(jìn)行椎板切除的范圍就會(huì)出現(xiàn)偏差。后續(xù)筆者會(huì)針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究，加入對(duì)呼吸運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償及多模式融合的狀態(tài)識(shí)別方案，以應(yīng)對(duì)臨床上復(fù)雜的真實(shí)環(huán)境。