機器人輔助股骨干骨折復位的性能評價

韓 巍，劉文勇，林 鴻，王軍強，蘇永剛，王滿宜＊

（1.北京積水潭醫院 創傷骨科，北京 100035；2.北京航空航天大學生物與醫學工程學院；3.北京天智航技術有限公司）

基于髓內釘內固定的股骨干骨折手術治療是臨床上廣泛采用的一種微創方法，但這種治療手段仍存在著射線輻射劑量大、復位操作精度不高、復位狀態維持困難等不足［1］。近年來，機器人裝置憑借其自主操作、抗輻射、高精度等特點，被用于股骨干復位操作［2，3］，有效緩解了上述問題。

盡管機器人系統已經在股骨干骨折復位操作實驗中展現了良好的應用前景，但對其臨床性能的評價研究相對較少。僅僅依靠醫生的直接觀察來評價復位效果存在主觀不確定性，因此，有必要制定機器人輔助股骨干骨折的效果評價指標，來評測機器人的實際性能。本研究以此為切入點，以股骨干骨折復位機器人為實驗平臺，提出性能評價指標并開展實驗研究，評估機器人系統在股骨干骨折復位操作過程中的有效性和有用性。

1 材料與方法

1.1 骨折復位機器人設備

股骨干骨折復位機器人是一臺6自由度并聯機構，可直接安裝在骨科手術床上（圖1）。該機器人利用術中實時采集的C臂透視圖像進行手術規劃，來引導并聯機構帶動股骨干的兩段折骨完成自動化的復位操作。機器人本體的性能指標是：操作范圍50 mm，定位精度1.0 mm，復位操作力50 kg。

圖1 骨折復位機器人

1.2 手術規劃原理

手術規劃在二維透視圖像上進行，其基本原理是：分別采集股骨干的正側位透視圖像，以健側骨段為參考，對骨折后的骨段進行理想力線及骨長的恢復（圖2）。規劃時，首先輸入患肢初始骨長、規劃目標骨長、圓環內徑等規劃信息，并據此計算出機器人各個桿件的運動相關信息（輸入的初始桿長、計算出的復位校正后桿的長度等），用于驅動機器人運動。

1.3 實驗標本和評測指標

實驗采用8例模型股骨，用來檢驗機器人輔助股骨干骨折復位的實際效果。成像設備采用PHILIPS BV Libra C臂。評測指標設定為：（1）兩段折骨之間的軸向偏移；（2）兩段折骨之間的徑向（橫向）偏移；（3）兩段折骨軸線之間的角度偏差。采用統計學方法進行誤差分析。

圖2 手術規劃原理

1.4 實驗過程

實驗流程設計如下：

＊ 采集健肢圖像：將透光尺置于健肢下方，在健側對應骨的近遠端關節處用C臂分別采集X光圖像，建立簡化的三維模型，并測量檢測骨長。

＊ 在患肢上固定并聯機器人：組裝機器人并完成初始化，然后用自攻鋼針將機器人固定在近、遠端圓環處的斷骨兩側。

＊ 采集患肢圖像：將透光尺的零標度對準股骨遠端平臺，采集正側位X光圖像。

＊ 手術規劃：根據健側近遠端兩幅光片中的標尺計算出所需恢復的骨長，并輸入數據庫。然后進行手術規劃，給出骨長及目標骨長、軸向旋轉角度、圓環直徑、骨類型等規劃信息。

＊ 機器人復位：機器人按照規劃信息進行復位操作。

＊ 復位指標測定：獲得復位好的股骨干和機器人狀態的圖像，導入手術規劃軟件，測量出三個指標的具體數據值（圖3）。

圖3 測量指標的軟件界面

2 結果

復位路徑規劃軟件操作簡單，復位機器人自主運行順暢。根據誤差的“3σ”原則進行統計，得到：（1）兩段折骨之間的軸向偏移：均值1.31 mm，標準差0.46 mm，可以認為軸向偏移誤差為（－0.07，2.67）mm。（2）兩段折骨之間的徑向（橫向）偏移：均值2.44 mm，標準差0.50 mm，可以認為軸向偏移誤差為（0.95，3.92）mm。（3）兩段折骨軸線之間的角度偏差：均值2.26°，標準差0.23°，可以認為軸向偏移誤差為（1.56，2.96）°。

表1 測量結果值（N＝8）

3 討論

在股骨干骨折髓內釘內固定手術中，傳統的復位操作存在幾點不足。首先，復位操作過程中需要不斷地進行X光照射，以確保復位的正確性：這對醫生和病人的輻射比較大，受輻射的平均時間普遍在（158－316）秒［4］。其次，醫生在復位過程中只能通過不斷地采集透視圖像來觀察骨折部位的復位狀態，所獲得的信息不充分，缺乏定量化的復位信息。最后，復位操作的精準度不高：手動復位的效果很難精確達到術前的規劃位置，在復位完成后也很難維持復位狀態。

隨著信息技術和機器人技術的發展，基于醫學影像引導的機器人輔助復位方法被引入股骨干復位操作，從而為克服上述問題提供了可能。機器人具有自主操作、抗輻射等特點，可有效提高復位精度，降低射線對醫患雙方的輻射，因而在骨折復位中受到廣泛重視，如德國的Füchtmeier等人研制了一套基于Steubli工業機器人的復位機器人系統“RepoRobo”［5］，日本的 Warisawa等人研制了一臺6自由度的骨折復位機器人［6］，這兩種機器人先后完成了模型骨實驗，表明機器人可以實現骨折在所有平面上的精確復位。

但是，與骨科定位機器人相比，骨折復位機器人必須滿足更多的操作性能要求。定位機器人只需具備足夠的定位精度即可，對操作負荷要求不高［7］。但在長骨骨折復位中，受肌肉牽拉力的影響，復位操作需要借助相當大的外力（國外的實驗表明：股骨干骨折復位中所需的操作力大約為240 N［5］），而且還必須在復位操作和固定過程中始終維持這樣的力。因此，復位機器人不僅要具備足夠的操作精度，更要具備足夠大的承力能力。而前述的兩種機器人均為串聯機器人，其有效載荷有限，難以滿足長骨骨折復位過程中的操作力要求。從機器人技術角度，并聯機器人具有高精度、大載荷的優點，能更好地滿足復位操作要求，因此，現有的骨折復位機器人大多采用了并聯（或串并混聯）機器人的構型形式。

目前，國內外已經出現了幾種基于并聯機器人構型的骨折復位機器人。日本的Seide等人［8］采用一臺6自由度并聯機器人，可在幾天之內分時段完成長骨骨折復位操作，從而最小化對軟組織的損傷。臺灣的Hung等人提出了一種手術床型復位機器人原型系統［9］，初步具備了膝關節彎曲、大腿牽引和足部旋轉等自動操作功能。解放軍總醫院的唐佩福等人［10］研制了一臺基于術前 的并聯機器人復位系統，并完成了標本實驗。與此同時，為了減少復位過程中的射線輻射，主從操作概念也被引入復位過程，來實現醫生遠距離操作下的骨折復位。德國的Westphal和Gosling等人利用游戲桿來遠程控制股骨干復位［11，12］。哈爾濱工業大學的富歷新等人設計了一種機器人輔助骨折復位系統，包括自動操作臺和并聯復位機器人。上述研究成果已經在實驗測試中展現了良好的應用前景。

但是，骨折復位機器人的臨床性能方面，不同的機器人系統所采用的評價方法和評價指標也不盡相同。Zeide和Hung等人利用高精度的測量設備來計算機器人運動過程中的實際軌跡的精確度（相對于規劃的軌跡）［8，9］。唐佩福等人［10］則采用軸向位移、側向位移、側方成角、內旋／外旋四個參數來評價機器人的復位效果。從臨床來看，這幾個參數能夠較好地表達復位效果。但是，要精確測量這些參數，必須對復位后的狀態進行CT掃描，再利用相關軟件進行處理和計算，操作過程比較復雜。

本文針對自主開發的并聯復位機器人系統，制定了復位操作流程；并制定了基于二維透視圖像的性能評價指標，開展了模型測試實驗，獲得了預期數據。統計結果表明：兩段折骨之間的軸向偏移小于3 mm，徑向（橫向）偏移小于4 mm，為軸向偏移誤差小于3°，滿足骨折復位要求。后續將開展標本測試和模擬臨床測試，進一步測試系統的性能。

長骨骨折復位已經實現了微創化，其發展趨勢是自動化和智能化。隨著對機器人性能的評價指標體系和評價手段的不斷發展和標準化，骨折復位機器人也將日趨完善，從而進一步促進機器人在骨折臨床的應用和推廣。

［1］田 偉.計算機輔助骨科手術學［M］.人民衛生出版社，2011.

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

［3］Paula Gomes.Surgical robotics：Reviewing the past，analysing the present，imagining the future ［J］.Robotics and Computer－Integrated Manufacturing，2011，27：261.

［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.

［6］Warisawa S，Ishizuka T，MitsuishiM，et al.Development of a femur fracture reduction robot［C］，Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation：3999.

［7］阮志勇，Tobias Huefner，羅從風等.機器人輔助股骨干骨折復位［J］.中國組織工程研究與臨床康復，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.

［9］Shuo－Suei Hung，Ming－Yih Lee.Functional assessment of a surgical robot for reduction of lower limb fractures［J］.Int J Med Robotics Comput Assist Surg 2010，6：413.

［10］Peifu Tang，Lei Hu，Hailong Duet al.Novel 3D hexapod com－puter－assisted orthopaedic surgery system［J］.Int J Med Robotics Comput Assist Surg，2012，8（1）：17.

［11］Westphal R，Winkelbach S，G¨osling T，et al.A surgical telemanipulator for femur shaft fracture reduction［J］.Int J Med Robotics Comput Assist Surg，2006，2（3）：238.

［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.