腓骨修復(fù)頜骨重建手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

張弘毅，王興濤，劉筱菁

1.首都醫(yī)科大學(xué)北京電力醫(yī)院 口腔科，北京 100073；2.國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 研發(fā)中心，北京 102211；3.北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院 口腔頜面外科，北京 100081

引言

下頜骨是口腔頜面部的重要組成部分，對(duì)于維持面部輪廓、咀嚼吞咽、語言表情、以及其他功能具有非常重要的作用。下頜骨缺損是一種最常見的口腔頜面部硬組織缺損疾病[1]，如圖1所示。

目前，臨床中下頜骨缺損重建常用血管化腓骨游離皮瓣[2]，手術(shù)中醫(yī)生借助相關(guān)醫(yī)療器械截除病變骨塊，如頜面炎癥、頜骨腫瘤、頜面創(chuàng)傷等（圖2），病變骨塊截除后，下頜骨被分為三段，分別為左側(cè)下頜骨升支骨塊、右側(cè)下頜骨升支骨塊、以及病變骨塊。病變骨塊切除后，將患者自身腓骨塑形后植入到下頜骨中替代病變骨塊（圖3）[3-4]。

圖1 下頜骨缺損患者

圖2 下頜骨病變骨塊切除

圖3 腓骨植入體修復(fù)下頜骨缺損

傳統(tǒng)頜骨重建手術(shù)方法中，醫(yī)生使用直尺進(jìn)行測(cè)量定位，并使用牙合板輔助定位植入體骨塊，由于直尺測(cè)量誤差大，牙合板加工與定位精度低，且術(shù)中更多地依靠醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)不斷進(jìn)行判斷和改進(jìn)，因此，傳統(tǒng)手術(shù)效果較差。計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)給傳統(tǒng)頜骨重建手術(shù)方法帶來了突破性的改進(jìn)[5]。然而，在計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)指導(dǎo)下對(duì)空間點(diǎn)的定位容易，而對(duì)空間物體姿態(tài)的確定較難，而且導(dǎo)航輔助精確定位后仍需醫(yī)生徒手把持與操作，人手操作的顫抖和不穩(wěn)定性導(dǎo)致手術(shù)實(shí)施時(shí)引入人為操作誤差，難以將術(shù)前精確手術(shù)設(shè)計(jì)在術(shù)中準(zhǔn)確實(shí)施，極大地削弱了計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的作用，術(shù)后的效果仍然差強(qiáng)人意[6]。

本文針對(duì)腓骨修復(fù)頜骨重建手術(shù)需求，研發(fā)了一種機(jī)器人系統(tǒng)輔助頜骨重建手術(shù)，通過機(jī)器人輔助醫(yī)生定位并把持兩側(cè)游離升支骨塊和中間腓骨植入體骨塊，實(shí)現(xiàn)骨塊精確的空間定位和姿態(tài)調(diào)整，保證術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)在術(shù)中的精確實(shí)施，提高手術(shù)質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 頜骨重建手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)

頜骨重建手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)主要包括：三臂機(jī)器人、光學(xué)定位儀、定位支架與定位探針、機(jī)器人工作站、力覺交互設(shè)備以及手術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)[7-8]，如圖4所示。

圖4 頜骨重建手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)

（1）三臂機(jī)器人。三臂機(jī)器人用于在術(shù)中定位把持兩側(cè)游離升支骨塊和中間腓骨植入體骨塊，以輔助醫(yī)生完成頜骨重建手術(shù)。

（2）光學(xué)定位儀。光學(xué)定位儀是紅外線導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)時(shí)定位和跟蹤支架與探針的空間位姿。

（3）定位支架與探針。定位支架與探針可以反射光學(xué)定位儀發(fā)射的紅外線，構(gòu)建一個(gè)坐標(biāo)系，由光學(xué)定位儀接收反射的紅外線，獲得該坐標(biāo)系的空間位姿。

（4）力覺交互設(shè)備。控制端配置兩臺(tái)力覺交互設(shè)備，醫(yī)生可用雙手同時(shí)控制三臂機(jī)器人中的兩個(gè)機(jī)械臂，并通過控制軟件實(shí)現(xiàn)被控機(jī)械臂的切換。

（5）機(jī)器人工作站。機(jī)器人工作站運(yùn)行機(jī)器人、光學(xué)定位儀以及力覺交互設(shè)備等控制軟件，實(shí)時(shí)處理各設(shè)備與手術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體控制。

（6）手術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。手術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)術(shù)前手術(shù)方案的設(shè)計(jì)、手術(shù)過程的模擬、并提供目標(biāo)骨塊的理想空間位姿數(shù)據(jù)[9]。

1.2 模型實(shí)驗(yàn)

以實(shí)際患者的頭顱模型作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在機(jī)器人系統(tǒng)輔助下完成頜骨重建手術(shù)，驗(yàn)證機(jī)器人系統(tǒng)的精度。實(shí)驗(yàn)中，由機(jī)器人輔助醫(yī)生定位把持游離骨塊，若機(jī)器人自動(dòng)定位的結(jié)果不夠理想，或希望在術(shù)中修改手術(shù)方案，醫(yī)生可以操作力覺交互設(shè)備進(jìn)行機(jī)器人主從控制。該實(shí)驗(yàn)的基本流程（圖5）如下：① 根據(jù)實(shí)際患者病歷制作頜骨缺損頭顱模型，并在頭顱模型上置入鈦釘，作為標(biāo)志點(diǎn)，用于空間配準(zhǔn)；② 對(duì)頭顱模型進(jìn)行CT掃描，將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入手術(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行三維模型重建，并完成手術(shù)設(shè)計(jì)，模擬腓骨植入體修復(fù)頜骨缺損；③ 設(shè)計(jì)并制作腓骨植入體骨塊模型，根據(jù)手術(shù)設(shè)計(jì)，在腓骨植入體骨塊上置入配準(zhǔn)用鈦釘，用于游離骨塊在機(jī)器人系統(tǒng)中的配準(zhǔn)；④ 啟動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，并完成機(jī)器人系統(tǒng)的空間配準(zhǔn)，機(jī)器人中間臂牢固夾持腓骨植入體骨塊，并完成骨塊在機(jī)器人系統(tǒng)中的配準(zhǔn)；⑤ 根據(jù)術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人運(yùn)動(dòng)，由機(jī)器人輔助定位腓骨植入體骨塊，若有必要，可由醫(yī)生主從控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；⑥ 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)完成后，穩(wěn)固把持骨塊，由醫(yī)生進(jìn)行骨塊之間的連接操作。

圖5 頜骨重建手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)模型實(shí)驗(yàn)

1.3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

選用8個(gè)月至1歲齡的山羊作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，截除山羊下頜骨的部分骨段，以模擬下頜骨缺損，設(shè)計(jì)腓骨植入體樹脂模型來模擬腓骨重建植入體骨段。實(shí)驗(yàn)的基本原理與步驟和模型實(shí)驗(yàn)基本相同，根據(jù)手術(shù)設(shè)計(jì)截取單側(cè)下頜體部分骨段，形成下頜缺損后（圖6a、b），用機(jī)器人的左右臂分別固定連接下頜左右近心骨段，使用探針配準(zhǔn)夾持骨段在機(jī)器人空間中的位姿（圖6c），調(diào)整中間臂末端被動(dòng)關(guān)節(jié)，夾持樹脂腓骨段，并完成腓骨段在機(jī)器人空間的配準(zhǔn)（圖6d）。手術(shù)完成后解除機(jī)器人手臂連接，閉合創(chuàng)口（圖6e、f）。

圖6 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

2 結(jié)果

2.1 模型試驗(yàn)結(jié)果

模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，在機(jī)器人系統(tǒng)的輔助下，腓骨植入體骨塊被定位在術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)的合適位姿處。術(shù)中機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，術(shù)后將修復(fù)后的頭顱模型CT掃描后導(dǎo)入軟件中進(jìn)行誤差色譜分析，結(jié)果如圖8所示，平均誤差為1.974 mm，可滿足頜骨重建手術(shù)需求。

圖7 機(jī)器人輔助定位操作結(jié)果

圖8 誤差色譜分析

2.2 動(dòng)物試驗(yàn)結(jié)果

術(shù)后獲得山羊頭的CT數(shù)據(jù)，進(jìn)行頭顱三維重建，導(dǎo)入軟件對(duì)比分析術(shù)前和術(shù)后的三維圖像，評(píng)估手術(shù)設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)程度。結(jié)果顯示腓骨段與術(shù)前設(shè)計(jì)差異平均值是2.175 mm，下頜升支骨段位置變化平均值為1.170 mm，對(duì)側(cè)下頜骨段位置變化平均值為2.475 mm，如圖9所示。

圖9 色譜分析下頜左右近心骨段和修復(fù)腓骨段術(shù)前和術(shù)后的位置差異

3 討論

口腔顱頜面外科機(jī)器人輔助診療延伸了醫(yī)師的視覺范圍和可操作空間，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治療、減少創(chuàng)傷，提高醫(yī)生的操作精度和手術(shù)能力，開拓了微創(chuàng)診療的新發(fā)展方向[10-12]。1998年，德國(guó)Lueth等[13]提出了第一個(gè)頜面外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)OTTO，用于插入非柔性導(dǎo)管，也可用于在顱骨中植入骨固定物。RoboPoint機(jī)器人系統(tǒng)于2003年研制成功，輔助開展牙齒植入物插入操作[14]。海德堡大學(xué)研發(fā)了應(yīng)用于顱頜面外科截骨術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)RobaCKa，該機(jī)器人系統(tǒng)已在羊尸體頭顱上進(jìn)行了種植床的自動(dòng)銑削測(cè)試[15]。本文研發(fā)的頜骨重建手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)，在一定程度上彌補(bǔ)了計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)所存在的不足，由機(jī)器人輔助醫(yī)生進(jìn)行定位與把持操作，實(shí)現(xiàn)骨塊的空間精確定位和姿態(tài)調(diào)整，從而保證術(shù)前手術(shù)設(shè)計(jì)在術(shù)中的精確實(shí)施。

4 結(jié)論

模型實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人能夠完成下頜骨重建手術(shù)中游離骨塊的植入、定位及穩(wěn)固把持。術(shù)中機(jī)器臂運(yùn)行平穩(wěn)，配合主從控制，可正確定位骨段的位置和姿態(tài)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，下頜骨修復(fù)后形態(tài)基本不變，植入腓骨的位置誤差可滿足手術(shù)需求，然而該機(jī)器人系統(tǒng)仍處于試驗(yàn)階段，距離臨床應(yīng)用還有諸多技術(shù)、政策、成本等難點(diǎn)需要突破[16-17]。