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脊柱导航辅助机器人技术的现状及远期展望

作者:admin/ 阅读量:346/ 发表时间:2024-06-16

  弁言

  临床大夫普通须要好长时候技术造就和经历积聚才有充足的才能介进手术,尤其是脊柱外科的手术更须要大夫操纵的精确性,由于渺小的错误就会带来灾难性的结果。就脊柱外科最普遍的椎弓根螺钉内固定手艺来说,首先须要用尖锥和开路器正在椎弓根中钻出螺钉置进通道,然后才能将螺钉拧进。正在这个进程中,必需包管螺钉置进通道一直正在椎弓根内部。普通来说,亚洲人种腰椎椎弓根的直径仅仅正在8 mm摆布,而其他椎体的椎弓根直径乃至比8 mm还要小。这也就意味着螺钉置进通道四周几毫米便是脊髓和神经根,所以全部螺钉置进进程 即便经历丰富的大夫好长时候精力高度集中,仍旧不克不及包管螺钉置进的精确性和安全性。而且,大夫正在好长时候的手术进程中不可避免会涌现肌肉疲劳,这也就致使了大夫正在运用尖锥和开路器钻造螺钉置进 通道时产生手部肌肉发抖,乃至造成尖锥或开路器滑移的也许。所以若何有用削减手术时候并尽量进步螺钉置进通道的安全性和精确性是一直以来的研讨标的目的。

  近年来,伴随着计算机导航辅佐技能和机械工业的成长我们已研发出了浩瀚的手术辅佐机械人,这一些机械人绝多数已证明了其正在临床范畴的重要作用,好比Da Vinci Robot手术机械人体系已广 泛地应用于腹腔镜手术和泌尿外科手术中。机械人具有精度高、重复性好、耐疲倦等长处。机械人的机械臂还能够转出人手段、手指没法企及的角度,这使得手术辅佐机械人正在临床上具有很大的潜力,还注 定手术辅佐机械人会成为外科医生的抱负辅佐。因为脊柱四周的庞大剖解布局,脊柱导航辅佐机械人范畴一直是个禁地。而现正在,脊柱导航辅佐机械人的研讨终究取得了突破性的进度,还展现了其正在辅佐手术层面优秀的本领。可是脊柱导航辅佐机械人仿照照旧处于其开端成长阶段,另有很长的路要走,要完善的不敷还还许多。

  1 近况

  运用传统要领开展椎弓根螺钉内固定手艺即盲打手艺开展椎弓根螺钉置入的时分,终极途径取设计最优途径产生位移大于1 mm的几率很高,正在一组实验中乃至达到了37.5%。产生这么高位移率的主要原因多是因为术中不能够常常看到开路器和螺钉的位置所致使的。目前许多病院已起头运用计算机辅佐导航体系,以期降低椎弓根螺钉内固定手术过程中的螺钉偏移,简直运用导航体系能够有用进步椎弓根螺钉内固定术的精确性取安全性,乃至能够正在椎体轴向产生扭转的情形下包管螺钉置入的精确性。可是因为手术工夫较长,而且 照旧依附大夫徒手开展螺钉置入难免会受到人的生理情形限定,可能会因为颤动和滑移致使螺钉置入精确性降低。取此同时大夫正在操纵导航器械的取此同时还需要常常存眷导航显现器上显现的器械结尾的位置,这也可能会涣散手术大夫的精神。有一些器械和辅佐体系试图经过标志术前设计的最好钉道来进步螺钉置入的精确性,可是因为各种限定而没有被遍及运用于临床。

  为了办理上述问题,大批研究机构最先研发脊柱导航帮助机械人,部份脊柱导航帮助机械人曾经上市,也是有良多相干文章被颁发。依据巳经颁发的文章,取脊柱外科相干的手术帮助机械人一共有18款。这18款机械人当中被脊柱外科医生们存眷最多的是以色列的SpineAssist ( 2003 年)、韩国的 SPINEBOT vl ( 2005 年)和 SPINEBOT v2 ( 2010 年)、德国的 VectorBot (2006)和瑞士的 Neuroglide(2012)。这一些机械人依据构造分歧又被分为基于串连体系的脊柱导航帮助机械人和基于并联体系的脊柱导航帮助机械人。

  1.1基于串连体系的脊柱导航辅佐机器人

  循名责实,串连式机器人的特点便是机器人的各个机器臂以串连的体式格局毗邻正在一起。串连式机器人研讨得较为成熟,其具有构造简朴、节制简朴、灵活性高、活动空间大、可以准确完成体系规定的行动等特点。串连式机器人已成功地应用于许多范畴,例如各类机床、装配车间等。正在脊柱导航帮助机器人范畴中,比较有代表性的串连式机器人是 SPINEBOT vl、SPINEBOT v2、VectorBot 和 Neuroglide 等。2000年韩国汉阳大学的一个研讨小组展现了可以实现主动钻孔的SPINEBOT vl。SPINEBOT vl具有7个自由度,采取名为HexaView的术前设计软件,该软件可以由6个差别的角度展现病人的术前CT或MR,进而可以更准确地举行术前设计。SPINEBOT vl的光学追踪体系采取的是NDI Polaris光学组件,依托定位球面反射的位置来肯定手术器械和病人的相对位置。SPINEBOT vl还划时代地利用了呼吸活动校订体系,可以有效地减小因为病人呼吸活动所导致的器械末尾定位偏差。2010年展现的SPINEBOT v2虽然命名为SPINEBOT v2,然则却是一台全新设计的脊柱导航帮助机器人,这台机器人唯一5个自由度,更主要的是它的末尾利用的是更加简朴的器械垄断安装而非SPINEBOT vl 所利用的钻孔设备,其对手术器械和病人位置的定位还改由经过双平面接连透视实现。SPINEBOT v2正在尸首骨的14枚椎体上举行了 28枚螺钉的置入实验,术后CT证明28枚螺钉中的26枚(92. 86%)螺钉位置合意,均匀轴向角度偏差为2.45°± 2.56°,均匀侧向角度偏差为0.71°± 1.21°。

  只管基于串连体系的脊柱导航帮助机器人的尸身骨实验精度较高,可是,仍是不能够到达临床请求。串连式机器人因为其串连的特点存正在以下题目:①机器人体积较大,占有了手术室有限的空间,机器臂正在运动过程中轻易遇到手术室的其他物体。②串连机构各个机器臂的偏差是叠加的,累计偏差有大概招致机器人末尾的定位精度低落。③串连机构只有一个底座,而伴随着串连机器臂的增加,器械末尾的稳定性将低落,轻易招致器械末尾的不稳定。

  1.2基于并联体系的脊柱导航辅佐机器人

  并联式机器人的研讨取串联式机器人相比则起步较晚,但发展速度却比串联式机器人快。并联式机器人的布局决意了其具有体积小、定位精度高、状况保持性好、器械末了稳定性佳等长处。而其中最具有代表性的便是已得到美国FDA(Food and Drug Administration )及欧洲 CE (Communate Europpene)认证的SpineAssist。SpineAssist直径50mm,高80mm,总质量仅为250g,依赖其彼此平行的6台机电而具有6个自由度,事情范围由其外伸的导向臂决意,其事情平台运用单独开辟的用户交互平台,正在这个平台上能够完成术前影象学数据的注册,并凭据影象学数据为手术设计螺钉置入通路。 SpineAssist将术前影象学材料和术中C形臂扫描的影象学材料彼此对应,由而将术前设计的螺钉置入通路导入到术中的图象中,并依赖事情平台中的操作系统举行掌握置钉。SpineAssist主机平台固定正在特制的T形架上,主机平台能够正在这个特制的T形架上挪动得手术部位,T形架上有19个可供挪动位置,挪动到哪一个位置举行手术是由SpineAssist凭据术前设计而决意的。T形架则依赖一枚克氏针和两枚骨圆针固定正在棘突及两侧的髂后上棘上。术中SpineAssist凭据术前影象学取术中C形臂影象学数据相对应的后果,并参照术前设计螺钉置入通路的位置和角度调解6台机电的姿势,手术大夫只需要衔接导向臂,并沿着导向臂所给出的标的目的用电钻打孔置钉便可。SpineAssist有效地增加了椎弓根螺钉内固定手艺的安全性和精确性,并有效地减少了大夫暴露正在射线下的时候。

  关于SpineAssist的更进一步材料能够参考之前报导过的内容。这个脊柱导航帮助机器人不只能够用来为电钻钻造钉道干指引,还可认为尖锥及开路器供应导航,保障椎弓根螺钉内固定手艺的精确性。其安全性和精确性曾经经由大批体外实验和多中间临床实验所证明。体外实验中,SpineAssist 预期螺钉置入通路相较于术前设计的螺钉置入通路均匀偏移1.02 mm ±0.56 mm。Hu等正在95名病人身上利用SpineAssist开展椎弓根螺钉内固定术,岁数分布为12~79岁,共置钉960枚,此中949枚(98.9%)置入乐成而且包管了精度。S. R. Kantelhardt还正在SpineAssist地帮助下为55名病人开展了椎弓根螺钉内固定术,岁数分布为24~86岁,植入共250枚螺钉,此中置钉精确度分布正在0 ~ 1级的占94. 5%,轻度偏移的还便是2级的为4.3%,中度3级偏移及重度4级偏移的比率为0.7%和0.4%,而作为比较,用传统办法置钉各个级另外偏移比率分别为91.5%、5.0%、1.9% 和 1.6%。

  虽然并联式机器人的精度很高,还达到了临床规定,但并联式脊柱导航辅佐机器人还存在着一些问题:①并联式机器人的硬件及软件设计更加庞大,设计周期更长。②并联机器人的事情空间有限,尤其是绕轴位的事情范围小。

  自打脊柱导航帮助机器人面世以来,不论是串联式或是并联式脊柱导航帮助机器人,大批的文章和实验不停证明脊柱导航帮助机器人存在以下的长处:①淘汰大夫和护士的辐射露出;②螺钉置入的精确性更高;③凭据术前CT提早拟定手术计划;④更轻易注册并淘汰了手术工夫。

  2 远期预测

  脊柱导航帮助机器人的进步正在脊柱外科行业是一个了不得的打破,然则也有许多题目须要进一步研讨。好比若何设计更好的术前设计界面,若何更好地展示手术相干部位的影象学材料,若何使机器人更好地婚配手术部位的剖解布局等。脊柱导航帮助机器人还必须革新其正在临床上的实用性,以上提到的串联式及并联式导航帮助手术机器人皆存正在事情空间过大或太小的题目,所以有须要处理这一题目。为了与此同时保障手术过程的精确度和手术操纵的简单性,能够研讨混联机器人,虽然今朝展开的研讨还未几,但其具有较好的进步前景。

脊柱导航辅助机器人技术的现状及远期展望

  已有的脊柱导航辅佐机械人正在浩繁的实验中曾经证明了它的精确性,正在临床中的利用还曾经证明了其正在退变椎体以致畸形椎体开展椎弓根螺钉置入的优良结果。而今能够利用脊柱导航辅佐机械人正在 腰椎以致胸椎干螺钉内固定术并实现优良的精确性,但更盼望呈现可认为颈椎实行手术的脊柱导航辅佐机械人。 颈椎椎弓根直径唯一5~7 mm,枕颈接壤区、寰枢枢纽及上颈椎还连接有庞杂的剖解构造,庞杂病变形成剖解构造的变革对临床大夫来讲仍旧是一个很大的挑衅,手术过程中极易对脊髓、神经根及四周血管形成损伤,比较严重的以致大概致使灾难性结果。自然这个中一部分原因是因为影象学偏差及手术过程中手部肌肉的颤动和滑移致使的,但其本质照样因为上颈椎自己过于庞杂的剖解构造所致使。所以应进步颈椎手术的精确性取安全性,这还有赖于脊柱导航辅佐机械人的进步。Kostrzewski曾经正在研讨可认为颈椎实行手术的脊柱辅佐机械人Neuroglide,并曾经开端正在尸首骨上开展试验,盼望Neuroglide能够早日利用于临床。

  脊柱导航辅佐机器人进展的枢纽,还正在于术前、术中图象的婚配精度及术中注册精度、追踪精度的进步。现正在绝多数机器人术前设计是根据病人术前 CT举行,再经过术中C形臂大概0形臂的扫描举行对照堆叠,然后根据导航体系的NDI Polaris光学组件完成注册和器械的追踪,可是脊柱导航辅佐机器人手艺却恰好被以上图象体系的成像体例所限定,根据CT、C形臂、0形臂等仪器获得的影象学数据一旦举行三维重建则都市存正在必定的偏差,可能会提升椎弓根螺钉置入过程中产生的偏移,取此同时导航体系的NDI Polaris光学组件自己还存正在着精度题目,其偏差正在0.35mm摆布。若是可以革新影象学成像体系,例如使用更好的三维成像算法并革新导航的追踪体系,乃至使用其他精度更高导航追踪体系,进步全部导航体系精度,则可以降低螺钉置入过程中产生的偏移。为了降低导航扶引器取病人间的相对位移,一方面可以革新扶引器的设计,使其取病人的骨性构造连接得更加精密,另一方面还可以接纳更正确的静态监控,常常改正偏差来包管导航体系的精度。

  伴随着脊柱导航辅佐机械人的进展,可以预感不远的未来,手术过程中导航辅佐机械人会据有越来越多的份额,其运用还会由早期的辅佐工具渐渐过渡到可以单独完成手术的手术机械人,而临床大夫的操纵份额将会逐步淘汰,由由一位操纵者逐渐转为一位辅佐手术的观察者。这类脚色转换必须正在机械人硬件和软件可以供应完美的宁静保障的条件下才可以实现。虽然现阶段的脊柱导航辅佐机械人已体现出了很好的宁静性,然则关于脊柱外科大夫来讲还远远不够。辅佐机械人最少要有两重宁静保障系统,乃至多重宁静保障系统。可以运用分外的传感器好比力反馈传感器、音频传感器和视频传感器来进步机械人的宁静系数,这一些传感器要专门设计,具有主动防妨碍安装,可以凭据力反馈旌旗灯号的转变大概音频旌旗灯号、视频旌旗灯号的转变来推断是不是产生大概行将产生毛病,如穿出皮质达到椎管内,然后凭据预先设定的步伐逼迫截止机械人的流动,转由大夫参与,推断是不是正在机械人的辅佐下持续完成手术大概转换由大夫亲自完成手术。还可以设计机械 人的自检软件,逼迫机械人正在每一次手术前举行精度的查验,进而包管手术过程的宁静性。

  脊柱导航帮助机械人范畴是一个由软件设计、 硬件设计、用户界面设计、影象学兼容性设计等范畴彼此连系、彼此合作而发生的医疗尖端范畴,完成那样精致的脊柱导航帮助机械人请求以上各个范畴的 彼此合作,可是脊柱导航帮助机械人的终究使用者是大夫,还只有大夫了解须要导航帮助机械人在手术中起到什么作用,所以这就请求大夫取以上各个范畴的专家彼此交换,彼此促进。医学、计算机技术和机械工业的生长促进了脊柱导航帮助机械人的生长,SpineAssist便是一个很好的例子,信赖将来将会有更多脊柱导航帮助机械人泛起。

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