S3D-一种用于机器人脊柱固定手术的空间可转向钻孔框架-计算机科学-机器人-医疗健康.pdf

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Systems.

SD：一种用于机器人脊柱固定手术的空间可转向钻孔框架

DaniyalMaroufi,XinyuanHuang,YashKulkarni,OmidRezayof,SusheelaSharma,VaibhavGoggela,

JordanP.Amadio,MohsenKhadem,andFarshidAlambeigiMember,IEEE.

Abstract—在这篇论文中，我们介绍了SD：一种用于机

器人脊柱固定程序的空间可转向钻孔框架。SD旨在实现现实

的可转向钻孔，同时考虑到与脊柱固定(SF)程序中的椎体通道

相关的解剖学限制。为此，我们首先改进了之前设计的同心管

可转向钻孔机器人(CT-SDR)，以在脊柱的所有椎体水平上实

现可转向钻孔。此外，我们提出了一种四阶段校准、配准和导

航程序，通过将CT-SDR与七自由度的机器人操作器结合，在

本一个脊柱假体上执行现实的SF程序。该框架的功能性通过椎

译体假体中的平面和非平面可转向钻孔实验得到了验证。

中I.介绍

1脊柱固定（SF）是治疗各种脊柱疾病中最常见的外

v

9科手术之一，包括椎体压缩性骨折、需要进行椎体重建的

Fig.1.由7自由度KUKA机器人臂、CT-SDR、C形臂X射线机、

7脊柱肿瘤以及退行性脊柱疾病[1]。作为SF的金标准方脊柱仿体和NDI光学跟踪系统组成的实验装置。目标椎骨以放大视图

7

1法，经皮螺钉固定术（PSF）是一种微创的影像引导手术显示。在X射线机的显示器上还展示了钻导孔阶段的X射线扫描图像。

0.程序，使用刚性的钻孔器械在椎骨的椎弓根中创建一条足会增加固定失败、螺钉松动或拔出的风险[3]–[5]。此

7线性隧道。然后将一根刚性椎弓根螺钉（RPS）插入该隧外，这个程序的复杂性要求手术医生具备高超的技术和

0

5道以到达椎体的松质骨区域，并固定椎骨[2]。尽管PSF丰富的经验。而且，器械在关键解剖结构周围的活动受

2具有诸多益处，但手术器械和椎弓根螺钉的刚性以及脊到限制可能会导致神经血管受损以及对神经根和/或脊柱

:

v柱复杂的解剖结构为这类手术带来了一些挑战。首先，由的损伤，以及螺钉放置不当和固定失败。

i

x于缺乏器械操控性和对椎体有限的可及性，难以达到钻为了部分克服这些挑战，已经开发了几种导航和机

r

a孔和螺钉放置的最佳角度。这个问题在骨质疏松症椎体器人技术[6]。手术导航系统利用术前成像技术（如CT

中尤为显著，在这种情况下，骨骼矿物质密度（BMD）不扫描）以及/或术中成像方法（如透视）来构建患者椎骨

的全面3D模型[7],[8]。通过使用光学跟踪系统，外科医

*Theseauthorscontributedequallytothiswork.生可以实时追踪这些仪器相对于这个3D模型的位置。这

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