UG平台机器人辅助微创冠状动脉搭桥手术的创口术前规划*★

翁旦1，薛春芳1，徐榕1，蔡俊锋2，赵强2

课题背景：机器人辅助微创心脏外科手术通过胸壁上几个创口进行复杂的手术操作，手术创伤小，恢复快。不恰当的手术创口，不仅达不到微创效果，甚至会影响整个手术的操作和成败，因而合理的术前规划对确定手术创口和手术路径、操纵机器人有重要意义。传统的术前规划对经验依赖强，缺乏定量指标。UG平台的术前创口规划系统则通过交互方式，优选出具有患者个体差异的创口位置，提高微创手术的安全性和成功率。

应用要点：UG平台机器人辅助微创冠脉搭桥手术术前规划通过对患者计算机断层扫描数据的转化，在通用的计算机辅助设计平台（UG）上实现了患者三维影像重建。在对解剖学知识和手术器械的运动建模的基础上建立了微创创口优选准则的数学模型。医生通过交互的方式放置创口，由软件进行优选并给出推荐的创口位置。理论分析和统计表明，和目前根据经验确定的创口比较，在内窥镜视野范围、手术器械操作的便利性等指标上均有明显改善。

同行评价：文章是一篇新技术应用论文，介绍了AESOP 3000手术机械臂为基础的术前规划系统的应用和UG为工具的二次手术切开的优化。利用CT影像用Mimics三维重建患者肋骨、心脏及其相关的血管，用UG进行二次切开优化开发，拟创建出一个可视化的切口规划的平台，对临床很有帮助。这类应用国内不多，本文结果对今后的应用有指导意义。

1上海交通大学机械与动力工程学院，上海市 200030；2复旦大学附属中山医院，上海市 200032

翁旦★，男，1982年生，江苏省苏州市人，2008年上海交通大学毕业，硕士，主要从事基于CAD/CAE的机器人辅助心脏外科手术的术前规划研究。
wengdan@sjtu.edu.
cn

通讯作者：徐榕，男，博士，副教授，上海交通大学机械与动力工程学院，上海市 200240 rxu@sjtu.edu.cn

摘要：目前机器人辅助微创冠状动脉搭桥手术的创口规划停留在术前阅片，术中结合骨性标志决定手术方案的方式，个体差异大，依赖主观经验，缺乏客观衡量指标。针对现状，文章提出并实现了一套交互式创口术前规划方法。该方法首先根据解剖学知识和手术机器人运动学规律，建立了创口规划的优化标准，其次利用患者计算机断层扫描数据，重建患者心脏和肋骨模型，建立了交互式创口规划环境，具有创口放置和优选等功能，医生在该环境下进行虚拟创口放置，由计算机根据优化标准进行筛选，给出3个最优创口位置用来通过内窥镜和左右器械。6例患者数据统计表明，在手术器械可操作性、灵活性、手术视野覆盖范围等指标上较传统方法有明显改善。此方法在通用计算机辅助设计软件平台上通过二次开发完成，使用直观，结果具有客观性。
关键词：UG/OPEN；MIRCABG；微创；术前规划；数字医学

翁旦，薛春芳，徐榕，蔡俊锋，赵强.UG平台机器人辅助微创冠状动脉搭桥手术的创口术前规划[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(22):4237-4240 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-22/22k-4237(ps).pdf]

中图分类号: R311
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)22-04237-04

UG platform based preoperative wound planning of minimal invasive robot-assisted coronary artery bypass grafting

Abstract: Preoperative wound planning is of great significance to minimal invasive robot-assisted coronary artery bypass grafting. The current program and method are based on the bone markers and the surgeons' experience, lacking of quantitative rules. In this paper, a quantitative preoperative wound planning method is proposed. First, quantitative wound planning rules are built up based on anatomy and kinematic rules of operative robot. Patient 3D model of heart and rib is reconstructed on CT scanning images and imported to an interactive graphical environment, where surgeons can place the wound on the 3D model. Three placed wounds are selected based on the rules automatically and presented under endoscope and operative tools. By comparing the selected and regular wounds of 6 cases, the agility of operation, surgical site accessibility, and view scope relative to traditional method are significantly improved. The novel method and graphic environment are implemented on general purpose computer aided design software platform UG, so the results are objective.

Weng D, Xue CF, Xu R, Cai JF, Zhao Q.UG platform based preoperative wound planning of minimal invasive robot-assisted coronary artery bypass grafting. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(22):4237-4240(China) [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-22/22k-4237(ps).pdf]

机器人辅助微创冠状动脉搭桥手术是心脏外科手术的一大飞跃，是医学与生物工程学、仿真技术、机器人技术、计算机远程控制技术相结合的产物。它的出现使心脏外科手术有可能摒弃过去的创伤大、恢复慢的手术方式，提出了新的手术理念——微创心脏外科手术，达到手术创口美观，手术创伤小，恢复快，住院时间短和减少总的治疗费用的目的。
术前规划即手术前获得患者病灶处的图像，然后结合医生的解剖学和病理学知识，进行手术规划，得到手术方案，为手术提供正确的指导，并对手术中可能出现的问题有足够的估计，制定应对措施，从而提高手术安全性和手术成功率。目前，心脏冠状动脉搭桥手术临床上常用的术前规划方式绝大多数还停留在手术前医生阅片，在主观想象中重建其立体结构，术中结合骨性标志决定手术方案的方式，这种方式的缺点在于个体差异较大，对于经验的依赖较强，缺乏客观有效的衡量指标，因此拥有科学的术前规划的必要性在机器人辅助微创冠脉搭桥手术中得到了充分的体现[1]。
国外涉及心脏冠脉搭桥手术的术前规划研究的主要有：加拿大的TM. PETER最先尝试应用三维影像图像进行冠脉搭桥手术的术前规划研究[2]。法国INRIA的CHIR医疗机器人研究组的核心人物LOUAI ADHAMI和EVE COSTE-MANIERE以最先进的心脏手术辅助机器人DAVINC系统作为研究对象，使机器人辅助心脏外科手术的术前规划的研究有了长足的发展[3-4]。近年来,德国DLR研究中心的KONIETSCHKE.R等进行了对手术中出现的，由于呼吸造成体位变化以及胸壁厚度不同等原因对于术前规划影响的研究[5]。但目前各个研究中心所用的术前规划系统，特别是对于影像资料的三维重建，术前规划的设计平台等软件工具都是自行研制开发，缺乏通用性，因此至今尚无成熟的机器人辅助冠脉搭桥手术的术前规划方案[6-12]。国内对于心脏外科手术的术前规划的研究涉及较少，且较多为大血管的手术。至于机器人辅助心脏外科手术，由于国内拥有心脏外科手术辅助机器人的医疗中心较少，因此关于其术前规划研究更是寥寥无几[13]。
针对以上的术前规划中的不足和现状，本文介绍的机器人辅助冠脉搭桥手术术前规划系统采用较通用的软件Unigraphics（以下简称UG）为二次开发平台。UG是CAD/CAM/CAE/PDM一体化的软件系统之一，它不仅能进行复杂产品的三维模型，而且它还具有良好的开放性，提供二次开发程序设计模块UG/OPEN API和两个辅助开发模块UG/OPEN MenuScript与UG/OPEN UIStyler及良好的高级编程语言接口。UG/OPEN API作为UG与外部应用程序之间的接口是一系列函数的集合[14-15]。开发者可以通过VC++语言来调用这些函数，使UG的造型功能和计算功能有机的结合起来，完成创口放置和优化创口的功能，便于开发符合自己要求的专用的术前规划系统。通过UG的二次开发为医生提供了可视化的操作环境来优化创口位点，让医生通过术前规划获得三个基于患者个体化差异的优选的手术创口（一个放置内窥镜，另外两个放置手术器械），从而提高机器人辅助微创心脏冠脉搭桥手术的安全性和成功率。

整个术前规划系统是以AESOP 3000手术机械臂为基础的。规划的主要过程是：首先进行计算机断层扫描和影像三维重建，运用三维CT成像软件Mimics重构患者心脏部位的生理结构，包括患者的肋骨和心脏及其相关的血管；然后进行UG二次开发，创建交互式创口规划系统，让医生放置病灶点和肋间的候选创口位点，并按照创口优选标准得出最优创口；最后在运动学仿真软件Adams中模拟机械臂的运动[16]，进行机械臂运动干涉检验[17]，从而建立符合特定手术要求的机器人辅助微创冠状动脉搭桥手术的术前规划系统。
整个术前规划系统如图1所示，其中最关键的步骤是基于UG二次开发建立一个交互式创口规划系统方便医生操作。为此首先以STL格式导入Mimics软件重构的患者的生理环境，在UG平台上实现患者手术部位生理结构的三维影像。UG二次开发在整个术前规划系统中主要实现以下三方面的功能：①让医生在心脏上放置病灶点及在肋间放置一系列候选创口位点。②从放置好的一系列候选创口位点中优选出一组三个最优的创口位点，并反色显示。③计算出加在三个最优的创口位点对应的机械臂各个关节处的驱动力。

2.1 参数定义首先定义优化过程需要的3个几何参数：α，β和d。α：创口和病灶连线与病灶的法线的夹角；β：创口和病灶连线与该创口所在胸壁的法线的夹角；d：创口和病灶中心之间的距离。如图2所示。

2.2 交互界面根据UG二次开发所要实现的功能，运用UG中的User Interface Styler建立了如图3所示的UG风格的用户界面。

圆心坐标栏输入的是创口中心坐标和病灶中心坐标，从而可以计算出参数d。病灶的法线方向沿患者脊柱垂直向上[5]，从而可以求出α。由于胸壁是一个连续不规则的曲面，很难模拟，因而将胸腔简化为一个横截面为椭圆的柱体，然后再提取相应的法线向量。因此，输入胸腔长轴和短轴、胸腔CT中心坐标用于计算该处皮肤法线向量，进而求出β。机械臂初始位置坐标用于计算机械臂各关节的驱动力。
“放置病灶”、“放置切口位置”按钮用来实现功能1，“优化切口位置”按钮用来实现功能2，“计算关节所加驱动力”按钮对应功能3。“试放切口”按钮则是为了尝试在肋间放置切口所设计的。
2.3 病灶与创口放置如图4所示，在心脏上放置的病灶用一个6 mm直径，1 mm高的圆柱模拟，而肋间的创口则是外径7 mm，内径5 mm，高5 mm的圆环模拟，采用UG/OPEN API中的UF_MOLD头文件里的UF_MODL_create_revolution函数生成的。判断放置的创口和肋骨是否有干涉，创口和病灶之间是否有心脏其他部位的阻碍，则是用UF_CLEAR头文件中的UF_CLEAR_do_clearance_analysis函数实现的。每个肋间的一系列创口放置方法是先确定起始创口位点和终止创口位点，然后根据其间的长度在起点和终点间插入若干个创口位点。

2.4 优化标准为了保证优化结果的可靠性、有效性，整个创口优化过程运用了5个优化标准，对候选创口位点进行筛选。这5条标准是：①可覆盖性（或可达到性）标准：对于内窥镜来说，根据镜头物距和焦距的关系，即：1/f=1/u+1/v来判断镜头视野能否覆盖病灶点；对于器械来说，判断器械的长度是否大于创口和病灶间的距离d。②视野范围（α）标准：由于手术时患者是向左侧卧一定角度，所以α要在小于90°的基础上取相对小的角度[5]。③操作灵活度（β）标准：β过大将给患者肋骨增加额外的压力，同时β也反映了器械的灵活度，β越大，器械操作灵活度越好，所以综合考虑医生在实际操作经验后，β要在小于90°的基础上尽量大。④最优三角形标准：对于内窥镜和左右器械对应的3个创口所组成的三角形来说（内窥镜对应的创口作为顶点），底边长度描述了左右器械在胸腔内部发生碰撞的可能性，两腰之差则表示医生手术过程中的操作舒适程度。所以该标准要求此三角形底边尽量长，同时腰差尽量小。⑤AESOP 3000机械臂能否达到标准：对被选创口点进行机器人运动学反解，判断每个创口对应的机械臂的各个关节角θ是否在AESOP 3000的动作限制范围内，即判断机械臂能否顺利到达对应的创口。
根据以上5条标准，制定的创口优化程序的系统流程图如图5所示。优化后的三个创口会反色显示，这是用UF_OBJ头文件中的UF_OBJ_set_color函数实现的。

2.5 机械臂驱动力的计算计算机械臂各关节的驱动力，需要对AESOP 3000六自由度机械臂进行运动学反解，主要有以下3个步骤：①根据放置好的病灶圆心坐标、创口圆心的坐标、器械的长度，计算出机械手末端执行件始末位置间的位姿矩阵。②运用机器人运动学反解的相关公式，根据上一步求解的位姿矩阵，求出动作停止后各关节的关节变量θend。具体反解步骤请参见文后参考文献[16]。③根据θstart和θend及Vstart = Vend = 0，运用三次差值法，求出各个关节θ(t)，即得到各个关节的驱动力。

从6例进行心脏冠脉搭桥手术的患者CT图像所做的创口优化的结果来看（其中一例的优化结果如图4中上方的三角形所示，下方的三角形表示的是经验位点），6个病例的数据统计如表1所示，OPT表示优化位点，EXP表示经验位点。

从表1的数据可以得出的内窥镜的优化创口的α要比经验创口的α小；而两个器械的优化创口的β要比经验创口的β大。也就是说，优化后的创口，内窥镜的视野要更好，而器械的活动灵活性也更好。

本文所建立的这套基于UG二次开发的术前规划系统为机器人辅助微创心脏冠脉搭桥手术的术前规划搭建了一个通用的平台，不仅可以应用到冠脉搭桥、房缺封堵等心脏外科手术上，还可以应用到泌尿外科、整形外科、脑外科等其他科别的机器人辅助微创手术中，从而建立了一套能够适用于个体化的、有客观依据的、科学的机器人辅助微创外科手术术前规划系统，有助于机器人辅助微创外科手术的推广和应用。

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