椎弓根辅助置钉装置设计及其关键尺度参数优化

针对传统椎弓根置钉术中感知信息缺失导致置钉准确率不高的问题，本文设计了一种用于椎弓根辅助置钉的装置，并对其关键尺度参数进行了优化。首先，在对椎弓根置钉手术过程分析基础上，提取辅助置钉装置的功能需求，采用双平行四边形远心点机构对机械臂结构进行了设计。其次，基于D-H法建立置钉装置的运动学模型，利用MATLAB进行模型验证，并对置钉装置的工作空间和奇异形位进行分析。最后，以置钉装置的双平行四边形结构的运动可靠度为优化目标，利用多种群遗传算法对其关键尺度参数进行了优化。结果表明：所设计的置钉装置能够满足手术操作的需求，其运动学模型是正确的，并且经过优化后，置钉装置的双平行四边形机构的运动可靠度提升了5.59%，为提升椎弓根置钉手术的智能化、精准化提供一种新的方案。

脊柱脊髓疾病是骨科的常见病、多发病，而外科手术是治疗这些疾病的有效方法。椎弓根螺钉为代表的脊柱内固定技术是脊柱外科手术的基本技术之一，在脊柱畸形矫正、感染、肿瘤及颈胸腰椎退变融合手术中被广泛应用。椎弓根置钉技术是脊柱外科手术历史上的革命性技术，通过脊柱三柱固定，具有畸形矫正能力强、融合节段短、固定更加牢固可靠等优点[1] [2]。但由于脊柱周围毗邻结构复杂，椎弓根周围有重要的神经和血管等，脊柱外科手术风险较大，尤其是复杂的脊柱畸形，局部解剖结构变异大， 导致术中定位置钉困难， 置钉过程中的任何偏差都有可能损害重要血管神经， 导致不可逆转的后果[3] [4]。

在传统置钉方法中， Xu 等[5]报道69 例腰椎手术徒手与导航椎弓根螺钉置入的准确率分别为63.8% (徒手)和97.8% (O 臂导航)。同时国内外学者逐渐开始在脊柱外科手术中使用机器人，最常见的是在胸腰椎融合手术中使用机器人辅助椎弓根置钉[6]。机器人引导下椎弓根置钉具有更高的置钉精确度以及减少辐射暴露[7]。此外，机器人还可在具有解剖变异(如椎弓根萎缩或复杂脊柱畸形)的情况下提高手术效果。田野等[8]研究发现脊柱机器人和传统透视辅助下治疗单节段无神经症状胸腰椎骨折均可获得满意的临床效果，但前者置钉准确性更高，术中透视次数更少，置钉时间更短，对术者技术要求较低，具有广泛的应用潜力。

吴瑞[9]等探讨了Renaissance 机器人导航系统在微创手术中应用的安全性和准确性， 相比于徒手置钉可以显著提高准确性和安全性。

王洪伟等[10]探讨了术前计划在脊柱微创手术机器人椎弓根螺钉钻孔中的应用价值， 总结应用经验， 优化了系统的结构设计。

程芳令[11]等分析天玑骨科机器人导航系统对脊柱患者的治疗效果，发现患者术后恢复进程明显加快。李卓夫[12]等开发了一种3D 打印配准模板的脊柱