瞄准“世界最难之一”的手术 ——全球首个“骨盆骨折复位手术导航定位系统”攻关纪实

发布时间: 来源：科技日报

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摁下开关键，机器人复位操作启动。若是不凑近观察，几乎看不到患者小寒（化名）肌肉的轻微颤动。

仅耗时几分钟，骨盆复位完成。

几天后，这位13岁的小姑娘已可以下床走路。

“像她这样严重的骨盆损伤，如果没有手术机器人，采用人工复位至少需要4到5个小时，最终还有可能失败。”日前接受科技日报记者采访时，小寒的主治大夫、北京积水潭医院创伤骨科主任医师赵春鹏说。

赵春鹏口中的“手术机器人”，就是全球首个“骨盆骨折复位手术导航定位系统”。它由北京积水潭医院副院长吴新宝，联合北京航空航天大学生物与医学工程学院副教授、北京罗森博特科技有限公司创始人王豫等组建攻关团队，历时十余年研制而成。

找准点

在创伤骨科领域，骨盆骨折闭合复位被公认为“世界最难之一”的手术。

“如果将四肢骨折比喻为‘筷子’断了，那么骨盆骨折则相当于‘碗’碎了。”吴新宝告诉记者，“盆腔中有大量的神经、血管和脏器，切开手术极易带来其他损伤，闭合手术只有少数专家才能完成。”

能不能研发出一款骨盆复位机器人，提高手术效率与效果，惠及万千患者？吴新宝有了这样一个“执念”。2014年，在一次科研项目交流过程中，他与王豫一拍即合，攻关团队随即组成。

骨盆复原要想“天衣无缝”，首先要找准复位的点。然而，两年多时间里，团队不停地讨论、验证，软件、算法修改了成百上千次，依然无法有效解决这个难题。

“无数次都想放弃。”那段时间，吴新宝几乎陷入了绝望。直到有一天，在与团队激烈争论时，他突然想到镜像原理——骨盆整体上是对称结构，左边摔坏了，右边是好的，能不能照着右边复原左边？

“理论上这是行得通的，但要准确算出对称点位置，难度极大！”王豫解释道，与人的视觉感知不同，机器进行镜像计算时，一定要告诉它精准的对称面位置。即便识别出的角度只差一度，复原点与实际点也可能差出几厘米。

再三推敲实现路径后，团队选择使用骨盆未损伤部分做自对称——先选取完好部分的特征点，再用“照镜子”方式投射为对称面，通过配准两者之间的特征点，找到复位的最佳位置。

特征点难选，就反复研究病例；配准计算耗时长，就优化迭代算法……最终，研发团队成功实现一次性全局快速配准，计算时长由起初的6000多秒缩短至80多秒。

配准的点越多，越能精准确定骨盆复原位置。吴新宝说：“最多时，在约两只手掌大的髂骨上，我们实现了两侧各一万多个点的一一对应，可以让骨盆复位严丝合缝。”

用好力

位置找准后，机器人就要操作机械臂移动骨盆复位。如何用好力，成为手术成功的关键。

2019年，在一次临床试验中，由于患者体形较胖，肌肉、韧带等软组织阻力大，机械臂力量不够，导致手术机器人“败下阵来”。

“常用的医用机械臂力量极限只有160牛顿，而医生最大用力可达300牛顿，相差悬殊。”吴新宝说，“怎么办？我们甚至考虑过工业机械臂，但很快又因为其体积、重量与风险不可控等因素，放弃了这一想法。”

“国外尝试的并联机械臂行不行？”一次团队研讨时，有人提议。大家顺着这个思路往下走，结果发现力量有了，但两只刚性机械臂又相互制约了自由度。

一个个想法被否决，研发又一次陷入停滞。

再度复盘手术过程时，吴新宝发现，有一个细节被大家忽视了——手术中，主刀医生难以独自徒手复位时，会有2至4名医生同时上台，在患者相关部位进行牵引、提供助力。

能否增加一个辅助牵引装置，为机械臂提供助力？“这个装置既要能给机械臂提供助力，又不能影响其自由度。”王豫解释道，“手术台上，辅助医生用力须根据主刀医生的需要，灵活调整方向和力度。”

这个“刚柔并济”的需求，实现起来太难了。就在大家百思不得其解时，王豫想到了小时候玩的弹簧秤——用弹簧做辅助牵引臂，力度大小可以渐变调整，同时还不影响机械臂的灵活性。

方案有了，接下来是模拟验证。团队专门从德国买来了“人工肌肉”，通过不断调整软组织的阻力，模拟临床实际情况，搭建生物力学模型进行测试。

当机械臂因阻力过大不能动弹时，团队成员按下了辅助牵引装置开关，弹簧臂开始一点点拉紧。“动了，机械臂动了！”大家欢呼起来。

测试结果表明，在辅助牵引装置的帮助下，机械臂牵引复位力需求降低了50%以上，现有机械臂力量终于可以满足复位需求了。

会“绕路”

“明明绕一点儿就过去了，你这机器人太‘笨’了！”在一次临床试验中，吴新宝冲王豫嚷了起来。

原来，是一个骨尖儿挡住了机械臂的去路。只要稍微换个角度就能过去，但它就是止步不前。情急之下，大家不得不把机器人卸下来，由吴新宝徒手操作完成手术。

“那时，机器人只会完成‘走直线、拐直角’这类常规动作，不会随机应变‘抄近路’。”赵春鹏说，“而在实际手术中，医生会根据具体情况灵活调整路线，牵引骨盆复位。”

“之前，我们重点考虑的是安全，所以一开始就为手术机器人划定了红线，一旦遇到阻力就得停下来。”王豫解释道。

那次失败后，大家意识到，必须设法让机器人具备实时规划前进路线的能力。王豫打比方道：“就像蚂蚁往窝里搬东西一样，遇到小石子时，它会蹭着石子绕过去，而不是停滞不前。”

机器人必须“自己聪明起来”！研发团队在机械臂上安装传感器，让机器人能够实时测量出复位过程中遇到的阻力；然后给控制软件添加功能模块，使其能判别不同方向阻力大小，为机械臂智能规划牵引路线。

那段时间，大家通宵达旦地干。反复试验、来回调试，当看到显示屏上机械臂的路径指针能像蚂蚁一样“绕路”时，王豫终于长舒了一口气。

历经3代样机迭代、无数次验证优化，2023年底，“骨盆骨折复位手术导航定位系统”成功通过国家药品监督管理局创新产品注册申请，获批第三类医疗器械注册证。目前，它已在100多例患者手术中得到应用，优良率超过96%，远高于医生徒手复位效果。

“在前不久召开的全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上，习近平总书记强调，‘进一步加大科技创新力度’‘促进自主攻关产品推广应用和迭代升级’。这让我们深受鼓舞、倍添动力。”吴新宝说，“创新之路注定是曲折的，但只要坚定信心，掌握核心技术，即使国外做不出来，我们也能取得突破。下一步，团队将始终坚持面向人民生命健康，继续丰富机器人病例库，提升产品性能，为更多患者康复带来福祉！”