3D机器人脊柱“双胞胎”和传感器为预测手术干预提供了新途径

在40岁的人群中，约有40%的人患有退行性椎间盘疾病，在80岁以上的人群中，这一比例增加到约80%。这种疾病是指一个或多个脊柱椎间盘的恶化，通常通过手术植入颈椎间盘来治疗。

为了确定患者是否适合颈椎间盘植入，外科医生必须主要依靠诊断性成像研究的结果，而没有任何生物力学数据的输入来优化假体的类型。这可能偶尔会导致并发症和种植失败。

为了解决这些问题，佛罗里达大西洋大学的Erik Engeberg博士(该研究的资深作者)和工程与计算机科学学院的研究人员，与Frank Vrionis医学博士(该研究的资深作者和浸洗健康马库斯神经科学研究所的主任)合作，创造了一种新型的人类脊柱机器人复制品，使外科医生能够在手术前预览手术干预的效果。

研究人员开发了一种3D打印脊柱复制品，其中包括人工椎间盘植入物，并配备了软磁传感器阵列。马库斯神经科学研究所的中心位于博卡拉顿地区医院的校园，卫星位置位于博因顿海滩和迪尔菲尔德海滩的贝塞斯达医院。

患者特异性机器人脊柱模型是基于人体脊柱的CT扫描。一个改良的人造椎间盘被“植入”到颈椎复制品中，软磁铁被嵌入到椎体复制品中。机械臂弯曲和伸展颈椎复制品，同时用软磁传感器阵列监测椎间载荷，用四种不同的机器学习算法对脊柱姿势进行分类。该算法对外部载荷施加的幅度和位置进行了分类。然后，研究人员比较了算法对人类脊柱机器人复制品的五种不同姿势(中心、中屈、屈曲、中伸和伸展)进行分类的能力。

研究结果发表在该杂志上传感器研究表明，该软磁传感器阵列系统具有对脊柱五种不同姿势进行分类的高能力，准确率为100%，这可以预测人们经历的不同脊柱问题。这些结果表明，将软磁传感器阵列集成到“植入”的人工椎间盘中，机器人驱动的脊柱副本有可能在侵入性手术前生成生理相关数据，这些数据可以在手术前用于评估特定患者的特定干预措施的适用性。

Engeberg教授说:“柔性磁传感器阵列是一种通过将硅树脂与磁粉混合来实现柔软和可拉伸磁铁的新方法。”Engeberg教授是工程和计算机科学学院海洋和机械工程系的教授，也是查尔斯·e·施密特科学学院复杂系统和脑科学中心的成员，也是FAU斯泰尔斯-尼克尔森大脑研究所的成员。“这些传感器成本低，灵敏度高，易于集成到机器人系统中，因为软介质可以被操纵成多种形状和大小。”

除了术前评估特定干预措施对特定患者的适用性外，这种新方法可能有助于颈椎椎间盘植入患者的术后护理。目前，对脊柱植入患者的术后指导是定性的(在开始疼痛之前尽可能多地做)，这让患者和外科医生都感到恐惧。关于颈椎植入手术后允许多少弯曲、抬起和运动的问题可以进行研究，并与传感器机器人副本生成的生物力学数据进行关联，并提供个性化的术后护理，以减少并发症。

Vrionis说:“这种新方法具有强大的潜力，使外科医生能够使用机器人驱动的脊柱双胞胎以特定患者的方式预览和比较不同手术干预的效果。”“此外，新系统可以帮助确定受约束、半约束或无约束设备是否最适合，甚至是聚变设备。手术后，脊柱复制品还可以帮助我们评估手术水平是否有足够的活动，并可能帮助我们确定是否需要改变康复计划，以防止钙化和随后的预期活动丧失。”

研究人员说，在未来，这种传感器还可能与CT扫描结合使用，以解决脊柱错位的问题。

“我们的新方法可以为外科医生提供第一手数据，比较手术前不同手术干预治疗脊柱疾病的效果，并有可能降低人工椎间盘植入的并发症和失败率，”研究合著者Chi-Tay Tsai博士说，他是佛罗里达大学海洋与机械工程系的教授。