神經外科開顱手術機器人研究與發展范文

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摘要：開顱手術在神經外科手術所占比例最高，且費時費力，目前機器人已滲透到開顱手術領域，且發展迅速，并且以其高精度、穩定性的優點可有效提高手術效果，縮短人力操作時間，減少醫生疲勞。本文就開顱手術機器人的發展及目前國內外研究的現狀作一綜述。

關鍵詞：手術機器人；開顱術；神經外科

開顱手術機器人屬于神經外科機器人的范疇，而傳統的神經外科機器人多用于立體定向手術[1]。立體定向機器人輔助神經外科穿刺活檢平均目標準確度已可達0.9~4.5mm，診斷活檢率可達75%~100%[2-3]。近年來機器人技術飛速發展，包括開放性模塊化的控制系統、軟件系統、機器人故障診斷與安全維護技術[4-5]。通過實時網絡自適應控制已可以模擬深部腦刺激的電極植入，這種方法也有助于機器人輔助手術的發展，提供一種新的實時糾錯并提高精度的方法[6]。同時神經外科的高技術發展(包括影像導航技術、術中磁共振技術、術中電生理檢測技術、術中喚醒技術等)使得術中的精確定位、病灶邊界精準確定、手術入路的合適選擇、創面的微小化越來越成為可能[7]。而作為神經外科手術中比重最大的開顱手術，它與醫用機器人的結合更凸顯其優勢[8]。本文總結既往機器人輔助開顱手術的優勢和不足，以啟示未來機器人輔助開顱手術的研究方向。

1開顱手術機器人理念及實踐

機器人輔助神經外科萌芽在20世紀80年代，PUMA機器人最先用于神經外科，以往的神經外科手術機器人多用于輔助立體定向手術[9]，如法國的Neuromate機器人[10]、加拿大的NeuroArm以及國內北京航空航天大學與海軍總醫院聯合開發的(ComputerandRobotAssistedSurgery，CRAS)機器人系統和Remebot機器人[11]等。開顱手術機器人雖然屬于神經外科機器人的范疇，但它主要的任務是精準鉆孔與銑削。在早期神經外科手術機器人的基礎上，國外的一些開顱機器人的研究應運而生。德國研發的RobaCKa[12-13]和CRANIOsystem[14]可以進行顱骨表面腫瘤的切除以及顱骨的塑形重建[15]。美國開發的混合Stealthstation導航系統、Neuromate機器人臂、六維力覺感知系統和3DSlicer軟件機器人系統，已可進行顱底神經外科手術的開顱，但仍處于模型實驗和尸頭實驗階段[16]。新開發的神經外科導航輔助鉆孔機械臂，定位誤差達到0.502mm，精度已相當高，且比人工的鉆孔精度高[17]。Minerva是最早能提供實時影像引導的系統，可進行無框架立體定向手術，由于病人需在CT機下手術，利用率不高，因而問世2年后即停止研究。隨著導航系統的發展，目前最為成熟的為德國的Brainlab將磁共振影像數據與人頭顱匹配，實現實時精準定位，且具備先進的三維成像技術，3D顯示腫瘤輪廓，精準定位病灶。將手術機器人、影像導航系統、開顱手術三者結合是當今開顱手術機器人研究的理念和實踐[18]。借助于影像導航系統，精確定位病灶位置的同時，更加精準的規劃開顱時的骨窗位置，并設計鉆孔位置，并以此操控機器人按照導航系統的規劃設計進行鉆孔和銑削，以更小的骨窗達到更大范圍的暴露，從而實現微創。同時借助機器人的助力系統可快速而省力的實現開顱，并且機器人更高的精度能夠降低硬膜、血管、腦組織的損傷率。達芬奇機器人是目前應用很廣泛的手術機器人，在腹部手術中已被證明其有效性和安全性。鎖孔神經外科手術是近年來提出的更加微創化的手術方式，英國倫敦皇家大學(ImperialCollegeLondon)借助眾所周知的達芬奇機器人進行神經外科鎖孔手術的研究，得出的結論是由于鎖孔空間的限制、巨大機械臂的互相干擾且操控無力覺反饋，達芬奇機器人在神經外科手術的應用中，不具備可靠的安全性和有效性[19]。目前國外研究的開顱手術機器人主要有以下幾種。

2RobaCKa機器人系統

這款開顱機器人是由德國海德堡大學在之前CASPAR機器人(該機器人已可完全模擬顱骨手術)系統基礎上2009年研發，其控制系統由該機器人專有的控制系統組成(包括一個力矩傳感器JR3、一個氣動壓力保護系統SCHUNK、一個紅外追蹤系統NDI)，通過計算機運行一個實時的冗余安全系統RILinux/Free，機器人末端為一個開顱機械臂Aesculap。該機器人系統的軟件運用開顱術前計劃系統KasOp，而在手術過程中的安全性則由GUI工作流程指導醫生的每一個必要步驟的實施。這例機器人的研發是為了更加精確和安全的執行開顱術和復位骨瓣，尤其是顱縫早閉的外科治療。借助于術前CT掃描、術前的計劃和定位，術中移除軟組織后，該機器人能夠自主的進行開顱術。這例機器人在虛擬實驗和動物實驗中的表現都很好，證明了其精確性和可靠性。這例機器人之后還進行了第1例人體實驗，為一個8歲的女性巖骨占位性病變患兒進行開顱術，雖然其只進行了額骨骨瓣的銑削，但卻證明了機器人應用于開顱術的可能。雖然這例機器人系統沒有出現明顯問題，但是仍需要注意將患者的危險性降到最低，是否能夠確保全自動化的機器人開顱的安全性，這需要在機器人系統設計時就體現出來，這也是未來機器人輔助開顱手術需要不斷改進完善的地方。

3CRANIO機器人系統

此機器人系統是建立在CRIGOS的六維力系統和其特殊的工作空間基礎上，由亥姆霍茲-德國亞琛工業大學生物醫學工程研究所2006年研發[20]。無菌的機器人被設置在患者頭顱下方，與固定器緊密連接，同時開顱工具被機器人平臺的C型臂牢牢固定，這些都使得操作空間能更好的適應人的頭顱。該開顱機器人系統采用分散式構架，其軟件包括了術前計劃及導航的軟件系統和其從屬系統，其硬件包括了運動控制單元以及冗余安全硬件(RSH)。機器人運用術前CT圖像數據進行自動的顱骨切割，隨后通過計算機輔助模擬進行顱骨的修復。該機器人在顱骨模型實驗中被證明十分適合顱骨的鉆孔與銑削，由它進行了實驗室及解剖顱骨的研究，為接下來機器人系統的整合、手術操作流程和后期的臨床試驗提供了基礎數據。但其在顱骨重塑的精確度上仍需加強，更遠期的研究著眼于以超聲為基礎的技術，同時需增加一個自動沖洗裝置，優化安全閘門，確保機器人自動工作時的安全性。最為重要的是在機械臂末端要增加一個力感知系統從而減少工具的振動而確保操作的安全，將位置與力控相結合進而減少開顱的時間。

4基于NeuroMate的混合機器人系統

這一款機器人由美國巴爾的摩約翰霍普金斯大學2008年研發，其混合了NeuroMaterobot(Sacranmento，CA)六維力覺感知機械臂、StealthStation導航系統(Louisville，Colorado)、運行3DSlicer軟件的工作站和運行高水平機器人控制程序軟件的工作站(Applicationcontroller)，主要用來顱底外科手術的開顱。采用的NeuroMate機器人是FDA認證的機器人系統，使用這款機器人的原因是它具有機械穩定性、良好的精確度和對于開顱手術舒適的操作空間。其工作流程為：運用StealthStation導航系統將實際頭顱與術前CT圖像進行注冊配準；同時在機器人開顱的機械臂也安裝一個導航接受儀，使機器人與Stealth-Station導航系統能夠聯合注冊，以達到開顱過程中的可視化操作。注冊后使用3DSlicer開源軟件作為術前計劃系統的一部分，模擬出頭顱的3D模型進而輸出到一個開放的文件數據格式。3DSlicer提供的3D模型與StealthStation提供的可視化模型相比，能夠更加仿真模擬術中實時情況，且它們之間的CT數據可相互轉換。然后將Stealth的參考系與Stealth的CT數據注冊匹配(允許誤差小于1mm)，進而與機器人的參考系進行注冊匹配(允許誤差小于0.5mm)。然后通過導航系統和術前計劃軟件指導NeuroMate機器人按預定軌跡進行顱骨的鉆孔和銑削。過程中高水平機器人控制程序軟件(Applicationcontroller)能夠實時的提供力量控制和在銑削過程中的模擬運算，它同時向力覺感知末端和StealthStation提供交互連接，以及向Slicer提供實時數據以達到術中的可視化操作。該機器人系統進行了顱骨泡沫模型和尸頭的實驗，模型實驗的定位誤差和空間誤差平均都為0.6mm；尸頭實驗3例在開顱磨除內聽道時的骨瓣邊界超出了術前計劃邊界約1~2mm，最大超出了3mm。這款基于影像導航的協同控制機器人系統能夠在顱底神經外科手術的開顱過程中提供穩定的鉆銑，在增強頭顱模擬的同時進而保護關鍵的神經血管結構，但是其精確性仍有待進一步改善，且實驗例數較少需要進一步的實驗驗證，能否應用于臨床尚待研究。目前只有兩個機器人系統被美國FDA批準用于神經外科手術，而且缺乏有意義的臨床測試以證明其有效性的文獻。機器人技術的成本也令人望而卻步。總體而言，神經耳科學中的機器人，特別是乳突切除術的前景是光明的，但仍有一些障礙需要克服。立體定向機器人輔助高血壓腦出血的治療，用于定位血腫部位及血腫的穿刺抽吸已大量應用于臨床，并有有利的臨床數據支持[21-22]。然而在神經外科領域及機器人輔助開顱手術仍然需要更多的動物實驗、臨床試驗，且開顱手術機器人的研究熱點在2010年，近年來陷入了低谷，文獻報道也較少；一方面原因是智能機器人成本較高，另一方面原因機器人輔助開顱手術效果仍有待提高[23-24]。

5國產開顱手術機器人系統

目前國產的神經外科機器人主要應用于立體定向手術。海軍總醫院與北京航空航天大學聯合開發的機器人系統CRAS，由影像引導裝置、三維定位軟件和智能機械臂組成，分別完成測定靶點目標、規劃穿刺軌跡和平臺導航操作等功能。其第五代機器人實現了視覺自動定位，使手術誤差更小，并能通過互聯網實現遠程操控[25]。2017年由臺灣長庚大學研發的神經外科機械臂鉆孔導航系統，包括結合了機器人和手術導航的神經外科機器人機械臂、基于3D醫學成像的手術計劃(可以識別病變位置和在3D圖像上顯示規劃的手術路徑)，以及自動鉆孔停止控制。其實驗驗證自動規劃路徑與風險區域之間的平均距離誤差為0.279±0.401mm[26]。在顱頜面外科機器人方面，國內的機器人系統主要通過力覺反饋控制機器人的啟停，提高醫生的力感知，達到人機交互控制，而非單純的機器人自動控制，更具備安全性[27]。同時借助于影響導航系統輔助定位，操控機械臂的運動方位，這已在國內手術機器人的研究中得以實現[28-29]。最近解放軍總醫院和北京理工大學聯合開發的智能人機協同開顱手術機器人系統Cranibot已完成了顱骨模型試驗、動物頭顱實驗、活體動物實驗，其運用基于力覺反饋的控制、CT影像導航、人機交互控制算法、術中實時顯示系統[30]，實現了人機交互控制的開顱手術，與人工開顱手術相比，提高了開顱手術的效率和精確度。目前來看，國內的開顱手術機器人的研究仍在初級階段，機器人應用于神經外科主要還集中于立體定向手術，在開顱手術方面還處于動物實驗階段。

6開顱手術機器人輔助開顱的優點

傳統的開顱方法需要醫生手持開顱鉆及銑刀，醫生長時間負重操作，并且需要保證鉆孔和銑削的高精度，保證手術安全，這種傳統的開顱方法大大消耗醫生的體力和精力，并且還需要有經驗的醫生方可實施。而機器人則具有如下優勢：①機器人借助影像導航系統操控機械臂的位置可以定位更精確，大大消除人眼的誤差，使得鉆孔和銑削更加匹配術前計劃的位置。②機器人的機械臂穩定性好，消除了人手晃動的危險因素，且術中不會疲勞，更加可靠。③機器人對于力的控制比人更加精準，在開顱手術過程中，可通過程序控制力的閾值，能夠及時啟停，提高手術的安全性。④機器人結合影像導航技術，可以快速定位骨窗位置，規劃出開顱路徑，且機器人穩定而快速的工作模式，可以縮短開顱手術的時間。高精度的定位可以減少顱內組織如硬膜、血管及腦的損傷[31]。⑤借助于網絡及遠程操控系統，可實現醫生的遠程控制手術。

7開顱手術機器人的未來展望

神經外科機器人經過30余年的發展，已經日趨成熟，縱觀其發展趨勢，是將機器人與影像技術、機械技術、計算機控制技術相結合，做到精準與安全。開顱機器人作為神經外科機器人的一種，將開顱設備連接與機器人機械臂末端，在借助于影像導航系統、術前計劃軟件、力控系統，操控機器人的運動，達到精確度、可靠性、效率均較高的開顱效果，輔助開顱手術的完成[32]。國外的開顱手術機器人仍處于研究初級階段，并沒有投入臨床應用，而國內鮮有開顱手術機器人的報道。機器人輔助開顱手術的方式，的確是今后神經外科精準治療的增長點。雖然國內外的開顱手術機器人尚存在精確度不夠高、穩定性不夠強、力反饋較差、效率仍低等缺點，但開顱手術機器人無疑是未來的發展方向且完全可能替代人工開顱。國外的開顱手術機器人多是借助導航及術前計劃的全自動化設計，面對復雜的人體顱骨的情況，全自動化的機器開顱肯定存在安全性方面的隱患。未來會向人機交互協同控制的開顱機器人方向發展，這也是利用機器快速、穩定、省力特點的同時，發揮人的靈活性的特點，相信不久將來開顱機器人會廣泛應用于臨床。

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作者：崔萌 馬曉東 張猛 朱巍 單位：解放軍總醫院