第五代立体定向机器人系统的临床应用研究

　　作者：尹丰　　作者单位：中国人民解放军海军总医院全军神经外科中心， 北京 100037

　　【摘要】目的 探讨第五代立体定向机器人系统(CAS-BH5) 的临床手术应用价值。 方法 回顾性分析40例应用CAS-BH5实施无框架脑立体定向手术病人的临床资料，其中远程遥操作手术10例。术后随访10~14个月，平均12个月，观察定位精度及症状改善情况。 结果 临床成功完成无框架定位脑手术40例，定位操作均一次性完成，定位精度为 (1.05 ± 0.13) mm，手术有效率95%，无相关手术并发症。 结论 CAS-BH5设计结构合理，操作集成实用性强，定位精确且操作方便。无框架立体定向遥操作安全可行的。

　　【关键词】 机器人 立体定向技术

　　Clinical application of the fifth robotic system in neurosurgery

　　YIN Feng, TIAN Zengmin, WANG Tianmiao, et al.

　　Department of Neurosurgery, Navy General Hospital of PLA, Beijing 100037, China; Robotics Institute, Beihang University, Beijing 100083, China

　　Abstract: Objective To assess the applied value of the 5th robotic system (CAS-BH5) robot system in clinical surgery. Methods The clinical data of 40 patients, including 10 cases who received teleoperation, undergoing frameless stereotactic surgery were analyzed retrospectively. The accuracy of position and improvement of symptom were observed during the follow-up of 10 to 14 months (mean 12 months) after operation. Results The surgical operations were successful in all the 40 patients. Fiducial registration was performed with a mean accuracy of 1.05±0.13 mm between the planned and actual trajectories. There were no complications and 95% of patients had neurological improvement. Conclusion The design of the CAS-BH5 robot system is rational in structure and the operative integration is practical with an accurate location and convenient operation. Teleoperation of frameless stereotactic surgery is safe and reliable.

　　Key words: robotics; stereotaxtic techniques

　　机器人辅助外科手术是近年的研究热点[1]。我科在施行有框架立体定向手术3 200例和无框架立体定向手术1 140例的基础上[2-4]，2005年9月~12月，利用863课题组研制第五代机器人系统 (CAS-BH5)，在临床成功实施无框架定位脑部手术40例 (其中包括10例远程遥操作手术)，取得较为满意效果，现报告如下。

　　1 对象与方法

　　1.1 临床资料 男 23例，女17例;年龄8个月～79岁，平均25岁。手术种类：脑肿瘤内放疗20例 (其中颅咽管瘤11例、星形细胞瘤9例);脑内病变活检6例;脑内血肿排空3例;神经细胞移植8例， 脑内核团毁损2例，脑脓肿抽吸1例。

　　1.2 第五代机器人 (CAS-BH5) 系统介绍 CAS-BH5包括3个部分：手术规划系统、手术定位系统和远程手术系统 (图1)。手术规划系统是为医师确定穿刺路径提供简便、直观和高效的软件工具，主要功能包括：病历信息建立与维护，DICOM数据输入与显示，二维图像处理，三维影像数据可视化、穿刺路径规划。手术定位系统由机器人本体、控制和执行装置、视觉注册三部分组成，用来对穿刺针进行准确定位。远程手术系统为医学专家实施异地手术提供技术途径。主要由网络通讯、视频传输、图形仿真、人机交互等部分组成，实现的主要功能包括远程手术规划、手术模拟、手术监控和机器人遥操作。

　　1.3 手术方法 ①定位标志：将4～6枚定位标志贴附于病人头部 (病灶周围)。②头颅CT或MRI扫描：明确病灶部位并识别贴附标记点。③机器人准备：包括机器人的展开、空间定位等。④手术规划：通过计算机网络将头颅CT或MRI 扫描结果输入计算机，由主刀医师 (本地或异地) 勾勒病灶，确定手术靶点和穿刺路径，计算机辅助计算靶点坐标，显示穿刺路径和三维成像。⑤体位与麻醉：根据病变部位选择不同的体位，如坐位、平卧位、侧卧位等。合理选择麻醉方式，绝大多数病人可在局麻条件下完成手术;对有剧烈异常动作、精神症状不合作、小儿病人及易发癫疒闲者，可采用静脉麻醉或插管麻醉，但麻醉不宜过深。⑥固定：采用塑形枕或手术头架相结合的方法来确保病人头部、体位与智能机械臂的相对位置固定。⑦手术模拟：根据计算机设定的靶点坐标和穿刺路径，进行手术模拟;模拟成功后准备手术。远程操作时指令由主控端发出。⑧颅骨钻孔：先将保护钻套置于拖板的导向夹内和标尺滑块内，再经此钻套插入细钻。抵达头皮并在该处注射局麻药物。设定钻颅保护深度后，应用直流电钻或手摇钻带动细钻，将入颅点的颅骨钻透，此时仅需钻透颅骨，严防钻入脑内。⑨穿刺进针：取出细钻和钻套，换入相应的防护套，再插进穿刺套针。术者用手握住套针的上端，轻轻用力，利用针套下端的斜切口的尖部，戳开入颅点颅骨内的脑膜即停留。此后，根据病情需要进行各种相应的手术操作。

　　2 结果

　　本组40例神经外科机器人辅助脑立体定向手术过程顺利，均一次定位成功，无手术并发症。从机器人系统扫描定位至手术结束，平均需时30 min。20例脑肿瘤实施了内放疗手术，其中囊性肿瘤进行了囊液抽吸和放射性同位素32P注入;实体性肿瘤实施了125I内放疗;6例脑深部病变活检，病理证实为星形细胞瘤 (3例)、脑转移癌 (2例)、淋巴瘤 (1例);1例脑深部脓肿抽吸治疗，抽吸脓液6 ml，并注入抗生素;3例基底节区血肿，手术时抽出积血16～23 ml (占血肿总量60%～80%)，术后置管引流1～3 d。

　　多数病人术后2～4 h即可进食流质。术后次日，术前病情较轻者可下床活动。本组术后平均住院时间5 d。术后病人均行薄层CT或MRI扫描，通过影像学比较确定定位误差为 (1.05 ± 0.13) mm。术后平均随访12个月，手术有效率 95%。

　　3 讨论

　　近年，计算机辅助外科治疗 (CAS) 已成为研究和应用热点之一，其中远程外科更是受到了各国学者和医师的重视[5-6]。我们在前几代机器人研发和应用的基础上[7]，将先进机器人技术、计算机图形图像处理技术与可视化技术、网络通讯技术、计算机控制技术和微创伤外科技术相结合，研发出第五代神经外科机器人系统 (CAS-BH5)，并成功实施了本地和远程遥操作手术。

　　3.1 CAS-BH5系统的特点

　　3.1.1 人机交互操作更加合理： ①手术规划。在手术规划中，本系统应用基于DICOM的CT或MRI数据兼容系统，可以快速读入。DICOM作为一种公用语言，将不同格式的图像转化成一种统一格式，对数字化医疗数据的存储、图像处理、三维重建、远程操作等各方面的医疗数据标准化具有重要意义。机器人系统直接从影像数据中心获取DICOM数据，并直接进行手术规划，大大简化了CT或MRI图像序列在手术过程中的匹配和校准过程，为医师手术操作带来方便。本规划软件，通过调整角以确定圆锥形状，调整值以确定进针路径。每次新进针点的选取均是基于上次手术路径点进行调整，以直观得到新进针点与原进针点的相对位置关系[8-9]，这样使医师在手术路径规划的过程中有的放矢，避免了重复、盲目、随机的手术路径调整过程，从而为简化医师操作、迅速获取手术路径提供了可靠依据 (图2)。②视觉注册。本系统开发了基于计算机、机器人、摄像装置、机器人模板、头部目标跟踪模板、实时高精度普通光学位置跟踪传感器的视觉注册等技术 (图3)。标定时，只需在机器人合适的位置贴上标定模板并进行注册，利用标定针获取病人头部及机器人末端四个标记点并进行计算，得到它们相对于摄像头的坐标位置，即可完成图像坐标系、头部仿射坐标系、机器人仿射坐标系、摄像机坐标系和机器人坐标系之间的空间映射转换，提高了整个系统的安全可靠性。该方法首先应用于医疗机器人领域，定位精度高，操作简单，容易实现。③远程手术。在遥操作手术中，首先通过网络获取CT或MRI图像，由专家在远程指令端完成手术规划，然后在手术端标定标志点，机器人手术位置校核后传输至指令端。在远程指令端，专家可对机器人手术位置进行预览和手术仿真，确认无误后控制机器人运行至病人病灶穿刺位置并锁定，由手术室辅助医师 (终末端) 进行最终手术，远程专家对手术进行监督指导。

　　与原医疗机器人手术系统比较，本系统具有以下特点：①系统操作更方便，易于医师熟悉和使用，提高了系统可操作性;②遥操作安全性提高，机器人运行需本地校核确认，并包含数据加密校验;③远程监控术中病人头部运动，若超限将发出警报;④信息交互更丰富，将机器人操作状态及时进行提示。

　　3.1.2 控制系统进行了改进： ①自动回零和软限位：自动回零类似于机器人的连续运动，操作者只需点击一个按键，机器人将按照规划好的顺序和方向使各个关节回到各自的逻辑零点。自动回零具有如下优点：第一，节约回零时间，提高回零效率;第二，降低界面的复杂性，使操作简单、方便，提升界面的人性化水平。②视觉监控策略：机器人系统虽然以步进电机为执行器，但具有驱动形式简单、不怕堵转、定位准确、无累计定位误差、易于实现数字化控制等优势。在机器人控制系统中，引入了视觉跟踪方法，实现了对模板的自动实时跟踪，从而构成以视觉监控和目标点移动超限报警为特点的手术系统。

　　3.2 确立了远程脑外科手术机器人系统的手术适应证 根据多年立体定向手术的经验，结合CAS-BH5系统的特点，我们确定CAS-BH5系统手术适应证如下：①脑内病变活检：包括脑肿瘤、寄生虫及其他不明原因的病变;②脑内各种囊肿的抽吸、切除;③脑内血肿排空、引流;④脑脓肿排空及注入抗生素;⑤脑内异物摘除;⑥各种功能性神经外科疾病的治疗;⑦脑肿瘤内各种治疗，如内放疗 (注入同位素胶体和后装置管)、内化疗。

　　本课题研制的远程脑外科手术机器人系统，可以实施定位手术，去除了传统立体定向手术的定位框架，使病人摆脱了安装立体定向框架的痛苦与恐惧，避免了由于定位框架造成的手术死角，扩大了手术范围。更重要的是，应用该系统可以实施远程手术，这样可以充分发挥专家的辐射作用，避免了设备的闲置与浪费，通过异地施术，可以使边远地区的伤病员得到专家级的高质量救治。这对于充分发挥高科技技术，有效利用医院资源有重要意义。

　　【参考文献】

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