神经外科手术机器人研究进展

    作者：孙君昭    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】  神经外科是机器人外科最早涉及的领域之一，神经外科手术机器人近年来发展迅速，其手术系统已从立体定向手术发展到开颅显微外科手术甚至远程手术。本文就神经外科机器人的发展及目前国内外的研究现状作一综述。

    【关键词】  机器人 神经外科手术 远程医学    近年来，随着先进机器人技术 （包括计算机控制技术、检测技术、图像处理技术、多媒体和信息网络技术、人机接口技术、机械电子技术等）、微侵袭外科技术、神经影像技术的飞速进步，数字机器人神经外科的概念正逐渐形成，实现外科手术中所必须的精确微小定位、微小操作、手术空间的形状监测和图像显示等各种功能成为可能。颅内手术需要精确定位与精细操作，而颅面部有相对固定的解剖标志，这使神经外科成为机器人外科最早涉及的领域之一。Motion scalers技术和震颤过滤技术的发展使机器人操作手术器械变得十分精确。目前，神经外科手术机器人系统已从立体定向手术发展到显微外科手术，甚至远程手术[1]。

    1    神经外科机器人辅助手术的优点

    机器人辅助神经外科手术具有以下优点：①机器人具有灵巧的结构和装置，可实现精确的定位和保持稳定的手术姿态，从而能进行精确的手术。②先进的机器人控制技术和友好的人机接口技术，使手术的精度和灵巧性大为提高 （可消除人手的震颤，提高医生的技能），且手术更加微创。③机器人可以连续工作，术中不会疲劳，工作稳定、可靠。④可进行远程手术。⑤可提供一个适合人体力学的操作环境，使术者的疲劳程度降到最低，从而提高了手术的安全度[2]。

    2    神经外科机器人系统

    20世纪80年代中期，PUMA （Programmable Universal Machine for Assembly Industrial Robot） 机器人最先用于神经外科。外科医师根据颅内病变的术前影像，将病变的坐标输入机器人，应用机器人引导穿刺针进行活检等操作。机器人系统最早是与立体定向手术框架结合的，如美国的Cartesian 机器人系统（Compass International，Rochester，MN）。NeuroMate（Integrated Surgical Systems，Sacramento，CA） 是最早被美国FDA批准用于临床的神经外科手术机器人，可进行立体定向手术。手术医师根据术前影像进行手术规划，然后与被动的机械臂一起完成手术。它能锁定关节，把穿刺针、电极等器械准确送到预定靶点，引导手术医师完成活检、取异物、囊肿抽吸等操作[3]。NeuroMate采用术前影像资料进行定位，如果发生脑组织移位，则系统误差会明显增加。目前其新的版本已在临床应用，它将手术器械被动送到手术部位，为半自动机器人[4]。

    Minerva （University of Lausanne，Lausanne，Switzerland） 是最早能提供实时影像引导的系统，可进行无框架立体定向手术。它安装在CT机下，利用术中扫描来克服脑组织移位问题。该系统虽然提高了精确性，但由于病人需在CT机下手术，利用率不高，因而其问世2年后即停止研究[2]。

    早期的神经外科手术机器人系统均用于立体定向手术或手术定位。20世纪90年代中期，由美国国家航空航天局 （NASA） 开发的RAMS （Robot-Assisted Microsurgery System） 是最早兼容核磁图像的机器人，系统基于6个自由度的主动-被动 （master-slave） 控制，可进行三维操作，因而不仅限于立体定向手术。RAMS 进行了震颤过滤和梯度运行，手术精确性、灵巧性明显提高[5]。Le Roux等[6]应用RAMS成功进行了大鼠颈动脉吻合手术，但手术时间较人工手术长。

    Joskowicz等[7]介绍了一种能够在锁孔手术中精确自动定位的影像引导系统，即多智能体机器人系统 （Multi-ageng robert system，MARS），其适合穿刺针、探针和导管的机械引导。术中机器人直接固定到头皮夹或颅骨上。它能根据术前CT、MRI的解剖注册和术中三维面部扫描注册，自动定位，达到预先确定的靶点。应用本系统进行的注册试验，误差仅 （1.7 ± 0.7） mm。

    3    远程操作的神经外科机器人系统

    近十几年来，由于多媒体和信息网络技术的迅速发展，建立在有效的计算机图形学基础上的高速网络和虚拟现实系统为远程人机通信提供了技术保障，使得远距离手术逐步成为现实，手术可由外科医师在异地通过遥控操作系统控制手术现场的机器人完成。远程操作外科机器人系统涉及广泛的高新技术领域，如在远程医疗中需要传送数据、文字、视频、音频和图像等大量的医学信息，实时性、可靠性要求高，对通信网络有很高的要求，特别是需要对遥控操作环境中的通信延迟进行分析和补偿，以克服通信的延时性。国外目前还在研究的可远程操作的神经外科机器人系统主要有如下几种[8]。

    3.1    NeuRobot （Shinshu University School of Medicine，Matsumoto, Japan）    这是由日本开发的远程显微神经外科手术机器人。NeuRobot主要包括四个部分：显微操纵器  （被动slave 操纵器）、 操纵器支持装置、手术操作装置 （主动master操纵器） 和三维显示器。显微操纵器上安装有3个末端为1 mm的镊子和一个三维内镜。每个器械均有3个自由度 （旋转、曲伸、前后运动），并能远程控制。术者无需直接接触病人即可进行精确手术操作[9]。应用这套系统，在尸头上成功模拟了手术打开外侧裂及第三脑室切开的过程。并成功为1例54岁男性复发性非典型脑膜瘤进行了手术，切除了肿瘤，没有与机器人相关的并发症发生，病人术后恢复顺利[10]；本例为机器人应用于临床的首次报告。在完成了NeuRobot手术的基本实验后，远程 （40 km外） 对大鼠进行了精确的模拟手术[11]。近年来，虽然研制了多种神经外科手术机器人，但能远程控制并进行多种手术操作的机器人系统在临床上的应用并不多见。

    3.2    Socrates机器人远程协作系统 （Santa Barbara，CA）

    Socrates机器人是最早被美国FDA批准的远程协作系统。应用Socrates系统，能从遥远的手术室控制机械臂的动作，处理双通道视频、语音交流和传送神经导航数据。该系统具有4个整合服务数字网络，传输速度为512 kb/s。其基础研究在一所大学学院和一个400 km外的社区中心之间进行长途通讯，指导者可以根据实时神经导航数据直接控制内镜，与手术现场进行声音和视频交流，并直接控制机械臂 （AESOP） 进行手术。采用该系统对6例手术进行远程指导，其中开颅脑肿瘤切除术3例，动静脉畸形切除术1例，颈动脉内膜切除1例，腰椎间盘摘除1例；病人术后均恢复顺利，无手术并发症发生。被指导的神经外科医师认为：远程指导在所有病例中均有益处，特别是在切除颞叶内侧胶质瘤和枕叶动静脉畸形时，指导很关键。实践结果表明：机器人远程指导可行、可靠、安全。远程指导在提高手术护理和手术操作训练方面很有潜力，能把高水平的神经外科服务送到全世界[12]。

    3.3    NeuroArm （University of Calgary，Canada） 工程

    由加拿大投资三千万美金研发的NeuroArm系统能实施神经外科医师在颅内需要进行的所有操作。它基于生物模拟设计，手部动作可被持有手术器械的机械臂模拟。NeuroArm 包括2个机械臂，每个均有7个自由度；另外，第3个臂有2个摄像头，可以提供立体影像。NeuroArm可以进行显微外科操作，包括活检、显微切开、剪开、钝性分离、钳夹、电凝、烧灼、牵引、清洁器械、吸引、缝合等，还可向术者提供触觉压力反馈。 NeuroArm工作站也很独特， 能复制手术场面，提供听觉、视觉和触觉方面的感受。NeuroArm可在术前计划出手术边界，材料均能兼容核磁，机械臂由钛合金和聚合塑料制造，能进行术中MRI扫描，且MRI图像扭曲很小。NeuroArm可进行立体定向手术，通过线性驱动装置，精确到达靶点。其图像引导系统可虚拟现实，在术前模拟手术过程。 安全方面，NeuroArm滤除了手部颤动，有安全开关，可防止意外动作发生。目前这套机器人正在进行测试，计划在2年内用于临床[13]。

    4    国产CRAS机器人系统

    我院与北京航天航空大学联合开发的机器人系统CRAS （Computer and Robot Assisted Surgery） 已进入第5代。CRAS机器人系统选用PUMA260、262机器人作为系统辅助操作的执行机构。第1代为主动机器人，选择PUMA260为基础，与定位框架一起使用，于1997年5月首次应用于临床。第2代于1999年研制成功，实现了无框架立体定向手术。该系统主要由三部分组成：影像引导装置、三维定位软件和智能机械臂，分别完成测定靶点坐标、规划穿刺轨迹和平台导航操作等功能[14]。第3代和第4代机器人系统是在无框架手术功能上分别增添了动力性和远程操作性。第3代机器人系统采用上悬圆盘式底座，固定其间的五关节机械臂可按术者在局域网发出的指令，主动沿预定轨迹运动，将穿刺针指向靶点。2003年诞生的第4代机器人系统采用旁立拉杆式底座，机械臂主动操作的空间更广泛，手术定位更精确 （精度误差＜1 mm）。由于增加了立体视觉识别系统，实现了经网络传输的远程操作手术。利用第4代机器人的远程操作功能，已实现了北京-沈阳、北京-葫芦岛专线远程操作手术12例。第5代机器人除具前四代机器人的先进特点外，自动定位功能更加先进，实现了视觉自动定位，使手术误差更小，手术操作更加快捷安全。该系统能通过互联网实施远程操作手术，2005年12月12日，在北京与延安之间利用国际互联网，已成功进行了2例立体定向手术。

    5    小结与展望

    近年来，虽然神经外科手术机器人技术已取得了飞速发展，但还有许多技术需要提高，如：①人机界面；②灵巧性 （当前机械臂的动作比人手要慢）；③触觉和压力反馈；④温度传感器、器械尖部传感器需做得更小；⑤三维导航空间感仍不够理想[2]。此外，机器人必须更好地适应脑组织的变形性，而当前成像技术仍不能做到100%的实时成像。NASA研制的有多种显微感受器的探针较好地解决了这个问题，它利用最佳波谱、微电极记录、显微血流动力学、显微内镜等实时收集组织的大量数据，来确定组织的特性。可以预计，在不远的将来，更为先进、精确、稳定的神经外科机器人将广泛应用于临床。

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[4] VARMA T R, ELDRIDGE P R, FORSTER A, et al. Use of the NeuroMate stereotactic robot in a frameless mode for movement disorder surgery [J]. Stereotact Funct Neurosurg, 2003, 80(1-4): 132-135.

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[14] 田增民, 刘宗惠, 杜吉祥, 等. 新型机械臂在脑外科定向手术中的应用 [J]. 中华神经外科杂志, 2000, 16(2): 110-112.