神经外科开颅手术机器人研究与发展范文

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摘要：开颅手术在神经外科手术所占比例最高，且费时费力，目前机器人已渗透到开颅手术领域，且发展迅速，并且以其高精度、稳定性的优点可有效提高手术效果，缩短人力操作时间，减少医生疲劳。本文就开颅手术机器人的发展及目前国内外研究的现状作一综述。

关键词：手术机器人；开颅术；神经外科

开颅手术机器人属于神经外科机器人的范畴，而传统的神经外科机器人多用于立体定向手术[1]。立体定向机器人辅助神经外科穿刺活检平均目标准确度已可达0.9~4.5mm，诊断活检率可达75%~100%[2-3]。近年来机器人技术飞速发展，包括开放性模块化的控制系统、软件系统、机器人故障诊断与安全维护技术[4-5]。通过实时网络自适应控制已可以模拟深部脑刺激的电极植入，这种方法也有助于机器人辅助手术的发展，提供一种新的实时纠错并提高精度的方法[6]。同时神经外科的高技术发展(包括影像导航技术、术中磁共振技术、术中电生理检测技术、术中唤醒技术等)使得术中的精确定位、病灶边界精准确定、手术入路的合适选择、创面的微小化越来越成为可能[7]。而作为神经外科手术中比重最大的开颅手术，它与医用机器人的结合更凸显其优势[8]。本文总结既往机器人辅助开颅手术的优势和不足，以启示未来机器人辅助开颅手术的研究方向。

1开颅手术机器人理念及实践

机器人辅助神经外科萌芽在20世纪80年代，PUMA机器人最先用于神经外科，以往的神经外科手术机器人多用于辅助立体定向手术[9]，如法国的Neuromate机器人[10]、加拿大的NeuroArm以及国内北京航空航天大学与海军总医院联合开发的(ComputerandRobotAssistedSurgery，CRAS)机器人系统和Remebot机器人[11]等。开颅手术机器人虽然属于神经外科机器人的范畴，但它主要的任务是精准钻孔与铣削。在早期神经外科手术机器人的基础上，国外的一些开颅机器人的研究应运而生。德国研发的RobaCKa[12-13]和CRANIOsystem[14]可以进行颅骨表面肿瘤的切除以及颅骨的塑形重建[15]。美国开发的混合Stealthstation导航系统、Neuromate机器人臂、六维力觉感知系统和3DSlicer软件机器人系统，已可进行颅底神经外科手术的开颅，但仍处于模型实验和尸头实验阶段[16]。新开发的神经外科导航辅助钻孔机械臂，定位误差达到0.502mm，精度已相当高，且比人工的钻孔精度高[17]。Minerva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，由于病人需在CT机下手术，利用率不高，因而问世2年后即停止研究。随着导航系统的发展，目前最为成熟的为德国的Brainlab将磁共振影像数据与人头颅匹配，实现实时精准定位，且具备先进的三维成像技术，3D显示肿瘤轮廓，精准定位病灶。将手术机器人、影像导航系统、开颅手术三者结合是当今开颅手术机器人研究的理念和实践[18]。借助于影像导航系统，精确定位病灶位置的同时，更加精准的规划开颅时的骨窗位置，并设计钻孔位置，并以此操控机器人按照导航系统的规划设计进行钻孔和铣削，以更小的骨窗达到更大范围的暴露，从而实现微创。同时借助机器人的助力系统可快速而省力的实现开颅，并且机器人更高的精度能够降低硬膜、血管、脑组织的损伤率。达芬奇机器人是目前应用很广泛的手术机器人，在腹部手术中已被证明其有效性和安全性。锁孔神经外科手术是近年来提出的更加微创化的手术方式，英国伦敦皇家大学(ImperialCollegeLondon)借助众所周知的达芬奇机器人进行神经外科锁孔手术的研究，得出的结论是由于锁孔空间的限制、巨大机械臂的互相干扰且操控无力觉反馈，达芬奇机器人在神经外科手术的应用中，不具备可靠的安全性和有效性[19]。目前国外研究的开颅手术机器人主要有以下几种。

2RobaCKa机器人系统

这款开颅机器人是由德国海德堡大学在之前CASPAR机器人(该机器人已可完全模拟颅骨手术)系统基础上2009年研发，其控制系统由该机器人专有的控制系统组成(包括一个力矩传感器JR3、一个气动压力保护系统SCHUNK、一个红外追踪系统NDI)，通过计算机运行一个实时的冗余安全系统RILinux/Free，机器人末端为一个开颅机械臂Aesculap。该机器人系统的软件运用开颅术前计划系统KasOp，而在手术过程中的安全性则由GUI工作流程指导医生的每一个必要步骤的实施。这例机器人的研发是为了更加精确和安全的执行开颅术和复位骨瓣，尤其是颅缝早闭的外科治疗。借助于术前CT扫描、术前的计划和定位，术中移除软组织后，该机器人能够自主的进行开颅术。这例机器人在虚拟实验和动物实验中的表现都很好，证明了其精确性和可靠性。这例机器人之后还进行了第1例人体实验，为一个8岁的女性岩骨占位性病变患儿进行开颅术，虽然其只进行了额骨骨瓣的铣削，但却证明了机器人应用于开颅术的可能。虽然这例机器人系统没有出现明显问题，但是仍需要注意将患者的危险性降到最低，是否能够确保全自动化的机器人开颅的安全性，这需要在机器人系统设计时就体现出来，这也是未来机器人辅助开颅手术需要不断改进完善的地方。

3CRANIO机器人系统

此机器人系统是建立在CRIGOS的六维力系统和其特殊的工作空间基础上，由亥姆霍兹-德国亚琛工业大学生物医学工程研究所2006年研发[20]。无菌的机器人被设置在患者头颅下方，与固定器紧密连接，同时开颅工具被机器人平台的C型臂牢牢固定，这些都使得操作空间能更好的适应人的头颅。该开颅机器人系统采用分散式构架，其软件包括了术前计划及导航的软件系统和其从属系统，其硬件包括了运动控制单元以及冗余安全硬件(RSH)。机器人运用术前CT图像数据进行自动的颅骨切割，随后通过计算机辅助模拟进行颅骨的修复。该机器人在颅骨模型实验中被证明十分适合颅骨的钻孔与铣削，由它进行了实验室及解剖颅骨的研究，为接下来机器人系统的整合、手术操作流程和后期的临床试验提供了基础数据。但其在颅骨重塑的精确度上仍需加强，更远期的研究着眼于以超声为基础的技术，同时需增加一个自动冲洗装置，优化安全闸门，确保机器人自动工作时的安全性。最为重要的是在机械臂末端要增加一个力感知系统从而减少工具的振动而确保操作的安全，将位置与力控相结合进而减少开颅的时间。

4基于NeuroMate的混合机器人系统

这一款机器人由美国巴尔的摩约翰霍普金斯大学2008年研发，其混合了NeuroMaterobot(Sacranmento，CA)六维力觉感知机械臂、StealthStation导航系统(Louisville，Colorado)、运行3DSlicer软件的工作站和运行高水平机器人控制程序软件的工作站(Applicationcontroller)，主要用来颅底外科手术的开颅。采用的NeuroMate机器人是FDA认证的机器人系统，使用这款机器人的原因是它具有机械稳定性、良好的精确度和对于开颅手术舒适的操作空间。其工作流程为：运用StealthStation导航系统将实际头颅与术前CT图像进行注册配准；同时在机器人开颅的机械臂也安装一个导航接受仪，使机器人与Stealth-Station导航系统能够联合注册，以达到开颅过程中的可视化操作。注册后使用3DSlicer开源软件作为术前计划系统的一部分，模拟出头颅的3D模型进而输出到一个开放的文件数据格式。3DSlicer提供的3D模型与StealthStation提供的可视化模型相比，能够更加仿真模拟术中实时情况，且它们之间的CT数据可相互转换。然后将Stealth的参考系与Stealth的CT数据注册匹配(允许误差小于1mm)，进而与机器人的参考系进行注册匹配(允许误差小于0.5mm)。然后通过导航系统和术前计划软件指导NeuroMate机器人按预定轨迹进行颅骨的钻孔和铣削。过程中高水平机器人控制程序软件(Applicationcontroller)能够实时的提供力量控制和在铣削过程中的模拟运算，它同时向力觉感知末端和StealthStation提供交互连接，以及向Slicer提供实时数据以达到术中的可视化操作。该机器人系统进行了颅骨泡沫模型和尸头的实验，模型实验的定位误差和空间误差平均都为0.6mm；尸头实验3例在开颅磨除内听道时的骨瓣边界超出了术前计划边界约1~2mm，最大超出了3mm。这款基于影像导航的协同控制机器人系统能够在颅底神经外科手术的开颅过程中提供稳定的钻铣，在增强头颅模拟的同时进而保护关键的神经血管结构，但是其精确性仍有待进一步改善，且实验例数较少需要进一步的实验验证，能否应用于临床尚待研究。目前只有两个机器人系统被美国FDA批准用于神经外科手术，而且缺乏有意义的临床测试以证明其有效性的文献。机器人技术的成本也令人望而却步。总体而言，神经耳科学中的机器人，特别是乳突切除术的前景是光明的，但仍有一些障碍需要克服。立体定向机器人辅助高血压脑出血的治疗，用于定位血肿部位及血肿的穿刺抽吸已大量应用于临床，并有有利的临床数据支持[21-22]。然而在神经外科领域及机器人辅助开颅手术仍然需要更多的动物实验、临床试验，且开颅手术机器人的研究热点在2010年，近年来陷入了低谷，文献报道也较少；一方面原因是智能机器人成本较高，另一方面原因机器人辅助开颅手术效果仍有待提高[23-24]。

5国产开颅手术机器人系统

目前国产的神经外科机器人主要应用于立体定向手术。海军总医院与北京航空航天大学联合开发的机器人系统CRAS，由影像引导装置、三维定位软件和智能机械臂组成，分别完成测定靶点目标、规划穿刺轨迹和平台导航操作等功能。其第五代机器人实现了视觉自动定位，使手术误差更小，并能通过互联网实现远程操控[25]。2017年由台湾长庚大学研发的神经外科机械臂钻孔导航系统，包括结合了机器人和手术导航的神经外科机器人机械臂、基于3D医学成像的手术计划(可以识别病变位置和在3D图像上显示规划的手术路径)，以及自动钻孔停止控制。其实验验证自动规划路径与风险区域之间的平均距离误差为0.279±0.401mm[26]。在颅颌面外科机器人方面，国内的机器人系统主要通过力觉反馈控制机器人的启停，提高医生的力感知，达到人机交互控制，而非单纯的机器人自动控制，更具备安全性[27]。同时借助于影响导航系统辅助定位，操控机械臂的运动方位，这已在国内手术机器人的研究中得以实现[28-29]。最近解放军总医院和北京理工大学联合开发的智能人机协同开颅手术机器人系统Cranibot已完成了颅骨模型试验、动物头颅实验、活体动物实验，其运用基于力觉反馈的控制、CT影像导航、人机交互控制算法、术中实时显示系统[30]，实现了人机交互控制的开颅手术，与人工开颅手术相比，提高了开颅手术的效率和精确度。目前来看，国内的开颅手术机器人的研究仍在初级阶段，机器人应用于神经外科主要还集中于立体定向手术，在开颅手术方面还处于动物实验阶段。

6开颅手术机器人辅助开颅的优点

传统的开颅方法需要医生手持开颅钻及铣刀，医生长时间负重操作，并且需要保证钻孔和铣削的高精度，保证手术安全，这种传统的开颅方法大大消耗医生的体力和精力，并且还需要有经验的医生方可实施。而机器人则具有如下优势：①机器人借助影像导航系统操控机械臂的位置可以定位更精确，大大消除人眼的误差，使得钻孔和铣削更加匹配术前计划的位置。②机器人的机械臂稳定性好，消除了人手晃动的危险因素，且术中不会疲劳，更加可靠。③机器人对于力的控制比人更加精准，在开颅手术过程中，可通过程序控制力的阈值，能够及时启停，提高手术的安全性。④机器人结合影像导航技术，可以快速定位骨窗位置，规划出开颅路径，且机器人稳定而快速的工作模式，可以缩短开颅手术的时间。高精度的定位可以减少颅内组织如硬膜、血管及脑的损伤[31]。⑤借助于网络及远程操控系统，可实现医生的远程控制手术。

7开颅手术机器人的未来展望

神经外科机器人经过30余年的发展，已经日趋成熟，纵观其发展趋势，是将机器人与影像技术、机械技术、计算机控制技术相结合，做到精准与安全。开颅机器人作为神经外科机器人的一种，将开颅设备连接与机器人机械臂末端，在借助于影像导航系统、术前计划软件、力控系统，操控机器人的运动，达到精确度、可靠性、效率均较高的开颅效果，辅助开颅手术的完成[32]。国外的开颅手术机器人仍处于研究初级阶段，并没有投入临床应用，而国内鲜有开颅手术机器人的报道。机器人辅助开颅手术的方式，的确是今后神经外科精准治疗的增长点。虽然国内外的开颅手术机器人尚存在精确度不够高、稳定性不够强、力反馈较差、效率仍低等缺点，但开颅手术机器人无疑是未来的发展方向且完全可能替代人工开颅。国外的开颅手术机器人多是借助导航及术前计划的全自动化设计，面对复杂的人体颅骨的情况，全自动化的机器开颅肯定存在安全性方面的隐患。未来会向人机交互协同控制的开颅机器人方向发展，这也是利用机器快速、稳定、省力特点的同时，发挥人的灵活性的特点，相信不久将来开颅机器人会广泛应用于临床。

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作者：崔萌 马晓东 张猛 朱巍 单位：解放军总医院