脑部手术机器人研究
来源：hdf
时间：2012/01/12 14:50
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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，有可能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，数字机器人神经外科的概念逐渐形成。颅内手术需要精确定位与精细操作，由于颅面部有相对固定的解剖标志，神经外科是机器人外科较早涉及的领域之一。Motion scalers技术和震颤过滤技术的发展使机器人操作手术器械空前精确。
目前，神经外科手术机器人系统从能够进行立体定向手术发展到也能进行显微外科手术，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有如下优点：
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，可以提高手术的精度和灵巧性（如应用机器人操作可消除人手的震颤，提高医生的技能），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低到较小，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）机器人很早用于神经外科。外科医生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。较早是与立体定向手术框架结合，如美国Cartesian 机器人系统（Compass International， Rochester， MN） 。NeuroMate （Integrated Surgical Systems， Sacramento， CA）是较早被美国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。手术医生根据术前作者单位：100037 北京 海军总医院全军神经外科中心（孙君昭，田增民）
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，引导手术医生完成活检、取异物、囊肿抽吸等操作[3]。NeuroMate应用术前影像资料来定位，如果发生脑组织移位，则系统误差明显增加。目前新的版本在临床应用。它是被动把手术器械送到手术部位的，为半自动机器人[4]。
Minerva（University of Lausanne， Lausanne， Switzerland）是较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，利用术中扫描克服脑组织移位问题。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Minerva 的研究两年后就停止了[2]。
早期的神经外科手术机器人系统都是用于立体定向手术，或手术定位。九十年代中期，由美国NASA开发的机器人-RAMS（Robot-Assisted Microsurgery System）是较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3-D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行大鼠颈动脉吻合手术，手术很成功，但是手术时间较人工手术长。
Joskowicz L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。系统为MARS微型机器人，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3D病人面部扫描注册，达到预先确定的靶点自动定位。应用本系统进行了注册试验。靶点注册误差1.7 mm（SD = 0.7 mm）。
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3、远程操作的神经外科机器人系统
近10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，使得远距离手术这一人们美好的幻想，逐步走向现实。手术由外科医生在异地通过遥控操作系统控制手术现场的机器人完成。远程操作外科手术机器人系统涉及广泛的高新技术领域，如在远程医疗中，需要传送有数据、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，特别是为了在远距离控制机器人系统，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有如下几种[8]。
NeuRobot（Shinshu University School of Medicine， Matsumoto， Japan） -日本开发的远程显微神经外科手术机器人。NeuRobot是一个可以远程操作的神经外科手术显微操作系统。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三个末端为1-mm的镊子和一个三维内镜。每一个器械都有三个自由度（旋转，曲伸，前/后运动），并能远程控制。术者不用直接接触患者即可进行精确手术操作[9]。应用这套系统，在尸头上成功进行模拟手术打开外侧裂及第三脑室切开术。并成功应用这个系统为一54岁的男性复发的非典型脑膜瘤进行了手术，应用NeuRobot切除肿瘤，没有与机器人相关的并发症发生，患者术后恢复顺利[10]。在完成了NeuRobot手术的基本实验后，远程（四十公里外）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，但远程控制的，能进行多种手术操作的机器人系统应用到临床并不多见。应用机器人进行显微神经外科手术操作应用到临床，本例是第一例报道[9，10]。
机器人远程协作系统（Socrates； Computer Motion， Inc.， Santa Barbara， CA）机器人是较早被美国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。四个整合服务数字网络，传输速度512Kb/s。基础研究在一所大学学院和一个400公里外的社区中心之间提供长途通讯。指导者可以根据实时神经导航数据直接控制内镜，可与手术现场进行声音和视频交流。可以直接控制机械臂（AESOP）进行手术。
该系统对六例手术进行了远程指导，其中开颅脑肿瘤切除术三例，动静脉畸形切除术一例，颈动脉内膜切除一例，腰椎间盘摘除一例。六例患者术后恢复顺利，无手术并发症的发生。被指导的神经外科医师认为，远程指导在所有病例中都有益处，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，神经外科手术操作训练很有潜力，能把高水平的神经外科服务送到全世界[12]。
加拿大投资三千万美金研发的NeuroArm（University of Calgary，Calgary，Alberta，Canada）工程，包括了神经外科医生在颅内需要做的所有操作。它基于生物模拟设计，控制着手部动作可被机械臂（持有手术器械）模拟。
NeuroArm 包括两个机械臂，每一个都有7个自由度，另外第三个臂有两个摄像头，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，工作站尽可能的复制手术场面，提供听觉，视觉和触觉方面的感受。
机器人传感器和核磁在显示屏上显示三维脑组织图像。安全方面，NeuroArm滤除手部颤动，有安全开关防止意外动作发生。NeuroArm可在术前计划出手术边界，材料都能兼容核磁，能进行术中核磁扫描，机械臂由钛合金和聚合塑料制造，核磁图像扭曲很小。NeuroArm可进行立体定向手术，通过线性驱动装置，精确到达靶点。NeuroArm图像引导系统可虚拟现实，在术前模拟手术过程。目前这套机器人正在进行测试，计划在两年内用于临床[13]。
4、国产CRAS机器人系统
海军总医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，CRAS），已经完成了五代。
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。第一代为主动机器人，选择PUMA260为基础，与定位框架一起使用，于1997年5月首先应用于临床。第二代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]。第三代机器人系统和第四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。第三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照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。第四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<1mm）。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。
2003年诞生的第四代机器人，远程操作功能已实现了北京-沈阳、北京-葫芦岛12例专线远程操作手术。第五代机器人除了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成功进行了2例立体定向手术。
5、结束语
神经外科手术机器人近年来得到飞速的发展，但还有很多技术需要提高，如人机界面需要提高；灵巧性需要提高，当前机械臂的动作比人手要慢；触觉和压力反馈需要进一步提高；温度传感器，器械尖部传感器要做的更小；3-D导航空间感仍不够理想[2]。
此外，机器人必须更好的适应脑组织的变形性，当前的成像技术，目前仍不能做到接近满分的实时成像。NASA研制的有多种显微感受器的探针较好的解决这个问题。它利用优等波谱，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。
热文： 伽玛刀和手术治疗脑肿瘤对比 脑肿瘤伽玛刀治疗多少钱?
[参考文献]
1. RIZUN PR， MCBETH PB， LOUW DF，et al.Robot-assisted neurosurgery[J]. Semin Laparosc Surg.2004；11（2）:99
2.PAUL B，MCBETH， M.A.SC et al. Robotics in neurosurgery[J]. Am J Surg 2004； 188 （Suppl to October 2004）:68S
3.CLEARY K， NGUYEN C. State of the art in surgical robotics: clinical applications and technology challenges[J]. Comput Aided Surg 2001；6: 312
4.VARMA TRK， ELDRIDGE PR， FORSTER A， et al. Use of the NeuroMate stereotactic robot in a frameless mode for movement disorder surgery[J]. Stereotact Funct Neurosurg 2003；80:132
5. DAS H， ZAK H， JOHNSON J， et al. Evaluation of a telerobotic system to assist surgeons in microsurgery[J]. Comput Aided Surg 1999；4:15
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7. JOSKOWICZ L， SHAMIR R， FREIMAN M， et al. Image-guided system with miniature robot for precise positioning and targeting in keyhole neurosurgery[J]. Comput Aided Surg. 2006；11（4）:181
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11.HONGO K， GOTO T， MIYAHARA T et al. Telecontrolled micromanipulator system （NeuRobot） for minimally invasive neurosurgery[J]. Acta Neurochir Suppl. 2006；98:63
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13.LOUW DF， FIELDING T， MCBETH PB， et al. Surgical robotics: a review and neurosurgical prototype development[J]. Neurosurgery 2004；54:525
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.中华神经外科杂志，2000；16（2）:110
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