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: ob[x]jective 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 fr[x]ameless 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 fr[x]ameless 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：，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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