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神经外科开颅手术机器人研究进展

http://www.pharmacy.hc360.com2019年07月15日13:47 来源:解放军医学院学报T|T

    【慧聪网|制药工业】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。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%。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。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。

    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。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。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,如法国的Neuromate机器人、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和CRANIOsystem可以进行颅骨表面肿瘤的切除以及颅骨的塑形重建。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。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。Minerva是早期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,目前极为成熟的为德国的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。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,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。

    目前国外研究的开颅手术机器人主要有以下几种。

    2.RobaCKa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一例人体实验,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极低,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。

    3.CRANIO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。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。极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。

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