作者：崔萌，馬曉東，張猛，朱巍，解放軍總醫(yī)院神經(jīng)外科

開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人屬于神經(jīng)外科機(jī)器人的范疇，而傳統(tǒng)的神經(jīng)外科機(jī)器人多用于立體定向手術(shù)。立體定向機(jī)器人輔助神經(jīng)外科穿刺活檢平均目標(biāo)準(zhǔn)確度已可達(dá)0.9~4.5mm，診斷活檢率可達(dá)75%~100%。近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展，包括開(kāi)放性模塊化的控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、機(jī)器人故障診斷與安全維護(hù)技術(shù)。通過(guò)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制已可以模擬深部腦刺激的電極植入，這種方法也有助于機(jī)器人輔助手術(shù)的發(fā)展，提供一種新的實(shí)時(shí)糾錯(cuò)并提高精度的方法。

 

　　同時(shí)神經(jīng)外科的高技術(shù)發(fā)展（包括影像導(dǎo)航技術(shù)、術(shù)中磁共振技術(shù)、術(shù)中電生理檢測(cè)技術(shù)、術(shù)中喚醒技術(shù)等）使得術(shù)中的精確定位、病灶邊界精準(zhǔn)確定、手術(shù)入路的合適選擇、創(chuàng)面的微小化越來(lái)越成為可能。而作為神經(jīng)外科手術(shù)中比重最大的開(kāi)顱手術(shù)，它與醫(yī)用機(jī)器人的結(jié)合更凸顯其優(yōu)勢(shì)。本文總結(jié)既往機(jī)器人輔助開(kāi)顱手術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足，以啟示未來(lái)機(jī)器人輔助開(kāi)顱手術(shù)的研究方向。

 

 

　　機(jī)器人輔助神經(jīng)外科萌芽在20世紀(jì)80年代，PUMA機(jī)器人最先用于神經(jīng)外科，以往的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人多用于輔助立體定向手術(shù)，如法國(guó)的Neuromate機(jī)器人、加拿大的Neuro Arm以及國(guó)內(nèi)北京航空航天大學(xué)與海軍總醫(yī)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的（Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS）機(jī)器人系統(tǒng)和Remebot機(jī)器人等。開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人雖然屬于神經(jīng)外科機(jī)器人的范疇，但它主要的任務(wù)是精準(zhǔn)鉆孔與銑削。在早期神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，國(guó)外的一些開(kāi)顱機(jī)器人的研究應(yīng)運(yùn)而生。

 

　　德國(guó)研發(fā)的RobaCKa和CRANIO system可以進(jìn)行顱骨表面腫瘤的切除以及顱骨的塑形重建。美國(guó)開(kāi)發(fā)的混合Stealth station導(dǎo)航系統(tǒng)、Neuromate機(jī)器人臂、六維力覺(jué)感知系統(tǒng)和3D Slicer軟件機(jī)器人系統(tǒng)，已可進(jìn)行顱底神經(jīng)外科手術(shù)的開(kāi)顱，但仍處于模型實(shí)驗(yàn)和尸頭實(shí)驗(yàn)階段。新開(kāi)發(fā)的神經(jīng)外科導(dǎo)航輔助鉆孔機(jī)械臂，定位誤差達(dá)到0.502mm，精度已相當(dāng)高，且比人工的鉆孔精度高。Minerva是最早能提供實(shí)時(shí)影像引導(dǎo)的系統(tǒng)，可進(jìn)行無(wú)框架立體定向手術(shù)，由于病人需在CT機(jī)下手術(shù)，利用率不高，因而問(wèn)世2年后即停止研究。隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，目前最為成熟的為德國(guó)的Brainlab將磁共振影像數(shù)據(jù)與人頭顱匹配，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位，且具備先進(jìn)的三維成像技術(shù)，3D顯示腫瘤輪廓，精準(zhǔn)定位病灶。

 

　　將手術(shù)機(jī)器人、影像導(dǎo)航系統(tǒng)、開(kāi)顱手術(shù)三者結(jié)合是當(dāng)今開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人研究的理念和實(shí)踐。借助于影像導(dǎo)航系統(tǒng)，精確定位病灶位置的同時(shí)，更加精準(zhǔn)的規(guī)劃開(kāi)顱時(shí)的骨窗位置，并設(shè)計(jì)鉆孔位置，并以此操控機(jī)器人按照導(dǎo)航系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆孔和銑削，以更小的骨窗達(dá)到更大范圍的暴露，從而實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)。同時(shí)借助機(jī)器人的助力系統(tǒng)可快速而省力的實(shí)現(xiàn)開(kāi)顱，并且機(jī)器人更高的精度能夠降低硬膜、血管、腦組織的損傷率。

 

　　達(dá)芬奇機(jī)器人是目前應(yīng)用很廣泛的手術(shù)機(jī)器人，在腹部手術(shù)中已被證明其有效性和安全性。鎖孔神經(jīng)外科手術(shù)是近年來(lái)提出的更加微創(chuàng)化的手術(shù)方式，英國(guó)倫敦皇家大學(xué)（Imperial College London）借助眾所周知的達(dá)芬奇機(jī)器人進(jìn)行神經(jīng)外科鎖孔手術(shù)的研究，得出的結(jié)論是由于鎖孔空間的限制、巨大機(jī)械臂的互相干擾且操控?zé)o力覺(jué)反饋，達(dá)芬奇機(jī)器人在神經(jīng)外科手術(shù)的應(yīng)用中，不具備可靠的安全性和有效性。

 

　　目前國(guó)外研究的開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人主要有以下幾種。

 

 

　　這款開(kāi)顱機(jī)器人是由德國(guó)海德堡大學(xué)在之前CASPAR機(jī)器人（該機(jī)器人已可完全模擬顱骨手術(shù)）系統(tǒng)基礎(chǔ)上2009年研發(fā)，其控制系統(tǒng)由該機(jī)器人專有的控制系統(tǒng)組成（包括一個(gè)力矩傳感器JR3、一個(gè)氣動(dòng)壓力保護(hù)系統(tǒng)SCHUNK、一個(gè)紅外追蹤系統(tǒng)NDI），通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行一個(gè)實(shí)時(shí)的冗余安全系統(tǒng)RILinux/Free，機(jī)器人末端為一個(gè)開(kāi)顱機(jī)械臂Aesculap。該機(jī)器人系統(tǒng)的軟件運(yùn)用開(kāi)顱術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)KasOp，而在手術(shù)過(guò)程中的安全性則由GUI工作流程指導(dǎo)醫(yī)生的每一個(gè)必要步驟的實(shí)施。這例機(jī)器人的研發(fā)是為了更加精確和安全的執(zhí)行開(kāi)顱術(shù)和復(fù)位骨瓣，尤其是顱縫早閉的外科治療。

 

　　借助于術(shù)前CT掃描、術(shù)前的計(jì)劃和定位，術(shù)中移除軟組織后，該機(jī)器人能夠自主的進(jìn)行開(kāi)顱術(shù)。這例機(jī)器人在虛擬實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)都很好，證明了其精確性和可靠性。這例機(jī)器人之后還進(jìn)行了第1例人體實(shí)驗(yàn)，為一個(gè)8歲的女性巖骨占位性病變患兒進(jìn)行開(kāi)顱術(shù)，雖然其只進(jìn)行了額骨骨瓣的銑削，但卻證明了機(jī)器人應(yīng)用于開(kāi)顱術(shù)的可能。雖然這例機(jī)器人系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)明顯問(wèn)題，但是仍需要注意將患者的危險(xiǎn)性降到最低，是否能夠確保全自動(dòng)化的機(jī)器人開(kāi)顱的安全性，這需要在機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就體現(xiàn)出來(lái)，這也是未來(lái)機(jī)器人輔助開(kāi)顱手術(shù)需要不斷改進(jìn)完善的地方。

 

　　此機(jī)器人系統(tǒng)是建立在CRIGOS的六維力系統(tǒng)和其特殊的工作空間基礎(chǔ)上，由亥姆霍茲-德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所2006年研發(fā)。無(wú)菌的機(jī)器人被設(shè)置在患者頭顱下方，與固定器緊密連接，同時(shí)開(kāi)顱工具被機(jī)器人平臺(tái)的C型臂牢牢固定，這些都使得操作空間能更好的適應(yīng)人的頭顱。該開(kāi)顱機(jī)器人系統(tǒng)采用分散式構(gòu)架，其軟件包括了術(shù)前計(jì)劃及導(dǎo)航的軟件系統(tǒng)和其從屬系統(tǒng)，其硬件包括了運(yùn)動(dòng)控制單元以及冗余安全硬件（RSH）。

 

　　機(jī)器人運(yùn)用術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)的顱骨切割，隨后通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助模擬進(jìn)行顱骨的修復(fù)。該機(jī)器人在顱骨模型實(shí)驗(yàn)中被證明十分適合顱骨的鉆孔與銑削，由它進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室及解剖顱骨的研究，為接下來(lái)機(jī)器人系統(tǒng)的整合、手術(shù)操作流程和后期的臨床試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但其在顱骨重塑的精確度上仍需加強(qiáng)，更遠(yuǎn)期的研究著眼于以超聲為基礎(chǔ)的技術(shù)，同時(shí)需增加一個(gè)自動(dòng)沖洗裝置，優(yōu)化安全閘門(mén)，確保機(jī)器人自動(dòng)工作時(shí)的安全性。最為重要的是在機(jī)械臂末端要增加一個(gè)力感知系統(tǒng)從而減少工具的振動(dòng)而確保操作的安全，將位置與力控相結(jié)合進(jìn)而減少開(kāi)顱的時(shí)間。

 

 

　　這一款機(jī)器人由美國(guó)巴爾的摩約翰霍普金斯大學(xué)2008年研發(fā)，其混合了Neuro Materobot（Sacranmento，CA）六維力覺(jué)感知機(jī)械臂、Stealth Station導(dǎo)航系統(tǒng)（Louisville，Colorado）、運(yùn)行3DSlicer軟件的工作站和運(yùn)行高水平機(jī)器人控制程序軟件的工作站（Application controller），主要用來(lái)顱底外科手術(shù)的開(kāi)顱。采用的NeuroMate機(jī)器人是FDA認(rèn)證的機(jī)器人系統(tǒng)，使用這款機(jī)器人的原因是它具有機(jī)械穩(wěn)定性、良好的精確度和對(duì)于開(kāi)顱手術(shù)舒適的操作空間。其工作流程為：運(yùn)用StealthStation導(dǎo)航系統(tǒng)將實(shí)際頭顱與術(shù)前CT圖像進(jìn)行注冊(cè)配準(zhǔn)；同時(shí)在機(jī)器人開(kāi)顱的機(jī)械臂也安裝一個(gè)導(dǎo)航接受儀，使機(jī)器人與Stealth-Station導(dǎo)航系統(tǒng)能夠聯(lián)合注冊(cè)，以達(dá)到開(kāi)顱過(guò)程中的可視化操作。

 

　　注冊(cè)后使用3DSlicer開(kāi)源軟件作為術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)的一部分，模擬出頭顱的3D模型進(jìn)而輸出到一個(gè)開(kāi)放的文件數(shù)據(jù)格式。3DSlicer提供的3D模型與StealthStation提供的可視化模型相比，能夠更加仿真模擬術(shù)中實(shí)時(shí)情況，且它們之間的CT數(shù)據(jù)可相互轉(zhuǎn)換。然后將Stealth的參考系與Stealth的CT數(shù)據(jù)注冊(cè)匹配（允許誤差小于1mm），進(jìn)而與機(jī)器人的參考系進(jìn)行注冊(cè)匹配（允許誤差小于0.5mm）。然后通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)和術(shù)前計(jì)劃軟件指導(dǎo)NeuroMate機(jī)器人按預(yù)定軌跡進(jìn)行顱骨的鉆孔和銑削。

 

　　過(guò)程中高水平機(jī)器人控制程序軟件（Applicationcontroller）能夠?qū)崟r(shí)的提供力量控制和在銑削過(guò)程中的模擬運(yùn)算，它同時(shí)向力覺(jué)感知末端和StealthStation提供交互連接，以及向Slicer提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以達(dá)到術(shù)中的可視化操作。該機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了顱骨泡沫模型和尸頭的實(shí)驗(yàn)，模型實(shí)驗(yàn)的定位誤差和空間誤差平均都為0.6mm；尸頭實(shí)驗(yàn)3例在開(kāi)顱磨除內(nèi)聽(tīng)道時(shí)的骨瓣邊界超出了術(shù)前計(jì)劃邊界約1~2mm，最大超出了3mm。

 

　　這款基于影像導(dǎo)航的協(xié)同控制機(jī)器人系統(tǒng)能夠在顱底神經(jīng)外科手術(shù)的開(kāi)顱過(guò)程中提供穩(wěn)定的鉆銑，在增強(qiáng)頭顱模擬的同時(shí)進(jìn)而保護(hù)關(guān)鍵的神經(jīng)血管結(jié)構(gòu)，但是其精確性仍有待進(jìn)一步改善，且實(shí)驗(yàn)例數(shù)較少需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能否應(yīng)用于臨床尚待研究。目前只有兩個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)被美國(guó)FDA批準(zhǔn)用于神經(jīng)外科手術(shù)，而且缺乏有意義的臨床測(cè)試以證明其有效性的文獻(xiàn)。機(jī)器人技術(shù)的成本也令人望而卻步。

 

　　總體而言，神經(jīng)耳科學(xué)中的機(jī)器人，特別是乳突切除術(shù)的前景是光明的，但仍有一些障礙需要克服。立體定向機(jī)器人輔助高血壓腦出血的治療，用于定位血腫部位及血腫的穿刺抽吸已大量應(yīng)用于臨床，并有有利的臨床數(shù)據(jù)支持。然而在神經(jīng)外科領(lǐng)域及機(jī)器人輔助開(kāi)顱手術(shù)仍然需要更多的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)、臨床試驗(yàn)，且開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)在2010年，近年來(lái)陷入了低谷，文獻(xiàn)報(bào)道也較少；一方面原因是智能機(jī)器人成本較高，另一方面原因機(jī)器人輔助開(kāi)顱手術(shù)效果仍有待提高。

 

 

　　目前國(guó)產(chǎn)的神經(jīng)外科機(jī)器人主要應(yīng)用于立體定向手術(shù)。海軍總醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的機(jī)器人系統(tǒng)CRAS，由影像引導(dǎo)裝置、三維定位軟件和智能機(jī)械臂組成，分別完成測(cè)定靶點(diǎn)目標(biāo)、規(guī)劃穿刺軌跡和平臺(tái)導(dǎo)航操作等功能。其第五代機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)自動(dòng)定位，使手術(shù)誤差更小，并能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。2017年由臺(tái)灣長(zhǎng)庚大學(xué)研發(fā)的神經(jīng)外科機(jī)械臂鉆孔導(dǎo)航系統(tǒng)，包括結(jié)合了機(jī)器人和手術(shù)導(dǎo)航的神經(jīng)外科機(jī)器人機(jī)械臂、基于3D醫(yī)學(xué)成像的手術(shù)計(jì)劃（可以識(shí)別病變位置和在3D圖像上顯示規(guī)劃的手術(shù)路徑），以及自動(dòng)鉆孔停止控制。其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自動(dòng)規(guī)劃路徑與風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域之間的平均距離誤差為0.279±0.401mm。

 

　　在顱頜面外科機(jī)器人方面，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人系統(tǒng)主要通過(guò)力覺(jué)反饋控制機(jī)器人的啟停，提高醫(yī)生的力感知，達(dá)到人機(jī)交互控制，而非單純的機(jī)器人自動(dòng)控制，更具備安全性。同時(shí)借助于影響導(dǎo)航系統(tǒng)輔助定位，操控機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方位，這已在國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人的研究中得以實(shí)現(xiàn)。

 

　　最近解放軍總醫(yī)院和北京理工大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的智能人機(jī)協(xié)同開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)Cranibot已完成了顱骨模型試驗(yàn)、動(dòng)物頭顱實(shí)驗(yàn)、活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，其運(yùn)用基于力覺(jué)反饋的控制、CT影像導(dǎo)航、人機(jī)交互控制算法、術(shù)中實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互控制的開(kāi)顱手術(shù)，與人工開(kāi)顱手術(shù)相比，提高了開(kāi)顱手術(shù)的效率和精確度。目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)的開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人的研究仍在初級(jí)階段，機(jī)器人應(yīng)用于神經(jīng)外科主要還集中于立體定向手術(shù)，在開(kāi)顱手術(shù)方面還處于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段。

 

　　6.開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人輔助開(kāi)顱的優(yōu)點(diǎn)

 

　　傳統(tǒng)的開(kāi)顱方法需要醫(yī)生手持開(kāi)顱鉆及銑刀，醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間負(fù)重操作，并且需要保證鉆孔和銑削的高精度，保證手術(shù)安全，這種傳統(tǒng)的開(kāi)顱方法大大消耗醫(yī)生的體力和精力，并且還需要有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生方可實(shí)施。而機(jī)器人則具有如下優(yōu)勢(shì)：①機(jī)器人借助影像導(dǎo)航系統(tǒng)操控機(jī)械臂的位置可以定位更精確，大大消除人眼的誤差，使得鉆孔和銑削更加匹配術(shù)前計(jì)劃的位置。②機(jī)器人的機(jī)械臂穩(wěn)定性好，消除了人手晃動(dòng)的危險(xiǎn)因素，且術(shù)中不會(huì)疲勞，更加可靠。③機(jī)器人對(duì)于力的控制比人更加精準(zhǔn)，在開(kāi)顱手術(shù)過(guò)程中，可通過(guò)程序控制力的閾值，能夠及時(shí)啟停，提高手術(shù)的安全性。④機(jī)器人結(jié)合影像導(dǎo)航技術(shù)，可以快速定位骨窗位置，規(guī)劃出開(kāi)顱路徑，且機(jī)器人穩(wěn)定而快速的工作模式，可以縮短開(kāi)顱手術(shù)的時(shí)間。高精度的定位可以減少顱內(nèi)組織如硬膜、血管及腦的損傷。⑤借助于網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)醫(yī)生的遠(yuǎn)程控制手術(shù)。

 

　　神經(jīng)外科機(jī)器人經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，已經(jīng)日趨成熟，縱觀其發(fā)展趨勢(shì)，是將機(jī)器人與影像技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合，做到精準(zhǔn)與安全。開(kāi)顱機(jī)器人作為神經(jīng)外科機(jī)器人的一種，將開(kāi)顱設(shè)備連接與機(jī)器人機(jī)械臂末端，在借助于影像導(dǎo)航系統(tǒng)、術(shù)前計(jì)劃軟件、力控系統(tǒng)，操控機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到精確度、可靠性、效率均較高的開(kāi)顱效果，輔助開(kāi)顱手術(shù)的完成。國(guó)外的開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人仍處于研究初級(jí)階段，并沒(méi)有投入臨床應(yīng)用，而國(guó)內(nèi)鮮有開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人的報(bào)道。

 

　　機(jī)器人輔助開(kāi)顱手術(shù)的方式，的確是今后神經(jīng)外科精準(zhǔn)治療的增長(zhǎng)點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)外的開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人尚存在精確度不夠高、穩(wěn)定性不夠強(qiáng)、力反饋較差、效率仍低等缺點(diǎn)，但開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人無(wú)疑是未來(lái)的發(fā)展方向且完全可能替代人工開(kāi)顱。國(guó)外的開(kāi)顱手術(shù)機(jī)器人多是借助導(dǎo)航及術(shù)前計(jì)劃的全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，面對(duì)復(fù)雜的人體顱骨的情況，全自動(dòng)化的機(jī)器開(kāi)顱肯定存在安全性方面的隱患。未來(lái)會(huì)向人機(jī)交互協(xié)同控制的開(kāi)顱機(jī)器人方向發(fā)展，這也是利用機(jī)器快速、穩(wěn)定、省力特點(diǎn)的同時(shí)，發(fā)揮人的靈活性的特點(diǎn)，相信不久將來(lái)開(kāi)顱機(jī)器人會(huì)廣泛應(yīng)用于臨床。