作者：崔萌，馬曉東，張猛，朱巍，301醫(yī)院神經(jīng)外科
開顱手術(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%。近年來機(jī)器人技術(shù)飛速發(fā)展，包括開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)面的微小化越來越成為可能。而作為神經(jīng)外科手術(shù)中比重最大的開顱手術(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)器人輔助開顱手術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足，以啟示未來機(jī)器人輔助開顱手術(shù)的研究方向。
1.開顱手術(shù)機(jī)器人理念及實(shí)踐
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)合開發(fā)的（Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS）機(jī)器人系統(tǒng)和Remebot機(jī)器人等。開顱手術(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)開發(fā)的混合Stealth station導(dǎo)航系統(tǒng)、Neuromate機(jī)器人臂、六維力覺感知系統(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)的開顱，但仍處于模型實(shí)驗(yàn)和尸頭實(shí)驗(yàn)階段。新開發(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)、開顱手術(shù)三者結(jié)合是當(dāng)今開顱手術(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)外研究的開顱手術(shù)機(jī)器人主要有以下幾種。
2.RobaCKa機(jī)器人系統(tǒng)
這款開顱機(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)開顱機(jī)械臂Aesculap。該機(jī)器人系統(tǒng)的軟件運(yùn)用開顱術(shù)前計(jì)劃系統(tǒng)KasOp，而在手術(shù)過程中的安全性則由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)用于開顱術(shù)的可能。雖然這例機(jī)器人系統(tǒng)沒有出現(xiàn)明顯問題，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，這也是未來機(jī)器人輔助開顱手術(shù)需要不斷改進(jìn)完善的地方。
3.CRANIO機(jī)器人系統(tǒng)
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。該開顱機(jī)器人系統(tǒng)采用分散式構(gòu)架，KUKA機(jī)器人維修，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，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)而減少開顱的時(shí)間。
4.基于NeuroMate的混合機(jī)器人系統(tǒng)
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），主要用來顱底外科手術(shù)的開顱。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)到開顱過程中的可視化操作。