神经外科开颅手术机器人进展

• 神经外科开颅手术机器人进展
  
  
      注册后使用3DSlicer开源软件作为术前计划系统的一部分，模拟出头颅的3D模型进而输出到一个开放的文件数据格式。3DSlicer提供的3D模型与StealthStation提供的可视化模型相比，能够更加仿真模拟术中实时情况，且它们之间的CT数据可相互转换。然后将Stealth的参考系与Stealth的CT数据注册匹配（允许误差小于1mm），进而与机器人的参考系进行注册匹配（允许误差小于0.5mm）。然后通过导航系统和术前计划软件指导NeuroMate机器人按预定轨迹进行颅骨的钻孔和铣削。
  
      过程中高水平机器人控制程序软件（Applicationcontroller）能够实时的提供力量控制和在铣削过程中的模拟运算，它同时向力觉感知末端和StealthStation提供交互连接，以及向Slicer提供实时数据以达到术中的可视化操作。该机器人系统进行了颅骨泡沫模型和尸头的实验，模型实验的定位误差和空间误差平均都为0.6mm；尸头实验3例在开颅磨除内听道时的骨瓣边界超出了术前计划边界约1~2mm，最大超出了3mm。
  
      这款基于影像导航的协同控制机器人系统能够在颅底神经外科手术的开颅过程中提供稳定的钻铣，在增强头颅模拟的同时进而保护关键的神经血管结构，但是其精确性仍有待进一步改善，且实验例数较少需要进一步的实验验证，能否应用于临床尚待研究。目前只有两个机器人系统被美国FDA批准用于神经外科手术，而且缺乏有意义的临床测试以证明其有效性的文献。机器人技术的成本也令人望而却步。
  
      总体而言，神经耳科学中的机器人，特别是乳突切除术的前景是光明的，但仍有一些障碍需要克服。立体定向机器人辅助高血压脑出血的治疗，用于定位血肿部位及血肿的穿刺抽吸已大量应用于临床，并有有利的临床数据支持。然而在神经外科领域及机器人辅助开颅手术仍然需要更多的动物实验、临床试验，且开颅手术机器人的研究热点在2010年，近年来陷入了低谷，文献报道也较少；一方面原因是智能机器人成本较高，另一方面原因机器人辅助开颅手术效果仍有待提高。
  
      5.国产开颅手术机器人系统
  
      目前国产的神经外科机器人主要应用于立体定向手术。海军总医院与北京航空航天大学联合开发的机器人系统CRAS，由影像引导装置、三维定位的软件和智能机械臂组成，分别完成测定靶点目标、规划穿刺轨迹和平台导航操作等功能。其第五代机器人实现了视觉自动定位，使手术误差更小，并能通过互联网实现远程操控。2017年由台湾长庚大学研发的神经外科机械臂钻孔导航系统，包括结合了机器人和手术导航的神经外科机器人机械臂、基于3D医学成像的手术计划（可以识别病变位置和在3D图像上显示规划的手术路径），以及自动钻孔停止控制。其实验验证自动规划路径与风险区域之间的平均距离误差为0.279±0.401mm。
  
      在颅颌面外科机器人方面，国内的机器人系统主要通过力觉反馈控制机器人的启停，提高医生的力感知，达到人机交互控制，而非单纯的机器人自动控制，更具备安全性。同时借助于影响导航系统辅助定位，操控机械臂的运动方位，这已在国内手术机器人的研究中得以实现。
  
      最近解放军总医院和北京理工大学联合开发的智能人机协同开颅手术机器人系统Cranibot已完成了颅骨模型试验、动物头颅实验、活体动物实验，其运用基于力觉反馈的控制、CT影像导航、人机交互控制算法、术中实时显示系统，实现了人机交互控制的开颅手术，与人工开颅手术相比，提高了开颅手术的效率和精确度。目前来看，国内的开颅手术机器人的研究仍在初级阶段，机器人应用于神经外科主要还集中于立体定向手术，在开颅手术方面还处于动物实验阶段。
  
      6.开颅手术机器人辅助开颅的优点
  
      传统的开颅方法需要医生手持开颅钻及铣刀，医生长时间负重操作，并且需要保证钻孔和铣削的高精度，保证手术安全，这种传统的开颅方法大大消耗医生的体力和精力，并且还需要有经验的医生方可实施。而机器人则具有如下优势：①机器人借助影像导航系统操控机械臂的位置可以定位更精确，大大消除人眼的误差，使得钻孔和铣削更加匹配术前计划的位置。②机器人的机械臂稳定性好，消除了人手晃动的危险因素，且术中不会疲劳，更加可靠。③机器人对于力的控制比人更加精准，在开颅手术过程中，可通过程序控制力的阈值，能够及时启停，提高手术的安全性。④机器人结合影像导航技术，可以快速定位骨窗位置，规划出开颅路径，且机器人稳定而快速的工作模式，可以缩短开颅手术的时间。高精度的定位可以减少颅内组织如硬膜、血管及脑的损伤。⑤借助于网络及远程操控系统，可实现医生的远程控制手术。