本文關(guān)鍵詞：面向腦外科微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療機器人系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

腦外科手術(shù)機器人

《機器人技術(shù)與應(yīng)用》

面向腦外科微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療機器人系統(tǒng)
□ 丑武勝 王田苗

北京航空航天大學 機器人研究所
[ 摘 要 ] 機器人為微創(chuàng)外科手術(shù)的實施提供了有利的技術(shù)支持。本文針對傳統(tǒng)腦外科手術(shù)的不足 , 開發(fā)研制了一套機

器人輔助腦外科微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng) ,

主要由 5 自由度機器人、手術(shù)規(guī)劃和導航軟件及基于標志點的標定模塊組成 , 其中機 器人系統(tǒng)不僅可用于系統(tǒng)標定和導航 , 而且可作為手術(shù)的支撐平臺。該系統(tǒng)已應(yīng)用到臨床中 , 成功完成了大量的微創(chuàng) 腦外科手術(shù)。
[ 關(guān)鍵詞 ] 微創(chuàng)手術(shù) , 醫(yī)療機器人

引

言

成了商品化 , 如荷蘭 PHILIPS 光電引導的神經(jīng)外科導 航系統(tǒng) Easy Guide Neuro , 德國 ZEISS 公司腦神經(jīng)顯微 外科機器人系統(tǒng) MKM/ SMN , 日本 Immi 公司神經(jīng)外 科機器人系統(tǒng) NeuroMate , 瑞士 LEICA 公司用于神經(jīng) 外科手術(shù)機器人系統(tǒng) WILDM695 , 美 國 SOFAMOR
DANEK 公 司 光 電 引 導 的 圖 像 引 導 外 科 導 航 系 統(tǒng) StealthStation 和 BrainLAB 公司的光電引導的圖像引導

傳統(tǒng)的腦外科手術(shù)一般需要進行開顱 , 創(chuàng)傷大 , 不僅給病人造成了很大的痛苦 , 術(shù)后恢復慢 , 而且 醫(yī)療費用也很高 。立體定向腦外科手術(shù)是近年來取 得迅速發(fā)展的微創(chuàng)傷腦外科手術(shù)方法 , 手術(shù)時將一 個金屬框架固定在病人的顱骨上 , 醫(yī)生通過 CT 圖片 計算出病灶點在框架坐標系中的三維坐標位置 , 然 后在病人顱骨上鉆一個小孔 , 將探針頭或其他復雜 的外科手術(shù)器械通過探針導管插入病人腦中 , 最后 對病灶點進行活檢 、放療 、切除等手術(shù)操作 。立體 定向框架一方面保證了定位的穩(wěn)定性和準確性 , 但 另一方面也限制了手術(shù)的方便性和靈活性 , 縮小了 實施手術(shù)的空間 , 并給病人帶來了額外的創(chuàng)傷 。 以微創(chuàng)傷為主要目標的現(xiàn)代立體定向神經(jīng)外科 , 正朝著精細化 、程序化方向發(fā)展 。無框架腦立體定 向手術(shù)代表了這一發(fā)展趨勢 ,并已逐漸成為新的研究 和應(yīng)用熱點 。在無框架立體定向手術(shù)中 ,涉及的核心 問題是規(guī)劃 、配準 ( registration) 和導航 ( navigation) 。 國外已研究開發(fā)出神經(jīng)外科規(guī)劃導航系統(tǒng) , 有些已完

外科導航系統(tǒng)VectorVision , 瑞典 Elekta 公司機械數(shù)字 化臂的外科導航系統(tǒng) The Viewing , Wang 及 Elekta 公 司并聯(lián)機構(gòu)七自由度醫(yī)用機器人系統(tǒng) Surgiscope , 等等 。但這些系統(tǒng)造價昂貴 , 其中有些規(guī)劃與導 航系統(tǒng)依然基于框架定位的方法 ; 有些雖可為醫(yī) 生提供一個規(guī)劃的工具 , 但缺乏對手術(shù)進行支持 的工具 。 本文將機器人技術(shù)引入到腦外科微創(chuàng)手術(shù)中 , 利用機器人來輔助完成腦外科手術(shù)的規(guī)劃和導航 , 不僅實現(xiàn)了無框架腦外科微創(chuàng)手術(shù)導航和定位 , 而 且可在手術(shù)中作為手術(shù)的支撐平臺 , 協(xié)助醫(yī)生完成 手術(shù)操作 。

努力下 , 我國用于生物基因工程的機器人研究有了很 大的發(fā)展 , 已具備了該種機器人產(chǎn)品化的能力。目前 正處于國家的發(fā)展時期 , 具有良好的社會環(huán)境 , 面臨 經(jīng)濟上升的機遇 , 但也面對來自外界與自身的挑戰(zhàn)。 歷史經(jīng)驗告訴我們 , 機遇與挑戰(zhàn)永遠并存 , 所以 , 科 學技術(shù)是永恒的生產(chǎn)力。 從目前來看 , 技術(shù)的改進與新產(chǎn)品的應(yīng)用要投入 ? ? 18

大量的人力、物力。我們應(yīng)采取廣泛吸取國外先進技 術(shù)的做法 , 為我所用。這樣既可以節(jié)約大量資金 , 避 免不必要的浪費。還可以縮短研制周期 , 盡快趕上國 際同類機型的水平。北京機械工業(yè)自動化研究所與中 科院華大基因中心采取強強聯(lián)合 , 優(yōu)勢互補的策略 , 團結(jié)協(xié)作 , 決心為我國生物工程機器人事業(yè)的發(fā)展作 出貢獻。

2003 年第 4 期

腦外科手術(shù)機器人
1. 無框架立體定向手術(shù)的系統(tǒng)總

《機器人技術(shù)與應(yīng)用》
靠。人機交互規(guī)劃與導引分為兩部分 : 二維術(shù)前規(guī)劃 系統(tǒng)和機械臂導引與定位系統(tǒng) 。二維術(shù)前規(guī)劃系統(tǒng)輔 助醫(yī)生作出病情診斷 , 對病變點幾病灶進行定位 。機 械臂導引與定位系統(tǒng)在術(shù)前規(guī)劃的基礎(chǔ)上 , 在計算機 上對機械臂進行導引與定位。
2. 1 二維術(shù)前規(guī)

體結(jié)構(gòu)
我們研究的無框架立體定向手術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如 圖 1所示 。系統(tǒng)由計算機規(guī)劃和導引軟件 、五自由度 機械臂、基于標志點的標定模塊等三部分組成。

劃系統(tǒng) 由于二維術(shù)前規(guī)劃 系統(tǒng)處理的是病人的各 種掃描圖象 , 其主要功 能包括 : ● CT 、 MRI 圖 象的掃描輸入 , 自動分 割和提取、自動對準系 統(tǒng)提供了通用的掃描儀
圖 1 無框架立體定向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動 , 可以直接將膠片

手術(shù)時首先將標記點固定在病人頭上 , 然后進行
CT 掃描 。將 CT 掃描的結(jié)果送入計算機 , 進行三維重

掃描輸入 。系統(tǒng)通過輸入患者的 CT 、 MRI 圖象 , 自 動將大片分割為數(shù)張單獨的小片 , 從而可以使醫(yī)生對 其關(guān)注的部分詳細觀察 。我們在這里采用了基于統(tǒng)計 的二級閾值的圖象識別技術(shù) , 可以準確的將大部分小 片識別出來 , 同時進行匹配和對準。 ●病灶的自動/ 手工提取 , 靶點和標志點的輸入 系統(tǒng)提供了十分友好和方便的交互工具 , 醫(yī)生可 以方便的使用 , 對患者的病灶進行勾畫 , 確定患者的 手術(shù)路徑和靶點 。系統(tǒng)采用了獨有的掃描線邊界提取 算法 , 可以自動對圖象進行輪廓提取 , 大大減輕了醫(yī) 生的工作強度。 ●病灶的參數(shù)測量和病歷的自動輸出 系統(tǒng)可以根據(jù)醫(yī)生對病灶的勾畫 , 自動構(gòu)造出患 者病灶的三維模型 。計算出病灶的體積以及長短軸 , 從而為醫(yī)生的手術(shù)規(guī)劃提供全面的準確的信息 。同時 系統(tǒng)可以實現(xiàn)病歷輸入輸出以及存儲的電子化。
2. 2 三維機械臂導引與定位系統(tǒng)

建 , 在圖像空間進行四個標記點和手術(shù)靶點的坐標測 量 , 并進行手術(shù)規(guī)劃 , 規(guī)劃好的路徑顯示在重建的三 維模型上。手術(shù)時病人的頭部與手術(shù)床相對固定 , 用 機械臂在機器人操作空間對標記點進行測量 。利用標 記點在機器人操作空間和圖象空間的測量結(jié)果計算從 機器人操作空間到圖象空間的映射變換 。在機器人操 作空間中移動機械臂末端的手術(shù)探針 , 導引軟件將此 時探針的位姿實時地顯示在圖象空間中 , 當手術(shù)探針 圖象的軸向與規(guī)劃的軌跡重合時鎖定機械臂 。醫(yī)生以 固定在機械臂末端的工具作為手術(shù)器械的固定支架 , 進行各種手術(shù)操作

2. 人機交互規(guī)劃與導引
在機器人輔助腦外科手術(shù)系統(tǒng)中 , 醫(yī)生依然是整 個手術(shù)過程中的主體 , 因此 , 友好的人機交互系統(tǒng)是 成功實現(xiàn)無框架腦外科手術(shù)的重要基礎(chǔ) 。我們利用計 算機技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù) , 開發(fā)了相應(yīng)的手術(shù)規(guī)劃和 導引軟件。計算機輔助規(guī)劃和導引系統(tǒng)的主要任務(wù)是 手術(shù)前在圖形計算機上對手術(shù)進行規(guī)劃和仿真 , 從而 達到優(yōu)化手術(shù)參數(shù) 、提高臨床治療水平的目的 , 同時 在手術(shù)中通過重建的三維病人模型和醫(yī)療器械跟蹤 系統(tǒng)對手術(shù)過程進行可視化顯示 , 使手術(shù)更加安全可

三維系統(tǒng)建立在病人的三維模型與機械臂結(jié)合的 基礎(chǔ)上 , 在術(shù)前規(guī)劃的基礎(chǔ)上向醫(yī)生提供一個三維的 患者頭部模型 , 使醫(yī)生從計算機中觀察到病人的腦部 及機械臂的運動 。該系統(tǒng)拋棄了以往立體定向手術(shù)中 沉重的框架結(jié)構(gòu) , 采用了計算機指導下的標志點與機 械臂定位技術(shù) , 從而大大的降低了病人的痛苦和手術(shù) ? ? 19

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成本。醫(yī)生在計算機和機械臂的輔助下準確定位后 , 可以通過機械臂上的手術(shù)系統(tǒng)進行立體定向腦外科手 術(shù) , 如圖 2 所示。 ●標記點的校準

《機器人技術(shù)與應(yīng)用》
系統(tǒng)的一大特色是拋棄了原來輔助手術(shù)系統(tǒng)中笨 重的框架結(jié)構(gòu) , 采用了輕便的標記點的定位機制 。這 就需要計算機與機械臂的緊密結(jié)合 。系統(tǒng)提供了準 確的三坐標系轉(zhuǎn)換方法和工具 , 使定位精度得到了保 證。 系統(tǒng)在進行計算機模型 、實際患者 、機械臂的結(jié) 合時 , 使用了基于標記點的定位方法 , 在系統(tǒng)中建立 起計算機坐標 、患者坐標 、機械臂坐標的變換公式 , 從而使系統(tǒng)可以隨時監(jiān)控機械臂的運動 , 并將其位置 以及患者頭部正確位置反映在計算機上 , 醫(yī)生可以在 計算機上實時觀察機械臂的運動 , 預測其在患者腦部 的位置和動作。 ●機械臂導引與定位 由于系統(tǒng)可以準確地完成機械臂 、計算機模型 、 實際患者之間的影射 , 醫(yī)生可以在計算機上對機械臂 的動作和位置有精確的顯示 , 系統(tǒng)可以計算出當前機 械臂與預定位置 、姿態(tài)的誤差 , 同時系統(tǒng)提供了對三 維場景的多角度 , 多距離的觀察 , 從而可以準確的將 機械臂制導到事先計劃的位置和姿態(tài)上 , 完成鉆顱前 的精確定位。 系統(tǒng)同時可以計算出機械臂與預定靶點之間的距 離 , 從而為穿刺以及放射性同位素的注射提供有力的

圖 2 手術(shù)規(guī)劃和導引流程

幫助。

其主要功能包括 : ●床病灶三維模型的重構(gòu)及顯示 系統(tǒng)重構(gòu)出患者的病灶三維模型及頭部表面模 型 , 醫(yī)生可以在計算機中對患者腦部進行對任意角度 任意距離的觀察 , 使醫(yī)生對于患者病情有一個立體的 認識 , 同時也可以使系統(tǒng)對機械臂的制導和定位更加 直觀和準確。

3. 5 自由度醫(yī)療機器人設(shè)計
微創(chuàng)手術(shù)機器人與傳統(tǒng)工業(yè)機器人有明顯區(qū)別 , 在機器人機構(gòu)方面需要解決高絕對位置精度 、主動柔 順和與手術(shù)環(huán)境匹配的工作空間等重要問題 。我們先 后研制了 5 自由度被動式醫(yī)療機器人 (圖 3 和圖 4) 和主 動式醫(yī)療機器人 (圖 5) , 并完成了新型 5 自由度主動式 醫(yī)療機器人 (圖 6) 伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試。

圖 3 無鎖定被動式機器人

圖 4 帶鎖定被動式機器人

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圖 5 主動式醫(yī)療機器人

圖 6 新型主動式醫(yī)療機器人

4. 實驗測試及臨床應(yīng)用
在無框架立體定向手術(shù)系統(tǒng)用于臨床應(yīng)用前 , 我們進行了大量的實驗測試和實際手術(shù)模擬實驗工 作 , 其方法與有框架立體定向手術(shù)系統(tǒng)一致 。在臨床 應(yīng)用前我們進行了多次仿真實驗 , 實測的穿刺誤差小 于 2mm 。
1999 年 4 月 20 日在海軍總醫(yī)院 , 采用無框架立體

穿刺針到達靶點后 , 抽吸出囊液 , 最后注入放射性同 位素 , 輔助手術(shù)完成 。然后 , 醫(yī)生對患者眼睛 、手腳 的運動情況進行術(shù)后常規(guī)檢查 , 結(jié)果一切正常 。最 后 , 對患者進行簡單的包扎后 , 患者自己走出了手術(shù) 室 。手術(shù)整個過程順利 , 患者無不良反應(yīng) 。從掃描定 位至手術(shù)結(jié)束拔出穿刺針歷時 60 分鐘 。術(shù)后觀察 1 周 , 患者恢復良好 , 無手術(shù)并發(fā)癥 , 右上肢功能基本 恢復。 在進行了首例臨床手術(shù)后 , 我們又陸續(xù)采用機器 人輔助立體定向外科手術(shù)集成系統(tǒng) , 成功進行了 400 多例臨床手術(shù)。

定向外科機器人輔助操作系統(tǒng) , 進行了首例無框架腦 部腫瘤外科手術(shù)。 患者 , 男 , 63 歲。 術(shù)前診斷 : 腦深部 囊腫。 手術(shù)時首先將標記點固定在病人頭上 , 然后進行
CT 掃描 。將 CT 掃描的結(jié)果送入計算機 , 進行三維重

建 , 在圖象空間進行三個標記點和手術(shù)靶點的坐標測 量 , 并進行手術(shù)規(guī)劃 , 規(guī)劃好的路徑顯示在重建的三 維模型上。手術(shù)時病人的頭部與手術(shù)床相對固定 , 用 機械臂在手術(shù)空間對標記點進行測量 , 如圖 7 所示 。 利用標記點在手術(shù)空間和圖象空間的測量結(jié)果計算從 手術(shù)空間到圖象空間的映射變換 , 在手術(shù)空間中移動 機械臂末端的手術(shù)探針 , 導引軟件將此時探針的位姿 實時地顯示在圖象空間中 , 當手術(shù)探針圖象的軸向與 規(guī)劃的軌跡重合時鎖定機械臂 。醫(yī)生以固定在機械臂 末端的工具作為手術(shù)器械的固定支架 , 進行鉆孔和插 入探針 , 其后準確地將探針送達靶點 , 如圖 8 所示 。

5. 結(jié)束語
臨床實踐表明 , 我們研究實現(xiàn)的機器人輔助立體 定向外科集成系統(tǒng) , 可以提高定位的精確度和實現(xiàn)操 作的可視化 , 簡化手術(shù)操作過程 , 方便術(shù)者操作并減 少手術(shù)創(chuàng)傷 , 縮短了病人的康復時間 , 加強了手術(shù)的 安全性和靈活性 , 并可避免放射性藥物對醫(yī)務(wù)人員的 傷害 , 為實施腦深部腫瘤外科手術(shù)提供了新的途徑 。 另外 , 該項目研究的有關(guān)成熟技術(shù)可以應(yīng)用于微創(chuàng)傷 顯微外科 、內(nèi)窺鏡腹腔外科 、脊椎外科 、矯形外科等 其它醫(yī)療手術(shù)中。
參考文獻共 6 篇 (略)

圖 7 無框架定位

圖 8 手術(shù)穿刺

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