神经外科开颅手术机器人研究进展(2)
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[20]。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形臂牢牢固定,这些都使得操作空间能更好地适应人的头颅。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。最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以确保操作的安全,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
这款机器人由美国约翰霍普金斯大学2008年研发,其混合了NeuroMate robot(Sacranmento,CA)六维力觉感知机械臂、StealthStation导航系统(Louisville,Colorado)、运行3D Slicer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(Application controller),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良好的机械稳定性、精确度和对于开颅手术舒适的操作空间。其工作流程: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。注册后使用3D Slicer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。3D Slicer提供的3D模型与StealthStation提供的可视化模型相比,能够更好地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1 mm),进而与机器人的参考系进行注册匹配(允许误差小于0.5 mm)。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(Application controller)能够实时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,并向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0.6 mm;3例尸头实验在开颅磨除内听道时的骨瓣边界超出了术前计划边界1 ~ 2 mm,最大超出了3 mm。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,且缺乏证明其有效性的临床测试文献。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,特别是乳突切除术机器人的前景是光明的,但仍需克服一些障碍。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[21-22]。然而在神经外科领域及机器人辅助开颅手术仍需更多的动物实验、临床试验,且开颅手术机器人的研究热度主要在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,另一方面原因是机器人辅助开颅手术效果仍有待提高[23-24]。
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5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[25]。
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。实验验证其自动规划路径与风险区域之间的平均距离误差为0. mm[26]。
文章来源:《中国微侵袭神经外科杂志》 网址: http://www.zgwqxsjwkzz.cn/qikandaodu/2020/1118/372.html
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