科普：当机器人在神经外科时

part.1

序言

随着科技和人工智能技术的迅猛发展，现代神经外科手术也正在向着微创、精准、高效的方向不断突破，神经外科机器人作为核心装备，将会发挥越来越重要的作用。

神经外科手术一直存在手术空间小、定位困难等痛点，同时由于手术一般需要对特定神经组织部分进行操作，因此操作需要十分精确，而外科医生要达到所需要的精度具有一定的难度。因此，利用机器人在医疗影像指导的基础下做精准动作的手术成为大多数医生追求的手术方式，下面就来为大家详细介绍一下。

part.2

神经外科机器人辅助手术的优点

机器人辅助神经外科手术有如下优点：①机器人具有灵巧的结构和装置，可实现精确的定位和保持稳定的手术姿态，从而能进行精确的手术；②先进的机器人控制技术和友好的人机接口技术，可以提高手术的精度和灵巧性（如应用机器人操作可消除人手的震颤，提高医生的技能），手术更加微创；③机器人可以连续工作，术中不会疲劳，工作稳定、可靠；④可进行远程手术；⑤可提供一个适合人体力学的操作环境，使术者的疲劳程度降低到最小，从而提高了手术的安全度。

part.3

神经外科机器人系统

20世纪80年代中期，PUMA（Programmable Universal Machine forAssembly industrial robot)机器人最先用于神经外科。外科医生根据颅内病变的术前影像，将病变的坐标输入机器人，应用机器人引导穿刺针进行活检等。最早是与立体定向手术框架结合。

如美国Cartesian 机器人系统（mpass International,Rochester,MN) .NeuroMate (Integrated SurgicalSystems,Sacramento,CA)是最早被美国FDA批准用于临床的神经外科手术机器人，可进行立体定向手术。

影像进行手术规划，后与被动的机械臂一起完成手术。它能锁定关节，把穿刺针、电极等器械准确送到预定靶点，引导手术医生完成活检、取异物、囊肿抽吸等操作。NeuroMate应用术前影像资料来定位，如果发生脑组织移位，则系统误差明显增加。目前新的版本在临床应用。它是被动把手术器械送到手术部位的，为半自动机器人。Minerva(UniversityofLausanne,Lausanne,Switzerland)是最早能提供实时影像引导的系统，可进行无框架立体定向手术。它安装在CT机下，利用术中扫描克服脑组织移位问题。虽然提高了精确性，但由于病人需在CT机下手术，利用率不高，因而Minerva的研究两年后就停止了。

早期的神经外科手术机器人系统都是用于立体定向手术，或手术定位。九十年代中期，由美国NASA开发的机器人－RAMS(Robot-Assisted Microsurgery System)是最早兼容核磁图像的机器人。系统基于6个自由度的主动－被动（master-slave)控制，可进行3-D操作，因而不仅限于立体定向手术。RAMS进行了震颤过滤和梯度运行，手术精确性、灵巧性明显提高。Le Roux等，应用RAMS行大鼠颈动脉吻合手术，手术很成功，但是手术时间较人工手术长。

Joskowicz L等，介绍了一种能够在锁孔手术中精确自动定位的影像引导系统。系统为MARS微型机器人，适合穿刺针，探针和导管的机械引导。术中机器人直接固定到头皮夹或颅骨上。它能根据术前CT/MRI的解剖注册和术中3D病人面部扫描注册，达到预先确定的靶点自动定位。应用本系统进行了注册试验。靶点注册误差1. 7mm(SD=0. 7mm) 。

part.4

远程操作的神经外科机器人系统

近10几年来，由于多媒体和信息网络技术的迅速发展，建立在有效的计算机图形学基础上的高速网络和虚拟现实系统为远程人机通信提供了技术保障，使得远距离手术这一人们美好的幻想，逐步走向现实。手术由外科医生在地通过遥控操作系统控制手术现场的机器人完成。远程操作外科手术机器人系统涉及广泛的高新技术领域，如在远程医疗中，需要传送有数据、文字、视频、音频和图像等大量的医学信息，实时性、可靠性要求高，对通信网络有很高的要求，特别是为了在远距离控制机器人系统，需要对遥控操作环境中的通信延迟进行分析和补偿，以克服通信的延时性。国外目前还在研究的可远程操作的神经外科机器人系统有如下几种。 NeuRobot (Shinshu University School ofMedicine,Matsumoto,Japan)-日本开发的远程显微神经外科手术机器人。NeuRobot是一个可以远程操作的神经外科手术显微操作系统。NeuRobot主要包括四个部分：显微操纵器（被动slave操纵器）、操纵器支持装置、手术操作装置（主动master操纵器）和三维显示器。显微操纵器上安装有三个末端为1-mm的镊子和一个三维内镜。每一个器械都有三个自由度（旋转，曲伸，前／后运动），并能远程控制。术者不用直接接触患者即可进行精确手术操作。应用这套系统，在尸头上成功进行模拟手术打开外侧裂及第三脑室切开术。并成功应用这个系统为一54岁的男性复发的非典型脑膜瘤进行了手术，应用NeuRobot切除肿瘤，没有与机器人相关的并发症发生，患者术后恢复顺利。在完成了NeuRobot手术的基本实验后，远程（四十公里外）对大鼠进行了精确的模拟手术。

近年来，虽然研制了多种神经外科手术机器人，但远程控制的，能进行多种手术操作的机器人系统应用到临床并不多见。应用机器人进行显微神经外科手术操作应用到临床，本例是第一例报道。

机器人远程协作系统

（Socrates;ComputerMotion,Inc.,SantaBarbara,CA)机器人是最早被美国FDA批准的远程协作系统。

应用Socrates系统，能从遥远的手术室控制机械臂的动作，处理双通道视频、语音交流和传送神经导航数据。四个整合服务数字网络，传输速度512Kb/s.基础研究在一所大学学院和一个400公里外的社区中心之间提供长途通讯。指导者可以根据实时神经导航数据直接控制内镜，可与手术现场进行声音和视频交流。可以直接控制机械管（AESOP)进行手术。该系统对六例手术进行了远程指导，其中开颅脑肿瘤切除术三例，动静脉畸形切除术一例，颈动脉内膜切除一例，腰椎间盘摘除一例。六例患者术后恢复顺利，无手术并发症的发生。被指导的神经外科医师认为，远程指导在所有病例中都有益处，特别是在切除颞叶内侧胶质瘤和枕叶动静脉畸形时，指导很关键。实践结果表明，机器人远程指导可行、可靠、安全。远程指导在提高手术护理，神经外科手术操作训练很有潜力，能把高水平的神经外科服务送到全世界。

加拿大投资三千万美金研发的NeuroArm (University of Calgary, Calgary,Alberta,Canada)工程，包括了神经外科医生在颅内需要做的所有操作。它基于生物模拟设计，控制若手部动作可被机械臂（持有手术器械）模拟。NeuroArm包括两个机械臂，每一个都有7个自由度，另外第三个臂有两个摄像头，可以提供立体影像。NeuroArm可以进行显微外科操作，包括活检、显微切开，剪开，钝性分离，钳夹，电凝，烧灼，牵引，清洁器械，吸引，缝合等。还可向术者提供触觉压力反馈。NeuroArm工作站也很独特，工作站尽可能的复制手术场面，提供听觉，视觉和触觉方面的感受。机器人传感器和核磁在显示屏上显示三维脑组织图像。安全方面，NeuroArm滤除手部颤动，有安全开关防止意外动作发生。NeuroArm可在术前计划出手术边界，材料都能兼容核磁，能进行术中核磁扫描，机械臂由钛合金和聚合塑料制造，核磁图像扭曲很小。NeuroArm可进行立体定向手术，通过线性驱动装置，精确到达靶点。NeuroArm图像引导系统可虚拟现实，在术前模拟手术过程。目前这套机器人正在进行测试，计划在两年内用于临床。

part.5

小总结

神经外科手术机器人近年来得到飞速的发展，但还有很多技术需要提高，如人机界面需要提高；灵巧性需要提高，当机械臂的动作比人手要慢；触觉和压力反馈需要进一步提高；温度传感器，器械尖部传感器要做的更小；3-D导航空间感仍不够理想。此外，机器人必须更好的适应脑组织的变形性，当前的成像技术，目前仍不能做到100%的实时成像。NASA研制的有多种显微感受器的探针较好的解决这个问题。它利用最佳波谱，微电极记录，显微血流动力学，显微内镜等实时收集组织的大量数据，来确定组织的特性。可以预计不远的将来，更为先进、精确、稳定的神经外科机器人将广泛应用于临床。