醫(yī)用機(jī)器人及其精準(zhǔn)定位和術(shù)中導(dǎo)航及影像輔助技術(shù)研究進(jìn)展

安 超 綜述 梁 萍 審校

精準(zhǔn)醫(yī)療是微創(chuàng)外科治療的基石，是21世紀(jì)醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要方向。高度精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)必須克服手抖和用力不均,同時(shí)要對病灶精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航。醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)[1]可以很好地解決上述問題。筆者主要針對機(jī)器人系統(tǒng)輔助精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航最新進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 醫(yī)用機(jī)器人研究進(jìn)展

1.1 機(jī)器人系統(tǒng) 用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療的機(jī)器人。是一種智能型服務(wù)機(jī)器人，它能獨(dú)自編制操作計(jì)劃，依據(jù)實(shí)際情況確定動(dòng)作程序，然后把動(dòng)作變?yōu)椴僮鳈C(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。目前市場常用的機(jī)器人主要分為兩類：一是由外科醫(yī)師進(jìn)行操控，機(jī)器人則遵循醫(yī)師的輸入指令，通過機(jī)械臂代替或部分代替醫(yī)師操作手術(shù)工具，完成各種手術(shù)動(dòng)作，輔助進(jìn)行外科治療，例如，達(dá)芬奇系統(tǒng)[2]；二是通過影像系統(tǒng)(超聲、C形臂X線機(jī)、CT或者M(jìn)RI)引導(dǎo)，在術(shù)前計(jì)算機(jī)對目標(biāo)病灶進(jìn)行規(guī)劃，按照規(guī)劃將機(jī)器臂固定于相應(yīng)位置，輔助醫(yī)師進(jìn)行介入治療。例如，以色列Mazor Robotics 公司制造的西塞爾機(jī)器人(Renaissance)[3]，這種機(jī)器人創(chuàng)新之處在于通過術(shù)中C形臂X線機(jī)獲得的二維圖像與術(shù)前三維圖形實(shí)時(shí)配準(zhǔn)進(jìn)行定位，極大提高精準(zhǔn)度。

1.2 影像導(dǎo)航系統(tǒng) 機(jī)器人輔助介入手術(shù)需要依靠影像導(dǎo)航進(jìn)行。目前，影像導(dǎo)航主要有兩種方式：(1) 磁定位導(dǎo)航：在磁場發(fā)生器下進(jìn)行操作，將追蹤器械上安裝磁感線圈，可以實(shí)時(shí)追蹤器械所在位置，其缺點(diǎn)在于磁場范圍較小，機(jī)器臂運(yùn)動(dòng)范圍較大，追蹤受限，并且有磁干擾物質(zhì)存在會(huì)大大影響準(zhǔn)確性；(2)光學(xué)導(dǎo)航：在患者皮膚表面黏貼體表標(biāo)記貼，固定于被追蹤手術(shù)器械之上的攝像頭記錄標(biāo)記貼位置信息，通過光學(xué)追蹤系統(tǒng)為媒介，實(shí)現(xiàn)手術(shù)器械與體表標(biāo)記貼之間的空間配準(zhǔn)[4]。缺點(diǎn)是僅能追蹤體表，體內(nèi)因光線受阻不能追蹤[5]。

1.3 主要研究進(jìn)展 1985年，研究人員借助工業(yè)機(jī)器人PUMA560完成輔助神經(jīng)外科穿刺活檢[6]這是首次將醫(yī)用機(jī)器人用于外科手術(shù)中，標(biāo)志著醫(yī)用機(jī)器人臨床應(yīng)用的開端。1994年，Computer Motion公司研究第一種用于微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)用機(jī)器人：內(nèi)鏡自動(dòng)定位系統(tǒng)—伊索，目前被FDA 批準(zhǔn)應(yīng)用于外科手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)主要有伊索系統(tǒng)、宙斯系統(tǒng)、達(dá)芬奇系統(tǒng)，后兩者是遠(yuǎn)程操作外科機(jī)器人[7]。2014年，CT引導(dǎo)下介入機(jī)器人MAXIO已經(jīng)應(yīng)用于臨床，德國勒根斯堡醫(yī)學(xué)研究中心的醫(yī)師用這種機(jī)器人輔助微波消融治療46例肝癌患者，消融成功率100%[8]。在國內(nèi)2000年由海軍總醫(yī)院成功研制出第一臺(tái)用于腦外科手術(shù)的被動(dòng)機(jī)器人[9]，并對患者進(jìn)行了手術(shù)。在隨后的研究中又陸續(xù)開發(fā)了主動(dòng)式腦外科機(jī)械臂，這是我國最早的機(jī)器人應(yīng)用于臨床。2006年天津大學(xué)成功研制主從異構(gòu)顯微外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)“妙手(MicroHand)”系統(tǒng)[10]，對提高外科手術(shù)精準(zhǔn)度起到很大作用。

2 精準(zhǔn)定位及導(dǎo)航研究進(jìn)展

如果把高度精準(zhǔn)定義為1 mm以內(nèi)，通過人眼觀察，人工操作是很難達(dá)到的，而醫(yī)用機(jī)器人可以幫助我們實(shí)現(xiàn)這一愿望。目前，美國FDA配準(zhǔn)的手術(shù)機(jī)器人誤差在4 mm以內(nèi)[11]，但這仍難以達(dá)到手術(shù)實(shí)際要求，因?yàn)槭中g(shù)要求的安全精度在2 mm以下。為了提高醫(yī)用機(jī)器人的精準(zhǔn)性，各國研究人員借助不同導(dǎo)航手段，不斷提高定位精準(zhǔn)度以及減小導(dǎo)航誤差，加拿大NDI公司生產(chǎn)的影像導(dǎo)航裝置已經(jīng)將精度精確度減小至1 mm以下，光學(xué)定位系統(tǒng)Polaris (Northern Digital, Ontario, Canada)，利用雙目攝像頭追蹤目標(biāo)，精準(zhǔn)度可達(dá)0.12 mm，磁定位系統(tǒng)Aurora (Northern Digital, Ontario, Canada)，利用磁場發(fā)生器，追蹤帶有磁場定位裝置的器械和手術(shù)目標(biāo)，精準(zhǔn)度可達(dá)0.23 mm，這些導(dǎo)航技術(shù)有助于機(jī)器人輔助手術(shù)順利開展。

2.1 國外研究 國外對機(jī)器人輔助定位及導(dǎo)航精準(zhǔn)度研究較多，美國Pollock等[12]利用人造模型研究得出計(jì)算機(jī)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，平均誤差是(5.8±1.2)mm(1.8～11.9 mm)；Oliveira等[13]對經(jīng)皮穿刺進(jìn)行研究，骨組織平均誤差是4.23 mm，軟組織平均誤差是3.07 mm；導(dǎo)航系統(tǒng)誤差較大，原因主要來自圖像配準(zhǔn)、定位技術(shù)、匹配算法、影像漂移這些影響因素，其中最主要的影響因素是影像漂移，發(fā)生率高達(dá)66%，為了克服影像漂移引起的誤差，目前市場上出現(xiàn)了嵌入式機(jī)器人系統(tǒng)，將機(jī)器人嵌入CT設(shè)備，如Acubot機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)[14],該系統(tǒng)正在申請PDA認(rèn)證。這套系統(tǒng)雖然大大提高導(dǎo)航精準(zhǔn)度，但是輻射影響較大。以色列Mazor Robotics 公司制造的西塞爾機(jī)器人(Renaissance)適用領(lǐng)域?yàn)槟X組織活檢，并擴(kuò)展應(yīng)用于頸椎手術(shù)[15],置釘精度達(dá)到98.3%，軸向偏差為 (1.2±1.49) mm，矢狀面偏差為 (1.1±1.15) mm，整體精度控制在3 mm以內(nèi)。美國Koethe等[16]研究發(fā)現(xiàn)，CT引導(dǎo)下機(jī)器人輔助腹部穿刺，通過模型進(jìn)行驗(yàn)證穿刺點(diǎn)距離目標(biāo)點(diǎn)距離為 (6.5±2.5) mmvs(15.8±9.2) mm(徒手穿刺)，結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。Barzilay等[17]為19例患者行腰椎融合術(shù)，其中9例出現(xiàn)臨床誤差，這與圖像配準(zhǔn)和機(jī)器臂松動(dòng)有很大關(guān)系。

3 影像輔助技術(shù)進(jìn)展

3.1 多模圖像融合技術(shù) 不同成像技術(shù)對人體組織和臟器的顯示方式不同，所提供的信息也是互有差異、互相補(bǔ)充的。所謂圖像融合，是指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將多種醫(yī)學(xué)儀器檢查所得的影像進(jìn)行數(shù)字化處理，在同一幅圖上展現(xiàn)多種成像信息，取長補(bǔ)短，協(xié)同應(yīng)用。1988 年Noz等[22]首次將信息科學(xué)中的多模態(tài)概念應(yīng)用于影像醫(yī)學(xué)，提出了多模態(tài)影像的概念，并預(yù)言多模態(tài)影像未來在臨床應(yīng)用中的重要作用。此后Wood等[23]通過定位跟蹤設(shè)備將術(shù)前掃描得到的CT 圖像與術(shù)中得到超聲影像配準(zhǔn)融合顯示，并在臨床肝腫瘤的消融手術(shù)中驗(yàn)證了該方法的有效性。

3.2 影像分割技術(shù) 通過影像分割，提供給醫(yī)師更加豐富、全面的圖像信息，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形學(xué)加以分析，為醫(yī)師提供器官的空間位置、體積及角度等信息，及時(shí)將病灶結(jié)構(gòu)及血管系統(tǒng)清晰地呈現(xiàn)給醫(yī)師，輔助醫(yī)師進(jìn)行術(shù)前手術(shù)規(guī)劃及術(shù)中治療。Pal等[24]最早提出將目標(biāo)臟器和腫瘤通過影像手段分割出來便于醫(yī)師觀察的方法。北京理工大學(xué)提出兩種分割方法，一種是自適應(yīng)網(wǎng)格擴(kuò)張模型(adaptive mesh expansion model, AMEM)的器官分割方法，另一種是先驗(yàn)稀疏統(tǒng)計(jì)形狀模型的器官分割。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 在手術(shù)過程中，手術(shù)器械因受控移動(dòng)而與器官模型的相對位置時(shí)刻發(fā)生改變。因而為了提高形變仿真的真實(shí)性，應(yīng)在器械虛擬移動(dòng)中隨時(shí)檢驗(yàn)器械與肝臟模型的碰撞情況，以作為后續(xù)交互反饋的依據(jù)。

綜上所述，醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用臨床各個(gè)學(xué)科，如神經(jīng)外科、泌尿外科、普外科等[25-27]，提高醫(yī)師手術(shù)質(zhì)量，增加手術(shù)安全性、可行性。但仍存在一些問題亟待解決：(1)醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)較多應(yīng)用于骨科、神經(jīng)外科，目標(biāo)點(diǎn)均是剛性物質(zhì)，不涉及呼吸運(yùn)動(dòng)及臟器形變帶來的影響,在肝臟等柔性臟器中穿刺精準(zhǔn)度誤差較剛性物質(zhì)增大[28]；(2)影像導(dǎo)航系統(tǒng)較為單一[29]，多模態(tài)融合技術(shù)開展受限；(3)CT引導(dǎo)下醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)是理想的穿刺手段，可以控制輻射對醫(yī)師的損害，但缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測[30]，安全性有待提高。

醫(yī)用機(jī)器人綜合術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航，在各種新技術(shù)支持下可以大大提高微創(chuàng)手術(shù)精確性，成為一種輔助醫(yī)師診治、非常具有前景的臨床應(yīng)用新技術(shù)。

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