MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢機(jī)器人研究進(jìn)展

李茂林，連婧閣，李康安

(1.上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院研究生院，上海 200025；2.上海市第一人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，上海 201600)

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，發(fā)病率逐年增加[1]，嚴(yán)重危害女性健康[2]。早發(fā)現(xiàn)、早治療對(duì)乳腺癌患者具有重要意義。目前我國上海地區(qū)TNM Ⅰ期乳腺癌患者治療后5年生存率可達(dá)95%以上，而Ⅲ～Ⅴ期患者5年生存率為70%以下[3]。

影像學(xué)引導(dǎo)下微創(chuàng)穿刺活檢是實(shí)現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早治療乳腺癌的重要途徑之一。乳腺癌的影像學(xué)檢查方法主要包括乳腺X線、B超及MRI等。MRI具有極高的軟組織分辨率，且可通過不同掃描序列和增強(qiáng)掃描等方式提供更多信息，顯示腫塊內(nèi)血管及灌注等情況，是目前最為有效的乳腺影像學(xué)檢查手段[4-6]。盡管MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢的特異性、準(zhǔn)確率和成功率均較高[7-9]，但受患者呼吸運(yùn)動(dòng)、體位變化及穿刺引起的組織變形等因素的影響，難以保證穿刺的精度；且自定位掃描到進(jìn)針穿刺所用時(shí)間較長，也導(dǎo)致其準(zhǔn)確率降低。利用手術(shù)機(jī)器人裝置進(jìn)行操作是提高穿刺效率和精度的理想途徑。相比人工操作，利用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行操作具有多方面優(yōu)勢(shì)，其靈活性好、精度高，工作穩(wěn)定，且可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)并調(diào)整其結(jié)構(gòu)，使之更加適應(yīng)手術(shù)操作空間。目前已有大量機(jī)器人系統(tǒng)廣泛用于外科手術(shù)、康復(fù)治療及穿刺活檢等領(lǐng)域，并取得顯著進(jìn)展。MR工作環(huán)境特殊，對(duì)MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求更為嚴(yán)苛。本文針對(duì)MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢機(jī)器人研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 MR環(huán)境特點(diǎn)及限制

MR引導(dǎo)穿刺活檢機(jī)器人雖具有較高準(zhǔn)確率，但受工作環(huán)境制約嚴(yán)重。一方面，MR檢查環(huán)境常較狹窄，臨床使用多數(shù)MR掃描設(shè)備為封閉式，寬度多為1～2 m，空間狹小，難以安裝和運(yùn)行普通穿刺活檢設(shè)備；另一方面，MR環(huán)境中存在大多為1.5～3.0T范圍內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)，部分金屬材料會(huì)受其影響，強(qiáng)大磁場(chǎng)可致其溫度升高和位移，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重干擾；且金屬材料也會(huì)在MRI中產(chǎn)生明顯偽影而導(dǎo)致圖像失真。上述各點(diǎn)對(duì)MR引導(dǎo)穿刺活檢機(jī)器人的本體、驅(qū)動(dòng)設(shè)備及控制設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選取等均構(gòu)成了嚴(yán)苛限制。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對(duì)上述問題，研究者們采取各種途徑來減少M(fèi)R環(huán)境對(duì)穿刺活檢機(jī)器人的影響。KAISER等[10]開發(fā)了名為“ROBITOM”的MR兼容乳腺穿刺活檢手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)(圖1)，穿刺過程中患者俯臥于檢查床上，機(jī)器人通過一條向前探出的機(jī)械臂對(duì)腫瘤部位進(jìn)行穿刺活檢操作，體外測(cè)試結(jié)果顯示其準(zhǔn)確率較高。PFLEIDERER等[11]將該系統(tǒng)用于臨床，7例乳腺癌中，5例穿刺活檢結(jié)果與手術(shù)病理診斷結(jié)果完全一致，誤診1例侵襲性腫瘤，漏診1例導(dǎo)管癌。

圖1 KAISER等[10]設(shè)計(jì)的MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢機(jī)器人示意圖 1.患者支撐板； 2.可向前伸出的機(jī)械臂； 3.活檢槍； 4.穿刺針； 5.乳腺； 6.病灶(靶點(diǎn))

LARSON等[12]設(shè)計(jì)了一款具有5個(gè)自由度的MR兼容乳腺介入機(jī)器人(圖2)，該裝置由超聲波電機(jī)提供動(dòng)力，將其整體置于患者胸部下方。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用途為檢測(cè)單側(cè)乳腺，占用空間相對(duì)較小，操作者可以之從不同方向、不同角度對(duì)乳腺進(jìn)行穿刺；如欲檢測(cè)雙側(cè)乳腺，則待完成一側(cè)穿刺后重新固定，再行穿刺另一側(cè)。由于力的傳輸距離較遠(yuǎn)，該裝置存在一定系統(tǒng)誤差。

圖2 LARSON等[12]設(shè)計(jì)的MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢機(jī)器人示意圖 1.患者支撐板； 2.遠(yuǎn)程控制裝置； 3.超聲波電機(jī)； 4.伸縮軸； 5.角度調(diào)節(jié)裝置； 6.穿刺針及其夾具； 7.乳腺

YANG等[13-14]設(shè)計(jì)了具有6個(gè)自由度的主從式乳腺穿刺活檢機(jī)器人，利用主機(jī)器人來操縱從機(jī)器人，由壓電式電機(jī)和氣缸聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，以減輕設(shè)備所受磁場(chǎng)的影響，醫(yī)師可通過MR進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，并調(diào)整穿刺針的位置和方向，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示穿刺準(zhǔn)確性較好。

CHAN等[15]開發(fā)的名為IGAR的穿刺活檢系統(tǒng)由3個(gè)部分組成，即機(jī)械臂、穿刺工具集及患者固定裝置，其中穿刺工具集采用ATEC公司提供的穿刺系統(tǒng)及真空輔助穿刺活檢針，從患者正前方而非側(cè)面穿刺，更適用于狹窄的MR環(huán)境；測(cè)試結(jié)果顯示該系統(tǒng)未在MR環(huán)境中發(fā)熱及產(chǎn)生偽影，系統(tǒng)精度為0.2～0.3 mm。

PARK等[16]設(shè)計(jì)了使用可彎曲穿刺針進(jìn)行穿刺的設(shè)備，其主要特點(diǎn)為穿刺針可以彎曲，因而系統(tǒng)也可從側(cè)面進(jìn)行穿刺。利用該系統(tǒng)，醫(yī)師僅需在MRI上標(biāo)出病灶位置，機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算穿刺路徑，經(jīng)醫(yī)師確認(rèn)后即可自動(dòng)進(jìn)行穿刺。該設(shè)備可以整合多種不同MR設(shè)備、搭配不同操作裝置，將之作為MR引導(dǎo)下腫瘤穿刺活檢或消融治療機(jī)器人的組成部分。

NAVARRO-ALARCON等[17]開發(fā)了一款不含金屬材料、適用于MR環(huán)境的乳腺穿刺機(jī)器人。大多數(shù)乳腺病變位于乳腺外上象限，從外側(cè)進(jìn)針進(jìn)行穿刺活檢成功率更高。此款結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間較小的機(jī)器人既可從乳腺側(cè)面、也可從乳腺正前方進(jìn)行穿刺，可在MR掃描室內(nèi)、甚至于掃描同時(shí)進(jìn)行穿刺，極大提高了工作效率。

VINCENT等[18]設(shè)計(jì)了一款名為Stormram的具有4個(gè)自由度的乳腺穿刺機(jī)器人，使用串聯(lián)式運(yùn)動(dòng)鏈，占用空間較小，可從患者乳腺側(cè)面進(jìn)行穿刺；測(cè)試結(jié)果顯示，在MR環(huán)境下裝配巴德14G(100 mm)穿刺針對(duì)乳腺模型進(jìn)行穿刺時(shí)，其定位誤差為(1.29±0.59)mm。

國內(nèi)相關(guān)研究亦已取得進(jìn)展。孟紀(jì)超等[19]開發(fā)了一種MR環(huán)境下具有6個(gè)自由度的穿刺定位機(jī)器人系統(tǒng)，由磁場(chǎng)兼容材料制成，可滿足穿刺機(jī)器人與MR環(huán)境中的結(jié)構(gòu)與材料兼容性，并實(shí)現(xiàn)MR環(huán)境下穿刺活檢機(jī)器人輔助定位，但其機(jī)器人懸臂需要支撐其穿刺裝置，導(dǎo)致末端負(fù)載較大。

婁金龍[20]設(shè)計(jì)了一種絲傳動(dòng)機(jī)器人，可用于MR導(dǎo)航下乳腺癌穿刺活檢或近距離植入內(nèi)照射粒子。絲傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)，基于絲傳動(dòng)的設(shè)計(jì)能夠在很大程度上減小機(jī)器人尺寸，因而在一定程度上免受MR環(huán)境的限制；其有效性已為水凝膠乳腺模型穿刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。袁小航等[21]設(shè)計(jì)的新的絲傳動(dòng)繞絲方式解決了絲傳動(dòng)過程中的脫絲及繞絲錯(cuò)亂等問題。

阮彥飛[22]兼顧材料、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的兼容性要求，采用非金屬材料如尼龍、聚甲醛等制作機(jī)器人本體，以順磁性材料如非磁性不銹鋼制作活檢針等，研發(fā)出一款由定位裝置、位姿調(diào)整模塊和穿刺模塊組成的具有4個(gè)自由度的乳腺穿刺活檢機(jī)器人，可滿足MR環(huán)境下的乳腺介入穿刺手術(shù)需求。

3 小結(jié)與展望

目前MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢機(jī)器人研究已取得顯著進(jìn)展。通過采用精密設(shè)備、縮小機(jī)器人體積以解決MR環(huán)境限制問題，應(yīng)用磁場(chǎng)環(huán)境兼容材料應(yīng)對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾，并以各種不同設(shè)計(jì)將大部分主要控制部件安置于相對(duì)較遠(yuǎn)位置等，現(xiàn)已將MR環(huán)境對(duì)穿刺活檢機(jī)器人的影響控制在可接受范圍內(nèi)，并在體外測(cè)試中獲得了較高準(zhǔn)確率。然而MR引導(dǎo)下乳腺活檢機(jī)器人仍然面臨一系列挑戰(zhàn)。目前絕大多數(shù)研究關(guān)注重點(diǎn)在于機(jī)器人模型設(shè)計(jì)、穿刺建模和控制系統(tǒng)研發(fā)，而對(duì)于機(jī)器人在實(shí)際臨床工作中的應(yīng)用，包括體內(nèi)及體外觀察相對(duì)較少涉及。受限于醫(yī)學(xué)倫理及技術(shù)水平等因素，目前僅有極少數(shù)臨床試驗(yàn)研究，未有任何研究通過臨床認(rèn)證并實(shí)際用于臨床實(shí)踐。

另一方面，隨著技術(shù)的進(jìn)步，MR引導(dǎo)下乳腺穿刺活檢機(jī)器人相關(guān)研究日漸深入，設(shè)計(jì)越來越先進(jìn)，誤差逐漸縮小，與MR環(huán)境的兼容性也在逐漸改善。相信不久的將來，MR引導(dǎo)穿刺活檢機(jī)器人系統(tǒng)乳腺穿刺活檢系統(tǒng)將能承擔(dān)越來越多的工作，為臨床早期診治乳腺癌提供更大幫助。