作者：崔萌，馬曉東，張猛，朱巍，301醫(yī)院神經(jīng)外科
開顱手術(shù)機器人屬于神經(jīng)外科機器人的范疇，而傳統(tǒng)的神經(jīng)外科機器人多用于立體定向手術(shù)。立體定向機器人輔助神經(jīng)外科穿刺活檢平均目標準確度已可達0.9~4.5mm，診斷活檢率可達75%~100%。近年來機器人技術(shù)飛速發(fā)展，包括開放性模塊化的控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、機器人故障診斷與安全維護技術(shù)。通過實時網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制已可以模擬深部腦刺激的電極植入，這種方法也有助于機器人輔助手術(shù)的發(fā)展，提供一種新的實時糾錯并提高精度的方法。
同時神經(jīng)外科的高技術(shù)發(fā)展（包括影像導(dǎo)航技術(shù)、術(shù)中磁共振技術(shù)、術(shù)中電生理檢測技術(shù)、術(shù)中喚醒技術(shù)等）使得術(shù)中的精確定位、病灶邊界精準確定、手術(shù)入路的合適選擇、創(chuàng)面的微小化越來越成為可能。而作為神經(jīng)外科手術(shù)中比重最大的開顱手術(shù)，它與醫(yī)用機器人的結(jié)合更凸顯其優(yōu)勢。本文總結(jié)既往機器人輔助開顱手術(shù)的優(yōu)勢和不足，以啟示未來機器人輔助開顱手術(shù)的研究方向。
1.開顱手術(shù)機器人理念及實踐
機器人輔助神經(jīng)外科萌芽在20世紀80年代，PUMA機器人最先用于神經(jīng)外科，以往的神經(jīng)外科手術(shù)機器人多用于輔助立體定向手術(shù)，如法國的Neuromate機器人、加拿大的Neuro Arm以及國內(nèi)北京航空航天大學(xué)與海軍總醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)的（Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS）機器人系統(tǒng)和Remebot機器人等。開顱手術(shù)機器人雖然屬于神經(jīng)外科機器人的范疇，但它主要的任務(wù)是精準鉆孔與銑削。在早期神經(jīng)外科手術(shù)機器人的基礎(chǔ)上，國外的一些開顱機器人的研究應(yīng)運而生。
德國研發(fā)的RobaCKa和CRANIO system可以進行顱骨表面腫瘤的切除以及顱骨的塑形重建。美國開發(fā)的混合Stealth station導(dǎo)航系統(tǒng)、Neuromate機器人臂、六維力覺感知系統(tǒng)和3D Slicer軟件機器人系統(tǒng)，已可進行顱底神經(jīng)外科手術(shù)的開顱，但仍處于模型實驗和尸頭實驗階段。新開發(fā)的神經(jīng)外科導(dǎo)航輔助鉆孔機械臂，定位誤差達到0.502mm，精度已相當高，且比人工的鉆孔精度高。Minerva是最早能提供實時影像引導(dǎo)的系統(tǒng)，可進行無框架立體定向手術(shù)，由于病人需在CT機下手術(shù)，利用率不高，因而問世2年后即停止研究。隨著導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，目前最為成熟的為德國的Brainlab將磁共振影像數(shù)據(jù)與人頭顱匹配，實現(xiàn)實時精準定位，且具備先進的三維成像技術(shù)，3D顯示腫瘤輪廓，精準定位病灶。
將手術(shù)機器人、影像導(dǎo)航系統(tǒng)、開顱手術(shù)三者結(jié)合是當今開顱手術(shù)機器人研究的理念和實踐。借助于影像導(dǎo)航系統(tǒng)，精確定位病灶位置的同時，更加精準的規(guī)劃開顱時的骨窗位置，并設(shè)計鉆孔位置，并以此操控機器人按照導(dǎo)航系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計進行鉆孔和銑削，以更小的骨窗達到更大范圍的暴露，從而實現(xiàn)微創(chuàng)。同時借助機器人的助力系統(tǒng)可快速而省力的實現(xiàn)開顱，并且機器人更高的精度能夠降低硬膜、血管、腦組織的損傷率。
達芬奇機器人是目前應(yīng)用很廣泛的手術(shù)機器人，在腹部手術(shù)中已被證明其有效性和安全性。鎖孔神經(jīng)外科手術(shù)是近年來提出的更加微創(chuàng)化的手術(shù)方式，英國倫敦皇家大學(xué)（Imperial College London）借助眾所周知的達芬奇機器人進行神經(jīng)外科鎖孔手術(shù)的研究，得出的結(jié)論是由于鎖孔空間的限制、巨大機械臂的互相干擾且操控無力覺反饋，達芬奇機器人在神經(jīng)外科手術(shù)的應(yīng)用中，不具備可靠的安全性和有效性。
目前國外研究的開顱手術(shù)機器人主要有以下幾種。
2.RobaCKa機器人系統(tǒng)
這款開顱機器人是由德國海德堡大學(xué)在之前CASPAR機器人（該機器人已可完全模擬顱骨手術(shù)）系統(tǒng)基礎(chǔ)上2009年研發(fā)，其控制系統(tǒng)由該機器人專有的控制系統(tǒng)組成（包括一個力矩傳感器JR3、一個氣動壓力保護系統(tǒng)SCHUNK、一個紅外追蹤系統(tǒng)NDI），通過計算機運行一個實時的冗余安全系統(tǒng)RILinux/Free，機器人末端為一個開顱機械臂Aesculap。該機器人系統(tǒng)的軟件運用開顱術(shù)前計劃系統(tǒng)KasOp，而在手術(shù)過程中的安全性則由GUI工作流程指導(dǎo)醫(yī)生的每一個必要步驟的實施。這例機器人的研發(fā)是為了更加精確和安全的執(zhí)行開顱術(shù)和復(fù)位骨瓣，尤其是顱縫早閉的外科治療。
借助于術(shù)前CT掃描、術(shù)前的計劃和定位，術(shù)中移除軟組織后，該機器人能夠自主的進行開顱術(shù)。這例機器人在虛擬實驗和動物實驗中的表現(xiàn)都很好，證明了其精確性和可靠性。這例機器人之后還進行了第1例人體實驗，為一個8歲的女性巖骨占位性病變患兒進行開顱術(shù)，雖然其只進行了額骨骨瓣的銑削，但卻證明了機器人應(yīng)用于開顱術(shù)的可能。雖然這例機器人系統(tǒng)沒有出現(xiàn)明顯問題，但是仍需要注意將患者的危險性降到最低，是否能夠確保全自動化的機器人開顱的安全性，這需要在機器人系統(tǒng)設(shè)計時就體現(xiàn)出來，這也是未來機器人輔助開顱手術(shù)需要不斷改進完善的地方。
3.CRANIO機器人系統(tǒng)
此機器人系統(tǒng)是建立在CRIGOS的六維力系統(tǒng)和其特殊的工作空間基礎(chǔ)上，由亥姆霍茲-德國亞琛工業(yè)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程研究所2006年研發(fā)。無菌的機器人被設(shè)置在患者頭顱下方，與固定器緊密連接，同時開顱工具被機器人平臺的C型臂牢牢固定，這些都使得操作空間能更好的適應(yīng)人的頭顱。該開顱機器人系統(tǒng)采用分散式構(gòu)架，KUKA機器人維修，其軟件包括了術(shù)前計劃及導(dǎo)航的軟件系統(tǒng)和其從屬系統(tǒng)，其硬件包括了運動控制單元以及冗余安全硬件（RSH）。
機器人運用術(shù)前CT圖像數(shù)據(jù)進行自動的顱骨切割，隨后通過計算機輔助模擬進行顱骨的修復(fù)。該機器人在顱骨模型實驗中被證明十分適合顱骨的鉆孔與銑削，由它進行了實驗室及解剖顱骨的研究，為接下來機器人系統(tǒng)的整合、手術(shù)操作流程和后期的臨床試驗提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但其在顱骨重塑的精確度上仍需加強，更遠期的研究著眼于以超聲為基礎(chǔ)的技術(shù)，同時需增加一個自動沖洗裝置，優(yōu)化安全閘門，確保機器人自動工作時的安全性。最為重要的是在機械臂末端要增加一個力感知系統(tǒng)從而減少工具的振動而確保操作的安全，將位置與力控相結(jié)合進而減少開顱的時間。
4.基于NeuroMate的混合機器人系統(tǒng)
這一款機器人由美國巴爾的摩約翰霍普金斯大學(xué)2008年研發(fā)，其混合了Neuro Materobot（Sacranmento，CA）六維力覺感知機械臂、Stealth Station導(dǎo)航系統(tǒng)（Louisville，Colorado）、運行3DSlicer軟件的工作站和運行高水平機器人控制程序軟件的工作站（Application controller），主要用來顱底外科手術(shù)的開顱。采用的NeuroMate機器人是FDA認證的機器人系統(tǒng)，使用這款機器人的原因是它具有機械穩(wěn)定性、良好的精確度和對于開顱手術(shù)舒適的操作空間。其工作流程為：運用StealthStation導(dǎo)航系統(tǒng)將實際頭顱與術(shù)前CT圖像進行注冊配準；同時在機器人開顱的機械臂也安裝一個導(dǎo)航接受儀，使機器人與Stealth-Station導(dǎo)航系統(tǒng)能夠聯(lián)合注冊，以達到開顱過程中的可視化操作。