神经外科开颅手术机器人研究进展

开颅手术机器人属于神经外科机器人的范畴，而传统的神经外科机器人多用于立体定向手术[1]。立体定向机器人辅助神经外科穿刺活检平均目标准确度可达0.9 ～ 4.5 mm，诊断活检率可达75% ～ 100%[2-3]。近年来机器人技术飞速发展，包括开放性模块化的控制系统、软件系统、机器人故障诊断与安全维护技术[4-5]。通过实时网络自适应控制已可以模拟深部脑刺激的电极置入，这种方法有助于机器人辅助手术的发展，提供了一种新的实时纠错并提高精度的方法[6]。同时神经外科的技术发展(包括影像导航技术、术中磁共振技术、术中电生理检测技术、术中唤醒技术等)使得术中的精确定位、病灶边界精准确定、手术入路的合适选择、创面的微小化成为可能[7]。而作为神经外科手术中占比最大的开颅手术，它与医用机器人的结合更可凸显其优势[8]。本文总结既往机器人辅助开颅手术的优势和不足，以探讨未来机器人辅助开颅手术的研究方向。

1 开颅手术机器人理念及实践

机器人辅助神经外科的萌芽在20世纪80年代，PUMA机器人最先用于神经外科，以往的神经外科手术机器人多用于辅助立体定向手术[9]，如法国的Neuromate机器人[10]、加拿大的NeuroArm以及国内北京航空航天大学与海军总医院联合开发的CRAs(computer and robot assisted surgery)机器人系统和Remebot机器人[11]等。开颅手术机器人虽然属于神经外科机器人的范畴，但它主要的任务是精准钻孔与铣削。在早期神经外科手术机器人的基础上，国外一些开颅机器人的研究应运而生。德国研发的RobaCKa[12-13]和CRANIO system[14]可以进行颅骨表面肿瘤的切除以及颅骨的塑形重建[15]。美国开发的混合Stealthstation导航系统、Neuromate机器人臂、六维力觉感知系统和3D Slicer软件机器人系统，已可进行颅底神经外科手术的开颅，但仍处于模型实验和尸头实验阶段[16]。新开发的神经外科导航辅助钻孔机械臂，定位误差达到0.502 mm，精度已相当高[17]。Minerva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，但由于病人需在CT机下手术，利用率不高，因而其问世2年后即停止研究。随着导航系统的发展，目前最为成熟的为德国的Brainlab，其将磁共振影像数据与人头颅匹配，实现实时精准定位，且具备先进的三维成像技术，3D显示肿瘤轮廓，精准定位病灶。将手术机器人、影像导航系统、开颅手术三者结合是当今开颅手术机器人研究的理念和实践基础[18]。借助于影像导航系统，精确定位病灶位置的同时，更加精准地规划开颅时的骨窗位置，设计钻孔位置，并以此操控机器人按照导航系统的规划设计进行钻孔和铣削，以更小的骨窗达到更大范围的暴露，从而实现微创。同时借助机器人的助力系统可快速而省力地实现开颅，且机器人更高的精度能够降低硬膜、血管、脑组织的损伤率。达芬奇机器人是目前应用很广泛的手术机器人，在腹部手术中已被证明其有效性和安全性。锁孔神经外科手术是近年来提出的更加微创化的手术方式，英国伦敦帝国理工大学(Imperial College London)借助达芬奇机器人进行神经外科锁孔手术的研究，得出的结论是由于锁孔空间的限制、巨大机械臂的互相干扰且操控无力觉反馈，达芬奇机器人在神经外科手术的应用中不具备可靠的安全性和有效性[19]。目前国外研究的开颅手术机器人主要有以下几种。

2 RobaCKa机器人系统

这款开颅机器人是由德国海德堡大学于2009年在之前CASPAR机器人(该机器人已可完全模拟颅骨手术)系统基础上研发，其控制系统由该机器人专有的控制系统组成(包括一个力矩传感器JR3、一个气动压力保护系统SCHUNK、一个红外追踪系统NDI)，通过计算机运行一个实时的冗余安全系统RILinux/Free，机器人末端为一个开颅机械臂Aesculap。该机器人系统的软件运用开颅术前计划系统KasOp，而在手术过程中的安全性则由GUI工作流程指导医生每一个必要步骤的实施。此机器人的研发是为了更加精确和安全地执行开颅术和复位骨瓣，尤其是颅缝早闭的外科治疗。借助于术前CT扫描、术前的计划和定位，术中移除软组织后，该机器人能够自主地进行开颅术。此机器人在虚拟实验和动物实验中的表现都很好，证明了其精确性和可靠性。之后还进行了第1例人体实验，为一个8岁的女性岩骨占位性病变患儿进行开颅术，虽然其只进行了额骨骨瓣的铣削，但却证明了其应用于开颅术的可能。虽然此机器人系统没有出现明显问题，但是仍需要注意将患者的危险性降到最低，确保全自动化的机器人开颅的安全性，这需要在机器人系统设计时就体现出来，这也是未来机器人辅助开颅手术需要不断改进完善的地方。

文章来源：《临床神经外科杂志》 网址: http://www.lcsjwkzzzz.cn/qikandaodu/2021/0212/368.html