影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)在微創(chuàng)治療的臨床應(yīng)用進(jìn)展

張嘯波，肖越勇

(中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853)

·綜述·

影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)在微創(chuàng)治療的臨床應(yīng)用進(jìn)展

張嘯波，肖越勇*

(中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853)

影像引導(dǎo)的微創(chuàng)治療技術(shù)在臨床診療工作中發(fā)揮著越來(lái)越重要作用。隨著科技進(jìn)步，影像引導(dǎo)機(jī)器人技術(shù)逐步成熟，并可完成一定的臨床微創(chuàng)治療工作，彌補(bǔ)了手術(shù)過(guò)程中的諸多不足。本文主要對(duì)影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在微創(chuàng)治療中應(yīng)用進(jìn)行綜述。

機(jī)器人系統(tǒng)；影像引導(dǎo)；微創(chuàng)治療

影像引導(dǎo)的微創(chuàng)治療技術(shù)，以其創(chuàng)傷小、準(zhǔn)確性高、費(fèi)用低、并發(fā)癥少等優(yōu)點(diǎn)，已成為臨床診療工作的重要組成部分[1-2]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)學(xué)機(jī)器人在影像引導(dǎo)微創(chuàng)治療領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，逐漸彌補(bǔ)手術(shù)過(guò)程中存在的諸多不足。

1 醫(yī)學(xué)機(jī)器人

醫(yī)學(xué)機(jī)器人是指應(yīng)用于診斷、治療、康復(fù)、護(hù)理和功能輔助等諸多醫(yī)學(xué)領(lǐng)域由計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械設(shè)備[3]，是多學(xué)科研究和融合發(fā)展的成果[4]。隨著機(jī)械電子技術(shù)由傳統(tǒng)的機(jī)械學(xué)、傳感技術(shù)，發(fā)展到與先進(jìn)的微處理機(jī)結(jié)合成為新興技術(shù)并迅猛發(fā)展，生物醫(yī)學(xué)工程儀器領(lǐng)域中醫(yī)學(xué)機(jī)器人技術(shù)也得到快速發(fā)展。醫(yī)學(xué)機(jī)器人工程結(jié)合了各個(gè)學(xué)科最新研究成果，在幫助醫(yī)師進(jìn)行精確診斷的同時(shí)，也不斷促使治療手段更加微創(chuàng)化、可視化，有效規(guī)避一些醫(yī)療風(fēng)險(xiǎn)[5]。

1985年，PUMA 560機(jī)器人首次應(yīng)用于神經(jīng)外科領(lǐng)域[4]，之后隨著醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)Π踩浴?zhǔn)確性、無(wú)菌性等一系列復(fù)雜而又苛刻的要求，醫(yī)學(xué)專(zhuān)用機(jī)器人行業(yè)開(kāi)始不斷發(fā)展[6]。在我國(guó)，北京航空航天大學(xué)最早開(kāi)展此方面研究，并在影像引導(dǎo)定位、虛擬手術(shù)規(guī)劃與模擬、機(jī)器人輔助操作等方面取得顯著成果[1，7]。北京理工大學(xué)[8]、清華大學(xué)[9-10]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)[11-12]及沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所[13]等單位也均在此領(lǐng)域取得一定成績(jī)。應(yīng)用在外科及介入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的醫(yī)學(xué)機(jī)器人根據(jù)其基本輸入端的不同方式分為兩類(lèi)[6]，第一類(lèi)醫(yī)學(xué)機(jī)器人由外科醫(yī)師進(jìn)行操控，機(jī)器人則遵循醫(yī)生的輸入指令，通過(guò)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)[14]。這類(lèi)機(jī)器人能顯著提高操作精度、減輕醫(yī)師疲勞、減小患者創(chuàng)傷，但機(jī)器人系統(tǒng)完全聽(tīng)從操作醫(yī)師指揮，本身無(wú)自主行為。第二類(lèi)醫(yī)學(xué)機(jī)器人是通過(guò)外接醫(yī)學(xué)成像裝置，如CT[15]、超聲[16]、MRI[17]等，以醫(yī)學(xué)影像導(dǎo)航為基礎(chǔ)，并在影像反饋基礎(chǔ)上允許醫(yī)師進(jìn)行控制操作來(lái)完成手術(shù)，如影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)。這類(lèi)機(jī)器人系統(tǒng)在特殊算法驅(qū)動(dòng)下在有限的影像空間內(nèi)運(yùn)作[18]，通過(guò)這些影像引導(dǎo)方式，機(jī)器人系統(tǒng)可在醫(yī)師的指令和監(jiān)視下執(zhí)行任務(wù)，較第一類(lèi)醫(yī)學(xué)機(jī)器人具有更高的自主性[6]。

2 影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容 影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)在微創(chuàng)治療領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要包含導(dǎo)航子系統(tǒng)和手術(shù)操作子系統(tǒng)[19]。導(dǎo)航子系統(tǒng)是將術(shù)中患者的影像數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)輸出及匹配、計(jì)算機(jī)三維重建、圖像顯示等技術(shù)處理后對(duì)手術(shù)過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)。這些影像數(shù)據(jù)被統(tǒng)一儲(chǔ)存在同一個(gè)空間坐標(biāo)系中，即虛擬空間坐標(biāo)系。而手術(shù)操作子系統(tǒng)中的手術(shù)器械、靶區(qū)及患者體表的實(shí)際位置處于成像設(shè)備(所處的現(xiàn)實(shí)空間中即介入手術(shù)室)中，即實(shí)際空間坐標(biāo)系。將這兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行匹配，即可通過(guò)影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)操作。醫(yī)生通過(guò)導(dǎo)航子系統(tǒng)輸出的術(shù)中影像對(duì)操作子系統(tǒng)下達(dá)指令，而操作子系統(tǒng)在導(dǎo)航子系統(tǒng)(虛擬空間坐標(biāo)系的位置數(shù)據(jù))的幫助下解讀指令，實(shí)時(shí)確定手術(shù)靶點(diǎn)、器械的空間位置及需要運(yùn)動(dòng)的方向和距離，最終使這些信息都以實(shí)際位置及動(dòng)作形式反映在手術(shù)室的現(xiàn)實(shí)空間中[2-3，6]。醫(yī)師既能隨時(shí)了解患者二維或三維的組織結(jié)構(gòu)影像，也能更安全、更精準(zhǔn)地完成手術(shù)操作[20]。

1986年，第1例影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)由美國(guó)Roberts引入，其將CT影像和手術(shù)顯微鏡結(jié)合起來(lái)，并運(yùn)用超聲定位引導(dǎo)手術(shù)，在臨床上獲得了成功[21]。隨著技術(shù)發(fā)展，機(jī)器人系統(tǒng)逐漸成為影像引導(dǎo)微創(chuàng)治療領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[22]，但因其開(kāi)發(fā)過(guò)程中存在各種技術(shù)挑戰(zhàn)，故發(fā)展進(jìn)程緩慢，未完全普及[6]。

2.2 成像設(shè)備 醫(yī)學(xué)影像作為影像引導(dǎo)機(jī)器人的信息源、最終輸出及交互資料形式，是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。目前臨床中常采用的影像引導(dǎo)方式主要有CT、超聲、MRI等[21]。不同影像引導(dǎo)方式各有其優(yōu)劣勢(shì)：CT具有較高的空間及密度分辨率，能夠快速、清晰地顯示各部位解剖結(jié)構(gòu)，特別是對(duì)于肺部病變的顯像具有無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)[2]，但其在成像過(guò)程中會(huì)對(duì)患者產(chǎn)生一定的輻射，并且其引導(dǎo)的肺部病變穿刺及治療易受呼吸運(yùn)動(dòng)的影響[23-24]；超聲顯示實(shí)質(zhì)臟器及淺表器官的能力較強(qiáng)，并能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診療過(guò)程，但對(duì)于氣體、骨骼、深部組織結(jié)構(gòu)等的顯像效果較差；MRI具有獨(dú)特的功能成像能力，對(duì)檢出病灶的敏感度較高且對(duì)一些超聲和CT無(wú)法顯示的特殊部位病灶成像優(yōu)勢(shì)明顯，但MR成像速度較慢、對(duì)介入操作器械具有很強(qiáng)的限制性，故其在臨床應(yīng)用中有很大的局限性[25]。

在微創(chuàng)治療中，僅超聲和透視引導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)術(shù)中實(shí)時(shí)成像，但超聲空間及密度分辨率較低，成像范圍有限，透視對(duì)患者及醫(yī)師均會(huì)產(chǎn)生較大劑量的輻射。而CT、MRI引導(dǎo)微創(chuàng)治療過(guò)程多數(shù)仍采用體表定位、傳統(tǒng)步進(jìn)式穿刺技術(shù)[23，26]，醫(yī)師需根據(jù)術(shù)前影像憑借個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行操作，且缺乏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)影像導(dǎo)航，術(shù)中常會(huì)產(chǎn)生誤差，需通過(guò)多次術(shù)中成像進(jìn)行校正，不僅增加了患者的受輻射劑量，也會(huì)導(dǎo)致手術(shù)時(shí)間延長(zhǎng)、并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)增加等諸多不利后果。隨著臨床微創(chuàng)治療要求的日益提高，對(duì)術(shù)中影像引導(dǎo)的需求也越來(lái)越迫切。CT作為應(yīng)用范圍較廣的成像技術(shù)，逐漸成為影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合熱點(diǎn)之一[2,21]。

2.3 影像引導(dǎo)機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng) 目前，根據(jù)空間定位技術(shù)不同，機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)分為兩類(lèi):一類(lèi)是利用成像設(shè)備本身的空間坐標(biāo)系進(jìn)行物理定位，即直接將機(jī)械臂固定于成像設(shè)備或附近區(qū)域，并對(duì)其位置進(jìn)行校準(zhǔn)(機(jī)械定位)；一類(lèi)利用光學(xué)系統(tǒng)[27]、電磁傳感器、超聲傳感器、深度相機(jī)等方式對(duì)器械、患者體表信息進(jìn)行采集，反饋至系統(tǒng)后進(jìn)行空間定位[28]。這兩類(lèi)技術(shù)的共同目的都是為了兩個(gè)坐標(biāo)系的配準(zhǔn)。

機(jī)械定位系統(tǒng)最早應(yīng)用于臨床，早期采用的框架式機(jī)械定位系統(tǒng)體積龐大，嚴(yán)重影響醫(yī)師操作，故目前多采用機(jī)械底座連接機(jī)械臂的定位方式，手術(shù)器械可固定在機(jī)械臂末端上進(jìn)行操作，空間利用率高。光學(xué)定位系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)固定在手術(shù)器械和患者體表的目標(biāo)點(diǎn)的空間位移信息，將數(shù)據(jù)反饋至系統(tǒng)確定各目標(biāo)點(diǎn)的空間位置，其精度可達(dá)1 mm[27-28]；電磁定位系統(tǒng)包括發(fā)射和接收裝置，發(fā)射裝置為三維線圈構(gòu)成的發(fā)射磁場(chǎng)，接收裝置是磁接收信號(hào)器，通過(guò)接收位于患者體表和穿刺針內(nèi)的位置傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算其空間位置并將相對(duì)位置關(guān)系結(jié)合術(shù)中影像顯示[29]。機(jī)械定位系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，但穿刺過(guò)程中易導(dǎo)致器械變形，且缺乏可視化圖像引導(dǎo)；光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)及電磁導(dǎo)航系統(tǒng)具有較高精度，但在穿刺過(guò)程中易受環(huán)境影響、穩(wěn)定性較差[28]，光學(xué)導(dǎo)航易受障礙物干擾致缺乏靈活性[27]。

2.4 影像引導(dǎo)機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng) 影像引導(dǎo)機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng)由成像反饋設(shè)備、空間定位設(shè)備、機(jī)械操控裝置及操作工作站構(gòu)成。機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng)在醫(yī)師操作下完成一系列微創(chuàng)治療手術(shù)操作。早期影像引導(dǎo)機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng)均在機(jī)械定位系統(tǒng)上建立，直接將末端操作設(shè)備或具有一定自由度的機(jī)械臂[30](通常為3個(gè)以上自由度[2,28])連接于工作臺(tái)，在實(shí)時(shí)超聲或術(shù)前CT、MRI影像引導(dǎo)下進(jìn)行手術(shù)操作[31]，如約翰霍普金斯大學(xué)開(kāi)發(fā)的AcuBot機(jī)器人[32]。隨著新型定位技術(shù)的不斷產(chǎn)生及機(jī)械臂工藝的日趨改善，機(jī)器人手術(shù)操作系統(tǒng)也經(jīng)歷著從繁至簡(jiǎn)、從術(shù)前圖像引導(dǎo)至虛擬實(shí)時(shí)圖像引導(dǎo)、從單針手術(shù)到多針手術(shù)、從機(jī)械輔助至人工操控等諸多變化。發(fā)展進(jìn)程中，操作系統(tǒng)機(jī)械臂的自由度最高達(dá)到11個(gè)[33-34]，使手術(shù)操作精度高于醫(yī)師徒手操作。北京航空航天大學(xué)所開(kāi)發(fā)的神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人[35]、清華大學(xué)與中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的肝臟腫瘤穿刺機(jī)器人[36]等也均已完成了相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，取得一定成果。

3 現(xiàn)狀分析與存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，在微創(chuàng)治療中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，但是尚存在一些問(wèn)題。

(1)各種影像引導(dǎo)方式各有優(yōu)劣勢(shì)，其適用靶器官不盡相同[1]?，F(xiàn)階段的影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)多采用單一成像模式進(jìn)行導(dǎo)航[15]，并未將各類(lèi)影像引導(dǎo)方式的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，若能采用多種成像相結(jié)合對(duì)手術(shù)機(jī)器人模型進(jìn)行塑造，將大大提高機(jī)器人系統(tǒng)的效能及適用范圍。

(2)經(jīng)皮穿刺微創(chuàng)治療手術(shù)中患者不自主運(yùn)動(dòng)及呼吸動(dòng)度是術(shù)中不可控因素，因此術(shù)中患者的實(shí)時(shí)狀態(tài)能否真實(shí)反映在機(jī)器人系統(tǒng)的導(dǎo)航圖像中，是決定手術(shù)準(zhǔn)確性及安全性的關(guān)鍵?，F(xiàn)有的影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)除超聲[37]、CT透視引導(dǎo)[38]外均不能達(dá)到術(shù)中實(shí)時(shí)顯像，故目前多數(shù)仍采用參照術(shù)前圖像等多種虛擬實(shí)時(shí)方法結(jié)合呼吸門(mén)控等補(bǔ)償算法來(lái)完成術(shù)中導(dǎo)航，雖然在一定程度上減小了穿刺誤差，但并不能真實(shí)反映出術(shù)中患者、靶器官及穿刺器械的情況。

(3)我國(guó)臨床工作中采用影像導(dǎo)航機(jī)器人系統(tǒng)只能協(xié)助完成導(dǎo)航定位等一部分微創(chuàng)診療工作，并不能真正意義上像外科手術(shù)機(jī)器人那樣實(shí)現(xiàn)通過(guò)醫(yī)師操控機(jī)械裝置來(lái)完成手術(shù)。

綜上所述，影像引導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)為臨床微創(chuàng)治療工作的開(kāi)展提供了一定支持，避免了因醫(yī)師手術(shù)經(jīng)驗(yàn)不同而產(chǎn)生的誤差及并發(fā)癥，提高了手術(shù)安全性及精確性，但是仍有一些問(wèn)題亟待解決。

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Clinical progresses of imaging-guided robot in minimally invasive treatment

ZHANGXiaobo,XIAOYueyong*

(DepartmentofRadiology,ChinesePLAGeneralHospital,Beijing100853,China)

Image-guided minimally invasive treatments play an increasingly important role in clinical works. With the progressing of science and technology, image-guided robot technology are mature gradually. It can accomplish parts of clinical minimally invasive treatments, and make up for the deficiencies in the process of surgery. Present situation and application in minimally invasive treatments of image-guided robot system were reviewed in this article.

Robotic system; Imaging-guided; Minimally invasive treatment

國(guó)家自然科學(xué)基金(81271674)。

張嘯波(1987—)，男，安徽明光人，在讀碩士，主治醫(yī)師。研究方向：放射診斷與介入治療。E-mail: zhangxiaobo301@126.com

肖越勇，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院放射科，100853。

E-mail: xiaoyueyong@vip.sina.com

2016-12-28

2017-02-09

R45; TP242

A

1672-8475(2017)05-0310-04

10.13929/j.1672-8475.201612034