新型機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)輔助穿刺初步實(shí)驗(yàn)研究

文 藝， 李曉冰， 吳智群

目前CT 導(dǎo)引下非血管介入治療， 如各部位病灶穿刺活檢［1］、粒子植入［2］、消融治療［3］等已成 為臨床診療的重要組成部分，應(yīng)用范圍越來越廣泛。 準(zhǔn)確、安全穿刺是后續(xù)診療的前提，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)， 臨床上傳統(tǒng)步進(jìn)式操作需多次CT 掃描確定穿刺針位置，取決于術(shù)者臨床經(jīng)驗(yàn)，穿刺誤差較大。 對(duì)小病灶采用CT 透視下穿刺雖為實(shí)時(shí)成像導(dǎo)引，但對(duì)患者和術(shù)者輻射劑量較大［4］。 隨著圖像融合和設(shè)備追蹤技術(shù)發(fā)展，多種輔助穿刺裝置如電磁導(dǎo)航系統(tǒng)［5］、光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)［6］、激光導(dǎo)航系統(tǒng)［7］、C 形臂錐體束CT［8］等逐步應(yīng)用于臨床，實(shí)時(shí)影像導(dǎo)引下介入專用機(jī)器人也在研究階段［9］。 機(jī)械導(dǎo)航輔助穿刺系統(tǒng)最早應(yīng)用于臨床， 目前國(guó)外新型系統(tǒng)如ROBIO、MAXIO、ISYS 等的準(zhǔn)確性、 安全性已在臨床上得到證實(shí)。 本實(shí)驗(yàn)評(píng)估一款國(guó)產(chǎn)機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航穿刺的準(zhǔn)確性和安全性，旨在為下一步應(yīng)用于臨床打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和器材

實(shí)驗(yàn)動(dòng)物選用4 只成年實(shí)驗(yàn)小型豬，體重30～40 kg，實(shí)驗(yàn)前處死實(shí)驗(yàn)動(dòng)物。 實(shí)驗(yàn)器材主要包括新型機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)、CT 掃描儀（美國(guó)GE 公司），18 G穿刺針（日本八光公司）。

1.2 機(jī)械導(dǎo)航穿刺

新型機(jī)械導(dǎo)航輔助穿刺系統(tǒng)通過自身坐標(biāo)系與CT 機(jī)配準(zhǔn)，使操作空間內(nèi)某一點(diǎn)在CT 和系統(tǒng)上坐標(biāo)一致。 將CT 圖像傳至系統(tǒng)工作站中設(shè)計(jì)穿刺路徑，指導(dǎo)機(jī)械臂到達(dá)指定位置，從而在機(jī)械臂確定的穿刺方向和深度輔助下完成穿刺。 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物處死后置于CT 架上行全身CT 掃描，將掃描圖像傳輸至導(dǎo)航系統(tǒng)， 在系統(tǒng)上規(guī)劃進(jìn)針點(diǎn)和目標(biāo)靶點(diǎn)，盡可能選取實(shí)驗(yàn)動(dòng)物本身易被識(shí)別的目標(biāo)靶點(diǎn)，進(jìn)針點(diǎn)選擇原則上使穿刺路徑避開骨質(zhì)和其他重要器官；計(jì)算空間坐標(biāo)，指導(dǎo)機(jī)械臂到達(dá)指定位置；通過機(jī)械臂固定的穿刺路徑用穿刺針完成穿刺（圖1）；機(jī)械臂復(fù)位，CT 掃描了解穿刺針位置。 重復(fù)選取40個(gè)目標(biāo)靶點(diǎn)，完成上述操作。

圖1 新型機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)引穿刺圖像

1.3 傳統(tǒng)穿刺

傳統(tǒng)步進(jìn)式穿刺通過間歇掃描的CT 圖像調(diào)整穿刺針位置，最終穿刺至目標(biāo)靶點(diǎn)附近。 根據(jù)掃描的全身CT 圖像規(guī)劃穿刺路徑， 確定皮膚進(jìn)針點(diǎn)和目標(biāo)靶點(diǎn)， 采用CT 軟件測(cè)量工具測(cè)量穿刺深度和穿刺角度；將CT 掃描床移至選定層面，根據(jù)定位標(biāo)尺和定位激光束確定皮膚進(jìn)針點(diǎn)；參考術(shù)前圖像確定的穿刺角度和深度行穿刺， 間歇CT 掃描調(diào)整穿刺針位置。

1.4 記錄數(shù)據(jù)

①穿刺誤差： 術(shù)中記錄目標(biāo)靶點(diǎn)空間坐標(biāo)，操作結(jié)束后在CT 圖像測(cè)量目標(biāo)靶點(diǎn)和實(shí)際針尖空間距離，穿刺誤差為衡量機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確性的主要指標(biāo)［10］。 ②穿刺時(shí)間：自路徑規(guī)劃始計(jì)時(shí)至最終穿刺完成CT 掃描，為1 次穿刺手術(shù)時(shí)間。 ③穿刺深度：皮膚進(jìn)針點(diǎn)與穿刺目標(biāo)靶點(diǎn)的距離。 ④穿刺針調(diào)整次數(shù)：機(jī)械導(dǎo)航組為1 針穿刺，不需調(diào)整；傳統(tǒng)穿刺組根據(jù)術(shù)中間歇CT 圖像調(diào)整穿刺針位置次數(shù)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

收集的原始數(shù)據(jù)經(jīng)核對(duì)后用SPSS 23 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。 計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。原始數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布用兩獨(dú)立樣本秩和檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布用方差齊性檢驗(yàn)，方差齊適用單因素方差分析，方差不齊用兩獨(dú)立樣本秩和檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

機(jī)械導(dǎo)航組、傳統(tǒng)穿刺組平均穿刺深度分別為（8.70±2.82） cm、（8.40±2.60） cm， 差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。 機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)輔助完成40 例1 針穿刺，1 針成功率為100%； 傳統(tǒng)穿刺完成40 例穿刺，穿刺調(diào)整次數(shù)為（3.60±0.67）次，手術(shù)成功率100%。兩組間穿刺誤差、穿刺時(shí)間差異均有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），機(jī)械導(dǎo)航組穿刺誤差顯著優(yōu)于傳統(tǒng)穿刺組，且穿刺時(shí)間明顯較短，見表1。

表1 機(jī)械導(dǎo)航組與傳統(tǒng)穿刺組數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3 討論

隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，CT 導(dǎo)引下非血管內(nèi)介入診療臨床應(yīng)用越來越廣泛。 相比于外科手術(shù)，介入治療是在影像導(dǎo)引下手術(shù)，具有微創(chuàng)、定位準(zhǔn)確、可重復(fù)性強(qiáng)、療效高、見效快、并發(fā)癥發(fā)生率低等諸多優(yōu)點(diǎn)， 在疾病診斷和治療中發(fā)揮越來越重要作用［11］。介入診療的前提在于準(zhǔn)確安全的穿刺，將穿刺針精確送達(dá)目標(biāo)靶點(diǎn)可為后續(xù)診療操作提供重要保障。傳統(tǒng)步進(jìn)式穿刺操作借助間歇掃描CT 圖像， 取決于術(shù)者臨床經(jīng)驗(yàn)和空間想象，屬 “盲穿刺” 方式。 CT透視下穿刺雖為實(shí)時(shí)成像導(dǎo)引，但對(duì)患者和術(shù)者輻射劑量較大。 目前越來越多輔助穿刺裝置逐漸應(yīng)用于臨床，機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)多為機(jī)械臂連接機(jī)械底座方式，機(jī)械臂末端可抓持不同型號(hào)穿刺針。 國(guó)內(nèi)外臨床上廣泛應(yīng)用的機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)為印度Perfint 公司一代產(chǎn)品ROBIO 系統(tǒng)和改良MAXIO 系統(tǒng)，自動(dòng)化和智能化程度較高， 提高了穿刺準(zhǔn)確性和安全性［12］。 張孝軍等［13］采用ROBIO 系統(tǒng)對(duì)46 例肺小結(jié)節(jié)行穿刺活檢，1 針穿刺成功35 例（76.1%），平均手術(shù)時(shí)間（13.5±2.5） min，而傳統(tǒng)穿刺組一針成功率為18.0%，手術(shù)時(shí)間為（25.1±9.2） min，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。 Smakic 等［14］采用MAXIO 系統(tǒng)對(duì)55 例患者行CT導(dǎo)引下穿刺，結(jié)果穿刺誤差為（1.2±1.6） mm，優(yōu)于傳統(tǒng)穿刺對(duì)照組［（2.6±1.1） mm］。

本中心設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)新型導(dǎo)航系統(tǒng)屬機(jī)械導(dǎo)航范疇。 本研究將其應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)并與傳統(tǒng)步進(jìn)式穿刺進(jìn)行比較， 結(jié)果顯示機(jī)械導(dǎo)航穿組完成40 例穿刺，均一針成功，穿刺誤差（3.73±1.32） mm，穿刺時(shí)間（11.47±0.74） min；傳統(tǒng)步進(jìn)式穿刺組40 例穿刺成功，穿刺調(diào)整次數(shù)為（3.6±0.67）次，穿刺誤差（4.68±1.16） mm，穿刺時(shí)間（19.45±3.18） min。 可見，通過機(jī)械臂固定的穿刺路徑有助于一針穿刺至目標(biāo)靶點(diǎn)，且使年輕醫(yī)師易于操作。 與傳統(tǒng)穿刺組相比，機(jī)械導(dǎo)航組穿刺誤差和手術(shù)時(shí)間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明機(jī)械導(dǎo)航輔助系統(tǒng)完成穿刺更加快速、準(zhǔn)確。

本研究注意到在穿刺進(jìn)皮膚時(shí)，對(duì)穿刺針人為施力會(huì)使機(jī)械臂末端持針器形狀發(fā)生一定變化，且穿刺完成后松開持針器時(shí)穿刺針角度有一些偏移。分析原因，可能系穿刺時(shí)所施力未完全順著穿刺針方向。 后續(xù)改進(jìn)中將嘗試加長(zhǎng)加固末端持針器，穿刺過程中術(shù)者應(yīng)注意所施力量順著穿刺針方向，不對(duì)持針器施加其他方向的力，保持穿刺針在整個(gè)操作過程中的穩(wěn)定性。 另外，機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)械臂末端根據(jù)指令已確定穿刺點(diǎn)和進(jìn)針角度，操作者只能在無可視化圖像下直接一針完成穿刺，而穿刺過程中組織形變擠壓會(huì)使穿刺誤差變大。 為了解決此問題，考慮是否可改良穿刺針，先在機(jī)械臂輔助下完成粗針穿刺，再行CT 掃描了解穿刺針位置，若位置有偏移， 可在粗針內(nèi)插入一末端可調(diào)節(jié)方向的細(xì)針，從而補(bǔ)償?shù)谝会槾┐趟鸬恼`差。 此乃設(shè)想，尚需后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證改進(jìn)。

本研究中應(yīng)用處死的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，而臨床上患者呼吸和體位改變是影響機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確性的重要因素。 一旦目標(biāo)靶點(diǎn)位置發(fā)生改變，就會(huì)造成穿刺誤差偏大。 臨床上有真空固定床墊，可根據(jù)患者體位抽空床墊內(nèi)空氣，使床墊根據(jù)患者位置形成個(gè)體化形狀并予固定。 有研究報(bào)道提出與信號(hào)燈相連接的呼吸帶，將其綁在患者胸前，穿刺過程中患者在信號(hào)燈提示下屏氣，確保前后胸廓一致。 相比機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)和電磁導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于可對(duì)整個(gè)穿刺過程實(shí)時(shí)圖像進(jìn)行監(jiān)測(cè)，操作者可根據(jù)可視化圖像調(diào)整穿刺針位置［15］。 機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)雖可精確定位，但穿刺針進(jìn)入體內(nèi)整個(gè)過程無圖像導(dǎo)引，一旦患者體位發(fā)生變化，將會(huì)增加并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。 本研究設(shè)想融合各導(dǎo)航系統(tǒng)特點(diǎn)，機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)重點(diǎn)精準(zhǔn)定位體表穿刺點(diǎn)， 穿刺過程中則借助光學(xué)或電磁導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖像更加準(zhǔn)確地完成穿刺。這樣既可利用機(jī)械臂定位皮膚進(jìn)針點(diǎn)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，也補(bǔ)償患者體位變化或呼吸運(yùn)動(dòng)所帶來的誤差。

隨著科技快速發(fā)展和人工智能普及，機(jī)器人越來越多代替人工完成生產(chǎn)領(lǐng)域、建筑領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等各種任務(wù)，甚至一些危險(xiǎn)操作。 介入放射學(xué)診療起步較晚，憑借其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)發(fā)展迅速，而介入手術(shù)中射線輻射和鉛衣負(fù)重等問題逐漸顯露。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究開發(fā)CT 透視實(shí)時(shí)穿刺機(jī)器人，以CT 透視實(shí)時(shí)圖像為導(dǎo)航，術(shù)者在控制室通過操作主操作臂運(yùn)動(dòng)控制完成一系列映射動(dòng)作［16］。 也有研究報(bào)道利用磁定位導(dǎo)航的實(shí)時(shí)圖像輔助機(jī)器人操作［17］。 目前介入手術(shù)機(jī)器人已成為研究熱點(diǎn)，仍有很多問題需要解決。 希望通過本新型機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)的研究和改進(jìn)，為今后更加精確、對(duì)操作者無輻射的機(jī)器人臨床應(yīng)用打下基礎(chǔ)。