关键词: 机器人；立体定向；规划；映射；执行机构；临床应用

本文介绍了机器人技术在微损伤神经外科手术中的应用，系统的研究包括图形规划、微损伤和无损伤空间映射、机器人辅助手术和遥操作放射性同位素植入。在大量的实验测试和实际手术模拟实验的基础上，系统已成功应用于临床手术。

分类号： R318.5; TP242

A ROBOTIC SYSTEM FOR STEREOTACTIC NEUROSURGERY

AND ITS CLINICAL APPLICATION

Chen Mengdong, Wang Tianmiao, Liu Da, Zhang Qixian

(Robotics Institute, Beijing University of Aero. & Astro, Beijing 100083)

Tian Zengmin

(Neurosurgery Research Center. The Naval Hospital, Beijing, 100073)

ABSTRACT

A system of robot assisted minimally invasive neurosurgery and its clinical application was introduced. The prototype was composed of a preoperative image-guided planning, a minimal-invasive and a non-invasive mapping between the virtual and actual environment, and a surgical robot for location and remote-controlled procedures based on the preoperative strategy. Finally the results of clinical application were given to show effectiveness of the robotic system.

Key words:Robot; Stereotactic neurosurgery; Planning; Mapping; Execution; Clinical application

0引言

近年来将先进机器人技术应用于医疗外科领域已受到了世界发达国家的高度重视。机器人技术在医疗外科领域的应用不仅在手术精确定位、最小损伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规医疗外科的许多概念，对新一代机器人化的手术设备开发与研制，对医学教学与研究，对临床或家庭护理及康复工程等方面等都有十分重要的意义。我国人口众多，正在逐步成为一个医疗器械的生产大国和使用大国。因此，开展机器人与计算机辅助外科的研究对于培养和锻练交叉多学科综合的高级人才，对于更好地开发、利用和维护现有高技术的医疗设备，对于振兴我国自己高技术医疗器械工业都有着重要意义，并具有潜在的经济和社会效益。

立体定向神经外科手术是采用一个固定金属框架，将它固定在病人的颅骨上，医生通过CT图片计算出病灶点在框架坐标系中的三维坐标位置(X，Y，Z)，然后在病人颅骨上钻一个小孔，将探针头或其他复杂的外科手术器械通过探针导管插入病人脑中，达到CT图象上定位的靶点，最后对病灶点进行活检、放疗、切除等操作的一项外科技术。目前在我国立体定向技术已被广泛应用于脑肿瘤、脓肿和血肿的手术治疗中。由于手术创伤较小，患者多数愿意接受这种治疗方法。近年来，北京海军总医院已进行了1500例立体定向脑外科手术。我们开展的机器人辅助微损伤神经外科手术系统是以立体定向神经外科为应用背景，研究机器人与计算机高技术在医疗外科中应用的有关理论方法和关键技术，它将拓宽立体定向手术的范围，为实施脑深部肿瘤的外科治疗、开展无框架立体定向神经外科提供新的途径。它不仅使手术更加安全可靠，而且减轻了创伤，缩短了病人的康复时间，避免放射性药物注入过程中对医务人员的伤害，使立体定向手术更加方便、省时、高效。

近年来，在机器人辅助微损伤立体定向神经外科手术方面人们进行了大量的研究工作^［1～4］，国外一般所采用的方法是将CT扫描室直接作为手术室，在手术操作之前，将机器人机座与CT床的机座牢牢相连，组成一个结构化的手术环境。医生可以在手术中用CT机观测手术进展情况。但由于CT机价格昂贵，在一个手术期间(约2～4个小时)，其他医生或病人无法再使用该CT机。因此，这种方法与我国国情不符，我国大部分医院难以接受。

自1995年开始，北京航空航天大学与海军总医院合作开发研制了基于虚拟现实的机器人辅助神经外科系统。它的研究分为三个阶段：(1)基本的规划、空间映射和执行机构研究。(2)基于虚拟现实的交互导航方法研究。(3)具有遥操作功能的专用医疗外科机器人的设计。我们已经完成了第一阶段的原形系统设计，并在临床环境进行了实际手术操作。目前该系统主要由三部分组成：图象引导的规划系统、映射算法和相应的测量工具、PUMA262机器人和手术工具。系统的目的是要在计算机上完成穿刺路径的规划，确定目标靶点的坐标值，采用遥操作的方法完成同位素的植入。通过第一阶段的研究和实验为二、三阶段的开发将奠定重要的基础。

1系统构成及原理

机器人辅助微损伤神经外科手术系统的构成如图1所示。包括手术器械(包括同位素注入机构)、PUMA262机器人、力传感器及控制器、6自由度机械臂、图形工作站(SGI Indigo 2工作站)和控制计算机(PC586)。采用医疗外科机器人系统进行手术时，术前对病人进行CT扫描，取得8～10张CT图象，2D的CT图象经预处理：图象间的对齐、对象素点的灰度值进行规一化、边界提取、差值处理等后在图形工作站上进行用于规划的3D图象模型重建，通过机械臂医生可以在重建的三维图象模型上进行手术规划，进行穿刺靶点的坐标测试和穿刺轨迹的选择。手术时通过系统的力控制操作界面，进行标记点的坐标测量，实现基于标记点的图象空间与机器人操作空间的映射变换，通过该变换将医生在规划系统上获得的穿刺靶点和轨迹参数从图象空间映射到手术空间，然后，将相对于手术空间框架坐标系的穿刺靶点和轨迹参数传送给机器人控制器，机器人进入辅助操作的起始位置。外科医生们进一步会诊，对规划的路径进行进一步的检查，医生可以对穿刺路径作进一步调整，在调整过程中，力控制操作界面始终保持探针指向靶点。在临场选出穿刺的最佳轨迹后，在机器人精细运动控制下，手术器械被准确地送达靶点。医生通过该探针可以完成活检、排空、切除等手术。

图1系统的硬件构成

2重点解决的问题

2.1规划

传统的立体定向手术，病人在安装完框架后进行CT扫描，医生在CT片上进行靶点坐标测试，根据测试结果调试框架的三个定位坐标，决定穿刺路径的后两个自由度由医生根据经验完成。计算机辅助医疗外科的一个主要任务是在图形计算机上对手术进行规划和仿真，从而达到优化手术参数、提高临床治疗水平的目的。对于计算机与机器人辅助脑立体定向手术，为了准确地将探针或其它更精细复杂的外科器件引入脑内病灶点，进行活检、放疗、切除等操作，外科医生往往需要确定病灶点位置，以及在颅骨上钻孔的位置和姿态，同时还需要了解病灶点的大小以及与其他脑组织的相对位置关系。因此，首先一个重要任务就是进行脑图象的手术靶点定位，并在此基础上进行多条直线轨迹外科手术的规划。

由于全国各大医院各种新型CT机的广泛使用，不同规格大小的CT片不断出现，如一张9幅脑图的CT片已日益普遍。为了充分发挥国产立体定向仪的作用，并适应计算机辅助引导外科技术的最新发展趋势，我们完成了二维图象引导规划模块的研究。该系统的突出特点是适用于各种CT机拍成的CT片，在保持同样测量精度的条件下，完成靶点坐标的测量。当CT片图象输入计算机后，可以实时计算靶点的X，Y，Z坐标值，可以省去以往使用的坐标刻度盘和定位尺设备。另外，我们还在PC机WindowsNT平台上和SGI Indigo 2工作站上运用Open GL，研究开发了一个三维图象规划系统。我们知道与其它的CAD/CAM或面向模型的应用软件不同，医疗图象处理系统有它自身的一些特点，比如它的数据是组织结构表术，数据结构复杂，数据处理计算量大等等。规划软件由图象采集、二维图象预处理、3D头部模型的重建、模型的3D可视化交互式操作、手术用插入导管的路径仿真等部分组成。在具体3D重建时，应注意CT扫描时的一些约定，比如所需CT图象的数目、扫描厚度、图象间距和图象文档的结构形式。为了进行3D头部模型的重建，术前对病人进行CT扫描，以8mm间距获得8～10张CT图象。由于太多的CT片不仅给病人带来更多的放射性损伤，而且加大了病人的经济负担。因此需要对有限的CT片进行预处理：图象间的对齐、对象素点的灰度值进行规一化、边界提取、差值处理等，用处理后的2D图象进行3D重建。在显示3D图象的同时显示冠状、矢状和垂直面的剖视图。医生通过图形交互的方法进行穿刺轨迹的选择。轨迹确定后，相对于框架坐标系的轨迹参数将被传送给机器人控制器，机器人依此完成手术中的辅助操作。为了使基于图象的轨迹规划更易于操作，我们设计了一个6自由度的机械臂(亦称为观测棒)，将来医生可以用它实现组织的观测、剖面选取、轨迹的调整和选择，克服了用键盘和鼠标进行操作与医生不易掌握的缺点。二维和三维规划系统的效果如图2所示。

图2二维和三维图象引导规划