面向脑外科微创手术的医疗机器人系统

  本文关键词：面向脑外科微创手术的医疗机器人系统，由笔耕文化传播整理发布。

脑外科手术机器人

《机器人技术与应用》

面向脑外科微创手术的医疗机器人系统
□ 丑武胜 王田苗

北京航空航天大学 机器人研究所
[ 摘 要 ] 机器人为微创外科手术的实施提供了有利的技术支持。本文针对传统脑外科手术的不足 , 开发研制了一套机

器人辅助脑外科微创手术系统 ,

主要由 5 自由度机器人、手术规划和导航软件及基于标志点的标定模块组成 , 其中机 器人系统不仅可用于系统标定和导航 , 而且可作为手术的支撑平台。该系统已应用到临床中 , 成功完成了大量的微创 脑外科手术。
[ 关键词 ] 微创手术 , 医疗机器人

引

言

成了商品化 , 如荷兰 PHILIPS 光电引导的神经外科导 航系统 Easy Guide Neuro , 德国 ZEISS 公司脑神经显微 外科机器人系统 MKM/ SMN , 日本 Immi 公司神经外 科机器人系统 NeuroMate , 瑞士 LEICA 公司用于神经 外科手术机器人系统 WILDM695 , 美 国 SOFAMOR
DANEK 公 司 光 电 引 导 的 图 像 引 导 外 科 导 航 系 统 StealthStation 和 BrainLAB 公司的光电引导的图像引导

传统的脑外科手术一般需要进行开颅 , 创伤大 , 不仅给病人造成了很大的痛苦 , 术后恢复慢 , 而且 医疗费用也很高 。立体定向脑外科手术是近年来取 得迅速发展的微创伤脑外科手术方法 , 手术时将一 个金属框架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 , 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 , 最后 对病灶点进行活检 、放疗 、切除等手术操作 。立体 定向框架一方面保证了定位的稳定性和准确性 , 但 另一方面也限制了手术的方便性和灵活性 , 缩小了 实施手术的空间 , 并给病人带来了额外的创伤 。 以微创伤为主要目标的现代立体定向神经外科 , 正朝着精细化 、程序化方向发展 。无框架脑立体定 向手术代表了这一发展趋势 ,并已逐渐成为新的研究 和应用热点 。在无框架立体定向手术中 ,涉及的核心 问题是规划 、配准 ( registration) 和导航 ( navigation) 。 国外已研究开发出神经外科规划导航系统 , 有些已完

外科导航系统VectorVision , 瑞典 Elekta 公司机械数字 化臂的外科导航系统 The Viewing , Wang 及 Elekta 公 司并联机构七自由度医用机器人系统 Surgiscope , 等等 。但这些系统造价昂贵 , 其中有些规划与导 航系统依然基于框架定位的方法 ; 有些虽可为医 生提供一个规划的工具 , 但缺乏对手术进行支持 的工具 。 本文将机器人技术引入到脑外科微创手术中 , 利用机器人来辅助完成脑外科手术的规划和导航 , 不仅实现了无框架脑外科微创手术导航和定位 , 而 且可在手术中作为手术的支撑平台 , 协助医生完成 手术操作 。

努力下 , 我国用于生物基因工程的机器人研究有了很 大的发展 , 已具备了该种机器人产品化的能力。目前 正处于国家的发展时期 , 具有良好的社会环境 , 面临 经济上升的机遇 , 但也面对来自外界与自身的挑战。 历史经验告诉我们 , 机遇与挑战永远并存 , 所以 , 科 学技术是永恒的生产力。 从目前来看 , 技术的改进与新产品的应用要投入 ? ? 18

大量的人力、物力。我们应采取广泛吸取国外先进技 术的做法 , 为我所用。这样既可以节约大量资金 , 避 免不必要的浪费。还可以缩短研制周期 , 尽快赶上国 际同类机型的水平。北京机械工业自动化研究所与中 科院华大基因中心采取强强联合 , 优势互补的策略 , 团结协作 , 决心为我国生物工程机器人事业的发展作 出贡献。

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1. 无框架立体定向手术的系统总

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靠。人机交互规划与导引分为两部分 : 二维术前规划 系统和机械臂导引与定位系统 。二维术前规划系统辅 助医生作出病情诊断 , 对病变点几病灶进行定位 。机 械臂导引与定位系统在术前规划的基础上 , 在计算机 上对机械臂进行导引与定位。
2. 1 二维术前规

体结构
我们研究的无框架立体定向手术系统的结构如 图 1所示 。系统由计算机规划和导引软件 、五自由度 机械臂、基于标志点的标定模块等三部分组成。

划系统 由于二维术前规划 系统处理的是病人的各 种扫描图象 , 其主要功 能包括 : ● CT 、 MRI 图 象的扫描输入 , 自动分 割和提取、自动对准系 统提供了通用的扫描仪
图 1 无框架立体定向系统结构框图

驱动 , 可以直接将胶片

手术时首先将标记点固定在病人头上 , 然后进行
CT 扫描 。将 CT 扫描的结果送入计算机 , 进行三维重

扫描输入 。系统通过输入患者的 CT 、 MRI 图象 , 自 动将大片分割为数张单独的小片 , 从而可以使医生对 其关注的部分详细观察 。我们在这里采用了基于统计 的二级阈值的图象识别技术 , 可以准确的将大部分小 片识别出来 , 同时进行匹配和对准。 ●病灶的自动/ 手工提取 , 靶点和标志点的输入 系统提供了十分友好和方便的交互工具 , 医生可 以方便的使用 , 对患者的病灶进行勾画 , 确定患者的 手术路径和靶点 。系统采用了独有的扫描线边界提取 算法 , 可以自动对图象进行轮廓提取 , 大大减轻了医 生的工作强度。 ●病灶的参数测量和病历的自动输出 系统可以根据医生对病灶的勾画 , 自动构造出患 者病灶的三维模型 。计算出病灶的体积以及长短轴 , 从而为医生的手术规划提供全面的准确的信息 。同时 系统可以实现病历输入输出以及存储的电子化。
2. 2 三维机械臂导引与定位系统

建 , 在图像空间进行四个标记点和手术靶点的坐标测 量 , 并进行手术规划 , 规划好的路径显示在重建的三 维模型上。手术时病人的头部与手术床相对固定 , 用 机械臂在机器人操作空间对标记点进行测量 。利用标 记点在机器人操作空间和图象空间的测量结果计算从 机器人操作空间到图象空间的映射变换 。在机器人操 作空间中移动机械臂末端的手术探针 , 导引软件将此 时探针的位姿实时地显示在图象空间中 , 当手术探针 图象的轴向与规划的轨迹重合时锁定机械臂 。医生以 固定在机械臂末端的工具作为手术器械的固定支架 , 进行各种手术操作

2. 人机交互规划与导引
在机器人辅助脑外科手术系统中 , 医生依然是整 个手术过程中的主体 , 因此 , 友好的人机交互系统是 成功实现无框架脑外科手术的重要基础 。我们利用计 算机技术和虚拟现实技术 , 开发了相应的手术规划和 导引软件。计算机辅助规划和导引系统的主要任务是 手术前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 , 同时 在手术中通过重建的三维病人模型和医疗器械跟踪 系统对手术过程进行可视化显示 , 使手术更加安全可

三维系统建立在病人的三维模型与机械臂结合的 基础上 , 在术前规划的基础上向医生提供一个三维的 患者头部模型 , 使医生从计算机中观察到病人的脑部 及机械臂的运动 。该系统抛弃了以往立体定向手术中 沉重的框架结构 , 采用了计算机指导下的标志点与机 械臂定位技术 , 从而大大的降低了病人的痛苦和手术 ? ? 19

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成本。医生在计算机和机械臂的辅助下准确定位后 , 可以通过机械臂上的手术系统进行立体定向脑外科手 术 , 如图 2 所示。 ●标记点的校准

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系统的一大特色是抛弃了原来辅助手术系统中笨 重的框架结构 , 采用了轻便的标记点的定位机制 。这 就需要计算机与机械臂的紧密结合 。系统提供了准 确的三坐标系转换方法和工具 , 使定位精度得到了保 证。 系统在进行计算机模型 、实际患者 、机械臂的结 合时 , 使用了基于标记点的定位方法 , 在系统中建立 起计算机坐标 、患者坐标 、机械臂坐标的变换公式 , 从而使系统可以随时监控机械臂的运动 , 并将其位置 以及患者头部正确位置反映在计算机上 , 医生可以在 计算机上实时观察机械臂的运动 , 预测其在患者脑部 的位置和动作。 ●机械臂导引与定位 由于系统可以准确地完成机械臂 、计算机模型 、 实际患者之间的影射 , 医生可以在计算机上对机械臂 的动作和位置有精确的显示 , 系统可以计算出当前机 械臂与预定位置 、姿态的误差 , 同时系统提供了对三 维场景的多角度 , 多距离的观察 , 从而可以准确的将 机械臂制导到事先计划的位置和姿态上 , 完成钻颅前 的精确定位。 系统同时可以计算出机械臂与预定靶点之间的距 离 , 从而为穿刺以及放射性同位素的注射提供有力的

图 2 手术规划和导引流程

帮助。

其主要功能包括 : ●床病灶三维模型的重构及显示 系统重构出患者的病灶三维模型及头部表面模 型 , 医生可以在计算机中对患者脑部进行对任意角度 任意距离的观察 , 使医生对于患者病情有一个立体的 认识 , 同时也可以使系统对机械臂的制导和定位更加 直观和准确。

3. 5 自由度医疗机器人设计
微创手术机器人与传统工业机器人有明显区别 , 在机器人机构方面需要解决高绝对位置精度 、主动柔 顺和与手术环境匹配的工作空间等重要问题 。我们先 后研制了 5 自由度被动式医疗机器人 (图 3 和图 4) 和主 动式医疗机器人 (图 5) , 并完成了新型 5 自由度主动式 医疗机器人 (图 6) 伺服控制系统的设计与调试。

图 3 无锁定被动式机器人

图 4 带锁定被动式机器人

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图 5 主动式医疗机器人

图 6 新型主动式医疗机器人

4. 实验测试及临床应用
在无框架立体定向手术系统用于临床应用前 , 我们进行了大量的实验测试和实际手术模拟实验工 作 , 其方法与有框架立体定向手术系统一致 。在临床 应用前我们进行了多次仿真实验 , 实测的穿刺误差小 于 2mm 。
1999 年 4 月 20 日在海军总医院 , 采用无框架立体

穿刺针到达靶点后 , 抽吸出囊液 , 最后注入放射性同 位素 , 辅助手术完成 。然后 , 医生对患者眼睛 、手脚 的运动情况进行术后常规检查 , 结果一切正常 。最 后 , 对患者进行简单的包扎后 , 患者自己走出了手术 室 。手术整个过程顺利 , 患者无不良反应 。从扫描定 位至手术结束拔出穿刺针历时 60 分钟 。术后观察 1 周 , 患者恢复良好 , 无手术并发症 , 右上肢功能基本 恢复。 在进行了首例临床手术后 , 我们又陆续采用机器 人辅助立体定向外科手术集成系统 , 成功进行了 400 多例临床手术。

定向外科机器人辅助操作系统 , 进行了首例无框架脑 部肿瘤外科手术。 患者 , 男 , 63 岁。 术前诊断 : 脑深部 囊肿。 手术时首先将标记点固定在病人头上 , 然后进行
CT 扫描 。将 CT 扫描的结果送入计算机 , 进行三维重

建 , 在图象空间进行三个标记点和手术靶点的坐标测 量 , 并进行手术规划 , 规划好的路径显示在重建的三 维模型上。手术时病人的头部与手术床相对固定 , 用 机械臂在手术空间对标记点进行测量 , 如图 7 所示 。 利用标记点在手术空间和图象空间的测量结果计算从 手术空间到图象空间的映射变换 , 在手术空间中移动 机械臂末端的手术探针 , 导引软件将此时探针的位姿 实时地显示在图象空间中 , 当手术探针图象的轴向与 规划的轨迹重合时锁定机械臂 。医生以固定在机械臂 末端的工具作为手术器械的固定支架 , 进行钻孔和插 入探针 , 其后准确地将探针送达靶点 , 如图 8 所示 。

5. 结束语
临床实践表明 , 我们研究实现的机器人辅助立体 定向外科集成系统 , 可以提高定位的精确度和实现操 作的可视化 , 简化手术操作过程 , 方便术者操作并减 少手术创伤 , 缩短了病人的康复时间 , 加强了手术的 安全性和灵活性 , 并可避免放射性药物对医务人员的 伤害 , 为实施脑深部肿瘤外科手术提供了新的途径 。 另外 , 该项目研究的有关成熟技术可以应用于微创伤 显微外科 、内窥镜腹腔外科 、脊椎外科 、矫形外科等 其它医疗手术中。
参考文献共 6 篇 (略)

图 7 无框架定位

图 8 手术穿刺

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