張嘯波，肖越勇

(中國人民解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853)

·綜述·

影像引導機器人系統(tǒng)在微創(chuàng)治療的臨床應用進展

張嘯波，肖越勇*

(中國人民解放軍總醫(yī)院放射科，北京 100853)

影像引導的微創(chuàng)治療技術在臨床診療工作中發(fā)揮著越來越重要作用。隨著科技進步，影像引導機器人技術逐步成熟，并可完成一定的臨床微創(chuàng)治療工作，彌補了手術過程中的諸多不足。本文主要對影像引導機器人系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及其在微創(chuàng)治療中應用進行綜述。

機器人系統(tǒng)；影像引導；微創(chuàng)治療

影像引導的微創(chuàng)治療技術，以其創(chuàng)傷小、準確性高、費用低、并發(fā)癥少等優(yōu)點，已成為臨床診療工作的重要組成部分[1-2]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，醫(yī)學機器人在影像引導微創(chuàng)治療領域發(fā)揮著越來越重要的作用，逐漸彌補手術過程中存在的諸多不足。

1 醫(yī)學機器人

醫(yī)學機器人是指應用于診斷、治療、康復、護理和功能輔助等諸多醫(yī)學領域由計算機控制的機械設備[3]，是多學科研究和融合發(fā)展的成果[4]。隨著機械電子技術由傳統(tǒng)的機械學、傳感技術，發(fā)展到與先進的微處理機結合成為新興技術并迅猛發(fā)展，生物醫(yī)學工程儀器領域中醫(yī)學機器人技術也得到快速發(fā)展。醫(yī)學機器人工程結合了各個學科最新研究成果，在幫助醫(yī)師進行精確診斷的同時，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)療風險[5]。

1985年，PUMA 560機器人首次應用于神經外科領域[4]，之后隨著醫(yī)學領域對安全性、準確性、無菌性等一系列復雜而又苛刻的要求，醫(yī)學專用機器人行業(yè)開始不斷發(fā)展[6]。在我國，北京航空航天大學最早開展此方面研究，并在影像引導定位、虛擬手術規(guī)劃與模擬、機器人輔助操作等方面取得顯著成果[1，7]。北京理工大學[8]、清華大學[9-10]、哈爾濱工業(yè)大學[11-12]及沈陽自動化研究所[13]等單位也均在此領域取得一定成績。應用在外科及介入醫(yī)學領域的醫(yī)學機器人根據其基本輸入端的不同方式分為兩類[6]，第一類醫(yī)學機器人由外科醫(yī)師進行操控，機器人則遵循醫(yī)生的輸入指令，通過機械臂代替或部分代替醫(yī)師操作手術工具，完成各種手術動作，輔助進行外科治療，例如達芬奇系統(tǒng)[14]。這類機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，但機器人系統(tǒng)完全聽從操作醫(yī)師指揮，本身無自主行為。第二類醫(yī)學機器人是通過外接醫(yī)學成像裝置，如CT[15]、超聲[16]、MRI[17]等，以醫(yī)學影像導航為基礎，并在影像反饋基礎上允許醫(yī)師進行控制操作來完成手術，如影像引導機器人系統(tǒng)。這類機器人系統(tǒng)在特殊算法驅動下在有限的影像空間內運作[18]，通過這些影像引導方式，機器人系統(tǒng)可在醫(yī)師的指令和監(jiān)視下執(zhí)行任務，較第一類醫(yī)學機器人具有更高的自主性[6]。

2 影像引導機器人系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構成及研究內容 影像引導機器人系統(tǒng)在微創(chuàng)治療領域的研究重點主要包含導航子系統(tǒng)和手術操作子系統(tǒng)[19]。導航子系統(tǒng)是將術中患者的影像數據，經過輸出及匹配、計算機三維重建、圖像顯示等技術處理后對手術過程進行指導。這些影像數據被統(tǒng)一儲存在同一個空間坐標系中，即虛擬空間坐標系。而手術操作子系統(tǒng)中的手術器械、靶區(qū)及患者體表的實際位置處于成像設備(所處的現(xiàn)實空間中即介入手術室)中，即實際空間坐標系。將這兩個坐標系進行匹配，即可通過影像引導機器人系統(tǒng)實現(xiàn)術中實時操作。醫(yī)生通過導航子系統(tǒng)輸出的術中影像對操作子系統(tǒng)下達指令，而操作子系統(tǒng)在導航子系統(tǒng)(虛擬空間坐標系的位置數據)的幫助下解讀指令，實時確定手術靶點、器械的空間位置及需要運動的方向和距離，最終使這些信息都以實際位置及動作形式反映在手術室的現(xiàn)實空間中[2-3，6]。醫(yī)師既能隨時了解患者二維或三維的組織結構影像，也能更安全、更精準地完成手術操作[20]。

1986年，第1例影像引導機器人系統(tǒng)由美國Roberts引入，其將CT影像和手術顯微鏡結合起來，并運用超聲定位引導手術，在臨床上獲得了成功[21]。隨著技術發(fā)展，機器人系統(tǒng)逐漸成為影像引導微創(chuàng)治療領域研究熱點[22]，但因其開發(fā)過程中存在各種技術挑戰(zhàn)，故發(fā)展進程緩慢，未完全普及[6]。

2.2 成像設備 醫(yī)學影像作為影像引導機器人的信息源、最終輸出及交互資料形式，是系統(tǒng)運轉的基礎。目前臨床中常采用的影像引導方式主要有CT、超聲、MRI等[21]。不同影像引導方式各有其優(yōu)劣勢：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構，特別是對于肺部病變的顯像具有無法替代的優(yōu)勢[2]，但其在成像過程中會對患者產生一定的輻射，并且其引導的肺部病變穿刺及治療易受呼吸運動的影響[23-24]；超聲顯示實質臟器及淺表器官的能力較強，并能實時監(jiān)測診療過程，但對于氣體、骨骼、深部組織結構等的顯像效果較差；MRI具有獨特的功能成像能力，對檢出病灶的敏感度較高且對一些超聲和CT無法顯示的特殊部位病灶成像優(yōu)勢明顯，但MR成像速度較慢、對介入操作器械具有很強的限制性，故其在臨床應用中有很大的局限性[25]。

在微創(chuàng)治療中，僅超聲和透視引導可實現(xiàn)術中實時成像，但超聲空間及密度分辨率較低，成像范圍有限，透視對患者及醫(yī)師均會產生較大劑量的輻射。而CT、MRI引導微創(chuàng)治療過程多數仍采用體表定位、傳統(tǒng)步進式穿刺技術[23，26]，醫(yī)師需根據術前影像憑借個人經驗進行操作，且缺乏實時動態(tài)影像導航，術中常會產生誤差，需通過多次術中成像進行校正，不僅增加了患者的受輻射劑量，也會導致手術時間延長、并發(fā)癥風險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，對術中影像引導的需求也越來越迫切。CT作為應用范圍較廣的成像技術，逐漸成為影像引導機器人系統(tǒng)結合熱點之一[2,21]。

2.3 影像引導機器人導航系統(tǒng) 目前，根據空間定位技術不同，機器人導航系統(tǒng)分為兩類:一類是利用成像設備本身的空間坐標系進行物理定位，即直接將機械臂固定于成像設備或附近區(qū)域，并對其位置進行校準(機械定位)；一類利用光學系統(tǒng)[27]、電磁傳感器、超聲傳感器、深度相機等方式對器械、患者體表信息進行采集，反饋至系統(tǒng)后進行空間定位[28]。這兩類技術的共同目的都是為了兩個坐標系的配準。

機械定位系統(tǒng)最早應用于臨床，早期采用的框架式機械定位系統(tǒng)體積龐大，嚴重影響醫(yī)師操作，故目前多采用機械底座連接機械臂的定位方式，手術器械可固定在機械臂末端上進行操作，空間利用率高。光學定位系統(tǒng)通過探測固定在手術器械和患者體表的目標點的空間位移信息，將數據反饋至系統(tǒng)確定各目標點的空間位置，其精度可達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成的發(fā)射磁場，接收裝置是磁接收信號器，通過接收位于患者體表和穿刺針內的位置傳感器的實時數據，計算其空間位置并將相對位置關系結合術中影像顯示[29]。機械定位系統(tǒng)準確率高，但穿刺過程中易導致器械變形，且缺乏可視化圖像引導；光學導航系統(tǒng)及電磁導航系統(tǒng)具有較高精度，但在穿刺過程中易受環(huán)境影響、穩(wěn)定性較差[28]，光學導航易受障礙物干擾致缺乏靈活性[27]。

2.4 影像引導機器人手術操作系統(tǒng) 影像引導機器人手術操作系統(tǒng)由成像反饋設備、空間定位設備、機械操控裝置及操作工作站構成。機器人手術操作系統(tǒng)在醫(yī)師操作下完成一系列微創(chuàng)治療手術操作。早期影像引導機器人手術操作系統(tǒng)均在機械定位系統(tǒng)上建立，直接將末端操作設備或具有一定自由度的機械臂[30](通常為3個以上自由度[2,28])連接于工作臺，在實時超聲或術前CT、MRI影像引導下進行手術操作[31]，如約翰霍普金斯大學開發(fā)的AcuBot機器人[32]。隨著新型定位技術的不斷產生及機械臂工藝的日趨改善，機器人手術操作系統(tǒng)也經歷著從繁至簡、從術前圖像引導至虛擬實時圖像引導、從單針手術到多針手術、從機械輔助至人工操控等諸多變化。發(fā)展進程中，操作系統(tǒng)機械臂的自由度最高達到11個[33-34]，使手術操作精度高于醫(yī)師徒手操作。北京航空航天大學所開發(fā)的神經外科手術機器人[35]、清華大學與中國人民解放軍總醫(yī)院聯(lián)合開發(fā)的肝臟腫瘤穿刺機器人[36]等也均已完成了相關的動物實驗，取得一定成果。

3 現(xiàn)狀分析與存在問題

經過30年的發(fā)展，影像引導機器人系統(tǒng)呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢，在微創(chuàng)治療中發(fā)揮著越來越重要的作用，但是尚存在一些問題。

(1)各種影像引導方式各有優(yōu)劣勢，其適用靶器官不盡相同[1]?，F(xiàn)階段的影像引導機器人系統(tǒng)多采用單一成像模式進行導航[15]，并未將各類影像引導方式的優(yōu)點相結合，若能采用多種成像相結合對手術機器人模型進行塑造，將大大提高機器人系統(tǒng)的效能及適用范圍。

(2)經皮穿刺微創(chuàng)治療手術中患者不自主運動及呼吸動度是術中不可控因素，因此術中患者的實時狀態(tài)能否真實反映在機器人系統(tǒng)的導航圖像中，是決定手術準確性及安全性的關鍵?，F(xiàn)有的影像引導機器人系統(tǒng)除超聲[37]、CT透視引導[38]外均不能達到術中實時顯像，故目前多數仍采用參照術前圖像等多種虛擬實時方法結合呼吸門控等補償算法來完成術中導航，雖然在一定程度上減小了穿刺誤差，但并不能真實反映出術中患者、靶器官及穿刺器械的情況。

(3)我國臨床工作中采用影像導航機器人系統(tǒng)只能協(xié)助完成導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機器人那樣實現(xiàn)通過醫(yī)師操控機械裝置來完成手術。

綜上所述，影像引導機器人系統(tǒng)為臨床微創(chuàng)治療工作的開展提供了一定支持，避免了因醫(yī)師手術經驗不同而產生的誤差及并發(fā)癥，提高了手術安全性及精確性，但是仍有一些問題亟待解決。

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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

國家自然科學基金(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