李茂林，連婧閣，李康安

(1.上海交通大學醫(yī)學院研究生院，上海 200025；2.上海市第一人民醫(yī)院醫(yī)學影像科，上海 201600)

乳腺癌是女性最常見的惡性腫瘤之一，發(fā)病率逐年增加[1]，嚴重危害女性健康[2]。早發(fā)現(xiàn)、早治療對乳腺癌患者具有重要意義。目前我國上海地區(qū)TNM Ⅰ期乳腺癌患者治療后5年生存率可達95%以上，而Ⅲ～Ⅴ期患者5年生存率為70%以下[3]。

影像學引導下微創(chuàng)穿刺活檢是實現(xiàn)早發(fā)現(xiàn)、早治療乳腺癌的重要途徑之一。乳腺癌的影像學檢查方法主要包括乳腺X線、B超及MRI等。MRI具有極高的軟組織分辨率，且可通過不同掃描序列和增強掃描等方式提供更多信息，顯示腫塊內(nèi)血管及灌注等情況，是目前最為有效的乳腺影像學檢查手段[4-6]。盡管MR引導下乳腺穿刺活檢的特異性、準確率和成功率均較高[7-9]，但受患者呼吸運動、體位變化及穿刺引起的組織變形等因素的影響，難以保證穿刺的精度；且自定位掃描到進針穿刺所用時間較長，也導致其準確率降低。利用手術(shù)機器人裝置進行操作是提高穿刺效率和精度的理想途徑。相比人工操作，利用手術(shù)機器人進行操作具有多方面優(yōu)勢，其靈活性好、精度高，工作穩(wěn)定，且可以根據(jù)實際情況設計并調(diào)整其結(jié)構(gòu)，使之更加適應手術(shù)操作空間。目前已有大量機器人系統(tǒng)廣泛用于外科手術(shù)、康復治療及穿刺活檢等領(lǐng)域，并取得顯著進展。MR工作環(huán)境特殊，對MR引導下乳腺穿刺活檢機器人的設計要求更為嚴苛。本文針對MR引導下乳腺穿刺活檢機器人研發(fā)及應用進展進行綜述。

1 MR環(huán)境特點及限制

MR引導穿刺活檢機器人雖具有較高準確率，但受工作環(huán)境制約嚴重。一方面，MR檢查環(huán)境常較狹窄，臨床使用多數(shù)MR掃描設備為封閉式，寬度多為1～2 m，空間狹小，難以安裝和運行普通穿刺活檢設備；另一方面，MR環(huán)境中存在大多為1.5～3.0T范圍內(nèi)的強磁場，部分金屬材料會受其影響，強大磁場可致其溫度升高和位移，對機器人的運動性能產(chǎn)生嚴重干擾；且金屬材料也會在MRI中產(chǎn)生明顯偽影而導致圖像失真。上述各點對MR引導穿刺活檢機器人的本體、驅(qū)動設備及控制設備的結(jié)構(gòu)設計和材料選取等均構(gòu)成了嚴苛限制。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對上述問題，研究者們采取各種途徑來減少MR環(huán)境對穿刺活檢機器人的影響。KAISER等[10]開發(fā)了名為“ROBITOM”的MR兼容乳腺穿刺活檢手術(shù)機器人系統(tǒng)(圖1)，穿刺過程中患者俯臥于檢查床上，機器人通過一條向前探出的機械臂對腫瘤部位進行穿刺活檢操作，體外測試結(jié)果顯示其準確率較高。PFLEIDERER等[11]將該系統(tǒng)用于臨床，7例乳腺癌中，5例穿刺活檢結(jié)果與手術(shù)病理診斷結(jié)果完全一致，誤診1例侵襲性腫瘤，漏診1例導管癌。

圖1 KAISER等[10]設計的MR引導下乳腺穿刺活檢機器人示意圖 1.患者支撐板； 2.可向前伸出的機械臂； 3.活檢槍； 4.穿刺針； 5.乳腺； 6.病灶(靶點)

LARSON等[12]設計了一款具有5個自由度的MR兼容乳腺介入機器人(圖2)，該裝置由超聲波電機提供動力，將其整體置于患者胸部下方。該系統(tǒng)設計用途為檢測單側(cè)乳腺，占用空間相對較小，操作者可以之從不同方向、不同角度對乳腺進行穿刺；如欲檢測雙側(cè)乳腺，則待完成一側(cè)穿刺后重新固定，再行穿刺另一側(cè)。由于力的傳輸距離較遠，該裝置存在一定系統(tǒng)誤差。

圖2 LARSON等[12]設計的MR引導下乳腺穿刺活檢機器人示意圖 1.患者支撐板； 2.遠程控制裝置； 3.超聲波電機； 4.伸縮軸； 5.角度調(diào)節(jié)裝置； 6.穿刺針及其夾具； 7.乳腺

YANG等[13-14]設計了具有6個自由度的主從式乳腺穿刺活檢機器人，利用主機器人來操縱從機器人，由壓電式電機和氣缸聯(lián)合驅(qū)動，以減輕設備所受磁場的影響，醫(yī)師可通過MR進行實時掃描，并調(diào)整穿刺針的位置和方向，動物實驗結(jié)果顯示穿刺準確性較好。

CHAN等[15]開發(fā)的名為IGAR的穿刺活檢系統(tǒng)由3個部分組成，即機械臂、穿刺工具集及患者固定裝置，其中穿刺工具集采用ATEC公司提供的穿刺系統(tǒng)及真空輔助穿刺活檢針，從患者正前方而非側(cè)面穿刺，更適用于狹窄的MR環(huán)境；測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)未在MR環(huán)境中發(fā)熱及產(chǎn)生偽影，系統(tǒng)精度為0.2～0.3 mm。

PARK等[16]設計了使用可彎曲穿刺針進行穿刺的設備，其主要特點為穿刺針可以彎曲，因而系統(tǒng)也可從側(cè)面進行穿刺。利用該系統(tǒng)，醫(yī)師僅需在MRI上標出病灶位置，機器人導航系統(tǒng)自動計算穿刺路徑，經(jīng)醫(yī)師確認后即可自動進行穿刺。該設備可以整合多種不同MR設備、搭配不同操作裝置，將之作為MR引導下腫瘤穿刺活檢或消融治療機器人的組成部分。

NAVARRO-ALARCON等[17]開發(fā)了一款不含金屬材料、適用于MR環(huán)境的乳腺穿刺機器人。大多數(shù)乳腺病變位于乳腺外上象限，從外側(cè)進針進行穿刺活檢成功率更高。此款結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間較小的機器人既可從乳腺側(cè)面、也可從乳腺正前方進行穿刺，可在MR掃描室內(nèi)、甚至于掃描同時進行穿刺，極大提高了工作效率。

VINCENT等[18]設計了一款名為Stormram的具有4個自由度的乳腺穿刺機器人，使用串聯(lián)式運動鏈，占用空間較小，可從患者乳腺側(cè)面進行穿刺；測試結(jié)果顯示，在MR環(huán)境下裝配巴德14G(100 mm)穿刺針對乳腺模型進行穿刺時，其定位誤差為(1.29±0.59)mm。

國內(nèi)相關(guān)研究亦已取得進展。孟紀超等[19]開發(fā)了一種MR環(huán)境下具有6個自由度的穿刺定位機器人系統(tǒng)，由磁場兼容材料制成，可滿足穿刺機器人與MR環(huán)境中的結(jié)構(gòu)與材料兼容性，并實現(xiàn)MR環(huán)境下穿刺活檢機器人輔助定位，但其機器人懸臂需要支撐其穿刺裝置，導致末端負載較大。

婁金龍[20]設計了一種絲傳動機器人，可用于MR導航下乳腺癌穿刺活檢或近距離植入內(nèi)照射粒子。絲傳動可以實現(xiàn)遠程驅(qū)動，基于絲傳動的設計能夠在很大程度上減小機器人尺寸，因而在一定程度上免受MR環(huán)境的限制；其有效性已為水凝膠乳腺模型穿刺實驗結(jié)果所證實。袁小航等[21]設計的新的絲傳動繞絲方式解決了絲傳動過程中的脫絲及繞絲錯亂等問題。

阮彥飛[22]兼顧材料、結(jié)構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的兼容性要求，采用非金屬材料如尼龍、聚甲醛等制作機器人本體，以順磁性材料如非磁性不銹鋼制作活檢針等，研發(fā)出一款由定位裝置、位姿調(diào)整模塊和穿刺模塊組成的具有4個自由度的乳腺穿刺活檢機器人，可滿足MR環(huán)境下的乳腺介入穿刺手術(shù)需求。

3 小結(jié)與展望

目前MR引導下乳腺穿刺活檢機器人研究已取得顯著進展。通過采用精密設備、縮小機器人體積以解決MR環(huán)境限制問題，應用磁場環(huán)境兼容材料應對強磁場的干擾，并以各種不同設計將大部分主要控制部件安置于相對較遠位置等，現(xiàn)已將MR環(huán)境對穿刺活檢機器人的影響控制在可接受范圍內(nèi)，并在體外測試中獲得了較高準確率。然而MR引導下乳腺活檢機器人仍然面臨一系列挑戰(zhàn)。目前絕大多數(shù)研究關(guān)注重點在于機器人模型設計、穿刺建模和控制系統(tǒng)研發(fā)，而對于機器人在實際臨床工作中的應用，包括體內(nèi)及體外觀察相對較少涉及。受限于醫(yī)學倫理及技術(shù)水平等因素，目前僅有極少數(shù)臨床試驗研究，未有任何研究通過臨床認證并實際用于臨床實踐。

另一方面，隨著技術(shù)的進步，MR引導下乳腺穿刺活檢機器人相關(guān)研究日漸深入，設計越來越先進，誤差逐漸縮小，與MR環(huán)境的兼容性也在逐漸改善。相信不久的將來，MR引導穿刺活檢機器人系統(tǒng)乳腺穿刺活檢系統(tǒng)將能承擔越來越多的工作，為臨床早期診治乳腺癌提供更大幫助。