微创神经外科机器人技术

**章　神经外科机器人介绍和历史 Anton.Fomenko， Fatima.Ezzahraa.El Idrissi， Narjiss.Aji， Oumaima.Outani， Kenza.Benkirane， Hajar.Moujtahid， Mohammed.Maan.Al-Salihi，Demitre.Serletis 在当前的第四次工业革命时代，人们对数字化和自动化的需求不断增加，医疗保健领域也同样发生了相应变化，精确度极高的外科手术尤其受益于这种变革。手术机器人正在不断重塑这一领域，外科医生的工作方式也产生了革命性变化。神经外科是外科领域中首先采用机器人进行手术的专科。1985 年，人们使用Unimation这种将工业用设备改装的手术机器人——可编程通用装配机（programmable universal machine for assembly，PUMA）200，对脑内深部病变进行了立体定向活检手术，标志着机器人技术成功引入了神经外科。 神经外科领域非常适合进行机器人手术。大脑复杂的三维解剖结构具有难以计数的神经网络连接，还有被覆或包裹于大脑的血管，它们都可以完全映射到计算机化的立体坐标参考系上。而容纳着脆弱大脑的刚性颅骨，在固定于所需位置后，则可作为稳定的三维坐标配准注册和手术计划参考点。此外，神经外科手术操作的技术性很强，显微手术更是耗时长久。在漫长的手术过程中，外科医生容易出现疲劳和微小的肢体震颤。因此，手术机器人技术成为神经外科手术的重要辅助设备是显而易见的。 依据与手术医生之间的交互方法、机器人技术、设备特征等，手术机器人可分为不同类型。根据外科医生与机器人交互的方式，可分为以下三种主要类型。 监督-控制系统：目前已经广泛用于立体定向和脊柱手术，它的手术机械臂可以移动到预定的位置并根据一系列预编程指示完成操作。机器人在手术室与患者的颅脑位置配准注册后，可以自动执行由外科医生根据CT或MRI检查制订的手术操作。外科医生可以接着完成余下的手术步骤，而不需要机器人辅助。 主-从控制系统：用于远程遥控神经外科手术或者在恶劣环境下进行手术操作，神经外科医生实时控制机器人的运动。外科医生通过监视器或目镜实时观看手术野，并通过控制站在线操纵机械臂，将操作指令传达给远程操作的机器人。 共享控制系统：系主动和被动系统的结合。外科医生直接在手术区域进行操作，而不是从远程控制台进行遥控。共享控制机器人将外科医生的操作动作进行强化或过滤，以实现更高的精度操作或触觉控制。 本章拟对机器人技术在神经外科中的历史和发展及其未来前景进行概述，重点介绍机器人在立体定向外科和显微神经外科的应用。 一、立体定向机器人技术的发展 立体定向“stereotaxy”这个词是由希腊语“stereos”（意思是“三维”）和“taxes”（意思是“排列”）组成。与其他手术学科一样，神经外科手术追求*精准的操作和*小的创伤。一般来说，立体定向神经外科手术步骤如下：有参考框架或无框架定位系统，对患者特定基准点的配准，以及手术路径规划。在手术过程中，外科医生不仅需要在手术室长时间站立，而且在对器材设置、数字输入、校准和验证坐标进行人工手动操作时，都可能因为人为错误而造成患者伤害。为了应对这些挑战，机器人辅助手术已被自然地整合到神经外科领域。除上述各方面优点外，机器人手术还可以提高操作效率，增加靶点准确性，提升手术过程的整体安全性。手术机器人技术现已集成到神经外科的多个领域，包括功能性神经外科、小儿神经外科、放射外科、内镜颅底外科、脊柱外科和癫痫外科 。现在，许多手术都可以依靠手术机器人进行，包括脑深部肿瘤活检、脑室内置管（包括内镜下第三脑室造瘘术）、脊柱固定手术中的椎弓根螺钉置入、激光消融手术、深部脑实质/脑室内出血引流、脑深部电刺激（DBS）和立体定向脑电图（SEEG）的电极置入。 历史上，对颅内病变进行准确定位具有极大挑战性。早期的人类学和颅相学曾将基本的数学工具与简单的机械相结合，尝试在形态学上对大脑进行定位。在1860年，皮埃尔 保罗 布罗卡（Pierre Paul Broca）开发了一系列特殊用途的卡尺，如下颌角测角仪及平面和立体颅骨描绘装置，用于对重要的颅骨标志进行定位，如枕外隆凸和眉心。1903年，瑞士医生埃米尔 特奥多尔 科赫尔（Emil Theodor Kocher）开发了一种精巧的颅骨测量计，可应用于测量各种大小和任何年龄组的头颅以定位颅内结构，如外侧裂。著名的哈维 库欣（Harvey Cushing）医生后来用它定位脑内的某些靶区。1918年，数学家罗伯特 亨利 克拉克（Robert Henry Clarke）和神经外科医生维克托 亚历山大 海登 霍斯利爵士（Victor Alexander Hayden Horsley）开发了**个基于直角坐标系的实用立体定向框架。后来，加拿大神经解剖学家奥布里 马森（Aubrey Mussen）对其进一步改造后应用于人类大脑。马森的人体立体定向装置原型虽然领先于时代，但几乎不为人所知。直到几十年后，亨利 T. 威克斯（Henry T. Wycis）和欧内斯特 A. 斯皮格尔（Ernest A. Spiegel）对 Horsley-Clarke装置进行了重要改良，基于框架的人体立体定向手术于1947年才被正式成功地应用于临床。它为立体定向和功能技术在神经外科领域的快速发展铺平了道路。 在接踵而来的几十年中，无框架立体定向系统和更为精细的神经影像进一步拓展了神经外科手术的应用。例如，在皮肤上贴附不透X线的基准点或以激光配准，避免了在颅骨上安装刚性立体定向框架，提高了手术灵活性和患者舒适度。与此同时，CT、MRI的相继发展也为现代无创立体定向技术奠定了基础，如通过对脑内特定靶区的精确定位，人们可以进行伽马刀放射外科和高强度聚焦超声治疗。 应用于脑立体定向手术中的**个机器人是诞生于1985年的Unimation PUMA 200，人们将其用于CT引导下脑组织活检，**次穿刺就达到了靶点并取出了可以用于诊断的组织。对机器人进行适当校准后，其目标精度为1.0mm（可重复精度达到0.05～0.1mm），并缩短了手术时间（与无机器人辅助的有框架活检手术相比）。 然而，由于缺乏医疗安全证明和无法补偿术中脑移位，PUMA 200在其开创性的手术演示后，不再被临床使用。 1986年首次成功地进行现代无框架CT影像配准后，适用于神经外科手术的机器人得到了迅速发展。这些创新性的系统包括Minerva（洛桑大学，瑞士）、Zeiss MKM 手术显微镜（卡尔蔡司股份公司，德国）、NeuroMaster（北京航空航天大学手术机器人研究所，中国）和 PathFinder手术机器人（Prosurgics，威科姆，英国）。尽管它们的临床应用有限，却引领了几项重要发展，如用于纠正大脑移位的术中成像、手术机器人运动冗余的研究，以及在发生意外故障时为避免患者伤害而设立的禁区。 在这些发展的基础上，雷尼绍（Neuromate）手术机器人于1997年率先获得美国FDA的批准，并成为**个基于有框架和无框架立体定向配准的设备。早期验证性研究表明，该系统的准确性可与传统的基于框架和无框架的术者手动操作技术相媲美，同时缩短了多轨迹计算所需的时间。时至今日，雷尼绍仍广泛地应用于各种神经外科手术中，已完成数千个 SEEG电极置入和DBS电极置入，以及其他神经外科手术。 与传统的机械臂相比，SurgiScope（ISIS SAS）是一种固定于手术室天花板上的手术显微镜，它具有20世纪90年代后期由法国开发的手术机器人的功能。SurgiScope 是首*通过术前MRI配准注册的无框架，基于头皮标志基准点定位的手术机器人平台。目前 SurgiScope（ISIS SAS）已在全球多个神经外科中心获得广泛应用，该系统因其模块化特性及具有轨迹叠加功能显微镜的双重用途而广受欢迎。 2012年，法国MedTech公司率先推出的手术辅助机器人（ROSA）被美国捷迈邦美（Zimmer Biomet）公司收购。它具有两个独立的平台：ROSA Brain 和ROSA Spine，每个平台都具有内置的立体定向辅助指导手术路径功能。ROSA Brain已在全球 140 多家医院安装并广泛应用，包括致痫灶的激光消融、SEEG 电极插入、脑室分流管置入、囊肿抽吸和内镜手术等。ROSA Spine 平台具有经皮螺钉置入颈椎、胸椎和腰椎椎弓根的路径辅助等功能。 近年来，电机和电子系统的小型化使人们开发出更为小巧精致的手术机器人，如 iSYS1（Medizintechnik GmbH）和 Renaissance（Mazor Robotics），它们已成为具有更好成本效益和高效的手术平台，可以安全准确地进行 SEEG置入，尽管在对侧颅脑进行手术时需要手动重新定位。此外，基于解剖结构的个体差异，机器人辅助制订立体定向手术路径也颇具优点，如应用于内镜下第三脑室造瘘术和内镜垂体手术。ROSA等操作平台使外科医生能够对特定患者制订个体化手术路径，不仅可以保持手术器械的操作稳定性，必要时还可以进行术中轨迹校正。 由于婴儿和幼儿的脑内靶点目标更小，脑组织更为脆弱，小儿神经外科手术也具有其独*的挑战之处。2017年，de Benedictis等深入总结了在儿童患者中使用手术机器人的经验，他汇总评估了在Bambino Gesù儿童医院（意大利罗马）116 名患儿所接受的 128 次外科手术，详细报道了ROSA机器人在这些病例中的应用，其中涵盖多种类型的神经外科手术，包括立体定向活检、神经内镜检查、DBS、SEEG电极置入和囊内引流管放置。只有3.9%的患儿有短暂的术后神经功能缺损，没有出现永久性功能障碍。如此之高的成功率揭示了机器人辅助手术在小儿神经外科患者中的安全性，随着使用经验的积累，手术时间逐渐缩短。目前，还需要进行更深入广泛的前瞻性研究，以纳入更多的患者进行比较，对*终治疗目标的准确性和其他指标，包括生活质量和置入物二次手术率等进行总结分析 。 脑出血（ICH）的血肿抽吸引流手术也受益于立体定向手术机器人。从历史上看，这些手术通常需要开颅切开大脑皮质以清除深部血肿。近年来，已经可以通过颅骨钻孔立体定向手术对血肿进行抽吸。*近发表的一项系统回顾比较了三种神经导航系统（Medtronic AxiEM、Stryker iNtellect 和BrainLab VectorVision）微创清除ICH的手术结果。Medtronic AxiEM是基于电磁的立体定向注册配准，后两种是基于光学的立体定向注册配准。尽管存在技术上的差异，并且在注册配准、手术计划、手术设置和术中使用方面略有不同，但结果表明，以上三个系统手术准确性均优异，且疗效相同。无针电磁配准（AxiEM和 iNtellect）的显著优势还包括它可适应于不能进行刚性颅骨固定等情况。手术机器人在立体定向手术中的不断发展和应用，为出血性卒中的治疗提供了更高的精度和更微创的手术方法。 在过去的30年中，手术机器人为不断发展的立体定向神经外科领域做出了重大贡献，显示出对手术安全的保障和未来更美好的前景，解决了神经外科复杂的手术过程中精确定位的问题。*值得一提的是，手术机器人彻底改变了现代神经外科医生所面临的提高手工操作精准度和可重复性问题，同时解决了人体生理性疲倦和耐久力的问题。 二、机器人在显微外科的应用 显微神经外科技术的发展包括神经外科显微镜、小型化手术器械及为抵达病变所需的精细、微创和无创操作。1957年，西奥多 库尔策（Theodore Kurze）首次使用显微镜切除5岁患儿的面神经鞘瘤。在随后的几位显微神经外科先驱中，人们公认Gazi Ya.argil教授是1960年推动显微神经外科发展*有影响力的医生，他