外科手术机器人系统的研究进展

外科手术机器人系统的研究进展

以腔镜技术为代表的微创外科的形成和发展是现代外科领域最重要的进步之一。它以其小切口、轻伤口、少疼痛、快恢复能力等特点而闻名于许多病人和临床医生。然而,随着微创手术领域的拓展,腔镜手术技术的局限性也显露出来,手眼间协调性的降低、触觉的减弱和手的不自主阵颤增加了腔镜手术的困难。这些问题若不能得到解决,将可能延缓或阻碍微创外科的进一步发展。而以突破这种局限为动机而发展起来的手术机器人系统,预示着微创外科新的时代的来临。1机械臂运动机器人外科手术机器人系统的研究是从摄像向导系统开始的。1994a,美国ComputerMotion公司首先获得FDA的正式批准,允许其在手术室使用能自动控制腔镜位置的机器臂(automatedendoscopicsystemforoptimalpositioning,AESOP)。美国ComputerMotion和IntuitivieSurgical公司先后以此机械臂为指导,独立研制出宙斯(ZEUS)和达芬奇(DaVinci)两套主从控制遥控操作手术机器人。2000年FDA同意将ZEUS和DaVinci机器人用于普通外科手术。这两套外科手术机器人系统的临床应用,使得手术机器人在外科许多领域的应用可行性得到证实。外科手术机器人增强了手术医生的灵巧性,在以下方面具有传统手术无法比拟的优越性:1.1手术器械有利于提高外科操作的精确性手术机器人具有动作缩减系统和阵颤过滤系统。通过腕关节,外科医生获得了多个方向的活动自由度,手术器械可以从各个角度接近目标组织,缩减外科医生的动作幅度,提高了外科操作的精确性。阵颤过滤系统能滤除医生手部颤动,提高了手术操作的稳定性。1.2手术操作的调整常规腔镜技术的术野由扶镜助手控制,而助手时常提供错误术野,或碰到组织弄脏镜头,或扶镜手抖动导致术野晃动,此时术者不得不停止手术操作来调整术野、擦洗镜头。手术机器人有位置的记忆功能,机器臂又不会抖动,调整起来很便捷,得到的术野直观平稳。手术机器人还能为手术医生提供三维放大(10～20倍)的手术术野图像,医生对术野能进行自主平稳控制,与动作缩减和滤颤功能相配合,使手术医生能够完成脏器的显微吻合及重建。2手术机器人系统DaVinci手术机器人系统由3个基本部分组成,即三维视像系统的外科医生控制台、1个成像车和装有3支可定位及精确操控内窥镜的机械臂的可移动操作车(图1)。两条机械臂可操作8mm手术器械。摄像臂包含双摄像机可形成双眼视觉的三维立体图像。该系统手术器械上的关节腕有两个关节,具有7个方向的活动自由度(常规器械的5个自由度和关节腕左右、上下方向的2个自由度)。外科医生坐在控制台前,头靠在视野框上,双眼接受来自不同摄像机的完整图像,共同合成手术术野的三维立体图。医生双手控制操作杆,手部动作传达到机械臂的尖端,完成手术操作。外科医生在手术的时候通过一个很小的切口将小型摄像机滑入病人体内,借助插入小切口内的30cm长的机器人手术刀和其他仪器配合进行手术。对于显微外科来说,切口小而难于缝合的病例,DaVinci手术系统具有缝合能力。它的摄像机是多镜头的,可以提供病人体内的三维图像。机器人使用的手术刀由机器臂操作,它装有具有人的手腕灵活性的“腕”,医生则从手术台旁边的计算机操纵机器人,类似于玩游戏的操纵杆。ZEUS手术机器人系统由1个控制台和3个置于床上的交互性机器臂组成(图2)。左右两条机器臂在医生的控制下操作手术器械,中间的AESOP机械臂采用声控的交互方式控制内窥镜。该系统的手术器械有两种,一是传统的长直杆腔镜手术器械,另一个是带一个关节腕的手术器械,具有6个方向的活动自由度(传统器械的5个自由度和关节腕左右方向的1个自由度)。外科医生可坐在操作台前,观看着屏幕,操作着符合人体工程学设计、具有最大灵巧性和舒适度的两个卵形控制器来控制机器臂完成手术。该系统的手术术野常规是两维,但可使用VISIT技术来获得三维手术术野。RoboDoc手术助手系统是由IntegratedSurgicalSystems(Sacramento,CA)公司依据IBM在80年代的一个设计原型,在2000a投入临床应用的。由一个控制台和一个计算机控制的机器人组成(图3)。机器人手臂具有2个关节、共5个自由度,采用典型的平面关节机器人结构。手臂上安装有力传感器,手臂的最前端装备了许多特殊的钻头(高速钻头)和一些硬件,以便在手术过程中磨去人体关节中需要去除的部分。RoboDoc手术系统包括术前计划、关节运动范围模拟、术中定位和引导系统三个部分。该系统能连续准确测量骨头位置,实时跟踪术中移植物的位置与术前计划的对应关系,并将术中活动经过精确测量后及时反馈,避免由于植入错位引起的关节置换术后的脱臼,确定和尽量增大安全范围,减少植入物的磨损。我国从20世纪90年代中期开始医疗外科机器人的应用研究。由北京航空航天大学、清华大学和解放军海军总医院合作开发的机器人辅助无框架脑外科立体定向手术系统,开创了国内自主开发外科手术机器人的先河。哈尔滨工业大学、北京理工大学等也开展了医疗机器人的研究。3机器人图像导航技术的应用可视化技术的进步,将透视成像系统、影像导航与机器人结合,逐渐形成的机器人外科手术系统,可以完成手术某一部分或为手术提供稳定的支持平台。同时,由于骨具有刚性结构、不易变形的特点,计算机捕获的骨骼图像与术中实际解剖结构的符合率高,重复性好,因此机器人辅助手术技术特别适用于骨科手术,并已应用于骨科领域的脊柱外科手术、全髋与全膝关节置换术、股骨内固定手术、膝关节成形手术、骨盆截骨与内固定手术等临床治疗中,使传统骨科手术理念前进了一大步。机器人外科手术对传统手术中的危险区域和盲点区域都有快速准确的解决方法。全膝(全髋)关节置换是当前机器人外科手术中令人关注的一个热点。由于受手术器械、测量工具精确性方面的局限和手术医生的手术技术因素的制约,使人工关节置换术无法给严重关节患者一个健康的承诺。美国Robodoc手术机器人全膝(全髋)关节置换技术能取代人工置换术(如图4)。机器人系统先在股骨上植入钛钉,再对股骨进行CT扫描,重建出股骨三维模型,通过匹配三维模型所在的虚拟坐标系同机器人坐标系实现骨定位,并能进行关节置换手术的术前计划。工作计划在手术室中转移给机器人,然后由机器人按照指令精确地将移植物安放好。将机器人技术应用于膝(髋)关节置换手术中,由机器人完成骨配合面的切除工作,假体植入配合面较为精确,可提高全膝(髋)置换手术的质量,具有较高的临床应用价值。机器人图像导航技术的优势在解剖结构复杂的脊柱节段优势更加突出。它可以使解剖结构可视化,进行详细的术前计划,提高手术的精确性,及时评价和调整手术方法;显著减少术中辐射量。早期机器人手术导航系统的应用主要集中在腰椎椎弓根螺钉导航,现在逐渐发展到脊柱各个节段及多种类型手术。传统的手术方法对于脊柱的椎弓根钉置入术由于X线片及CT横断扫描不能清楚显示其表面轮廓和空间结构关系,加上解剖结构复杂,达到治疗区域异常困难,往往影响内固定装置放置的准确性,而手术导航系统则可对手术区附近的结构进行三维定向和定位,安全方便,可提高椎弓根钉置入的准确率。术前导航可以提供三维图像,成像质量好,但手术中需进行重新标定,使手术时间变长,且无法及时反映术中变化;术中导航用C臂系统在手术过程中实时采集图像信息,应用方便,但图像质量较差。这两种机器人图像导航技术都可以帮助医生进行高精度、低辐射的脊椎麻醉,如骨切开术和椎弓根螺钉置入术等(图5)。在四肢骨折的治疗中,机器人辅助手术导航系统可提供术前及术后的三维图像,显示骨折复位与固定情况。在采用带锁髓内钉固定骨折时,将髓内钉由断口或骨的一端穿入,连结骨折近端和远端,用手术导航系统引导机器人插入交锁髓内钉远端的锁钉,可以减少失误锁钉,提高手术质量。骨折手术系统(如图6)的定位系统可以把所有参与手术的器械映射到一个统一的坐标系当中,而且可以通过标定技术在显示屏上实时显示各器具位置。手术时,通过图像处理可以得到髓内钉孔在图像空间中的位置信息,医生在图像导航的指引下操作骨钻,始终保持屏幕上虚拟出来的