关键词：机器人；立体定向；规划；映射；执行机构；临床应用
本文介绍了机器人技术在微损伤神经外科手术中的应用，系统的研究包括图形规划、微损伤和无损伤空间映射、机器人辅助手术和遥操作放射性同位素植入。在大量的实验测试和实际手术模拟实验的基础上，系统已成功应用于临床手术。
分类号： R318.5; TP242
A ROBOTIC SYSTEM FOR STEREOTACTIC NEUROSURGERY
AND ITS CLINICAL APPLICATION
Chen Mengdong,Wang Tianmiao, Liu Da, Zhang Qixian
(Robotics Institute, Beijing University of Aero. & Astro, Beijing 100083)
Tian Zengmin
(Neurosurgery Research Center. The Naval Hospital, Beijing, 100073)
ABSTRACT
Asystem of robot assisted minimally invasive neurosurgery and its clinical application wasintroduced. The prototype was composed of a preoperative image-guided planning, aminimal-invasive and a non-invasive mapping between the virtual and actual environment,and a surgical robot for location and remote-controlled procedures based on thepreoperative strategy. Finally the results of clinical application were given to showeffectiveness of the robotic system.
Key words: Robot; Stereotactic neurosurgery;Planning; Mapping; Execution; Clinical application
0 引言
近年来将先进机器人技术应用于医疗外科领域已受到了世界发达国家的高度重视。机器人技术在医疗外科领域的应用不仅在手术精确定位、最小损伤、手术质量等方面将带来一系列的技术变革，而且将改变常规医疗外科的许多概念，对新一代机器人化的手术设备开发与研制，对医学教学与研究，对临床或家庭护理及康复工程等方面等都有十分重要的意义。我国人口众多，正在逐步成为一个医疗器械的生产大国和使用大国。因此，开展机器人与计算机辅助外科的研究对于培养和锻练交叉多学科综合的高级人才，对于更好地开发、利用和维护现有高技术的医疗设备，对于振兴我国自己高技术医疗器械工业都有着重要意义，并具有潜在的经济和社会效益。
立体定向神经外科手术是采用一个固定金属框架，将它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(X，Y，Z)，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，达到CT图象上定位的靶点，最后对病灶点进行活检、放疗、切除等操作的一项外科技术。目前在我国立体定向技术已被广泛应用于脑肿瘤、脓肿和血肿的手术治疗中。由于手术创伤较小，患者多数愿意接受这种治疗方法。近年来，北京海军总医院已进行了1500例立体定向脑外科手术。我们开展的机器人辅助微损伤神经外科手术系统是以立体定向神经外科为应用背景，研究机器人与计算机高技术在医疗外科中应用的有关理论方法和关键技术，它将拓宽立体定向手术的范围，为实施脑深部肿瘤的外科治疗、开展无框架立体定向神经外科提供新的途径。它不仅使手术更加安全可靠，而且减轻了创伤，缩短了病人的康复时间，避免放射性药物注入过程中对医务人员的伤害，使立体定向手术更加方便、省时、高效。
近年来，在机器人辅助微损伤立体定向神经外科手术方面人们进行了大量的研究工作[1～4] ，国外一般所采用的方法是将CT扫描室直接作为手术室，在手术操作之前，将机器人机座与CT床的机座牢牢相连，组成一个结构化的手术环境。医生可以在手术中用CT机观测手术进展情况。但由于CT机价格昂贵，在一个手术期间(约2～4个小时)，其他医生或病人无法再使用该CT机。因此，这种方法与我国国情不符，我国大部分医院难以接受。
自1995年开始，北京航空航天大学与海军总医院合作开发研制了基于虚拟现实的机器人辅助神经外科系统。它的研究分为三个阶段：(1)基本的规划、空间映射和执行机构研究。(2)基于虚拟现实的交互导航方法研究。(3)具有遥操作功能的专用医疗外科机器人的设计。我们已经完成了第一阶段的原形系统设计，并在临床环境进行了实际手术操作。目前该系统主要由三部分组成：图象引导的规划系统、映射算法和相应的测量工具、PUMA262机器人和手术工具。系统的目的是要在计算机上完成穿刺路径的规划，确定目标靶点的坐标值，采用遥操作的方法完成同位素的植入。通过第一阶段的研究和实验为二、三阶段的开发将奠定重要的基础。
1 系统构成及原理
机器人辅助微损伤神经外科手术系统的构成如图1所示。包括手术器械(包括同位素注入机构)、PUMA262机器人、力传感器及控制器、6自由度机械臂、图形工作站(SGIIndigo 2工作站)和控制计算机(PC586)。采用医疗外科机器人系统进行手术时，术前对病人进行CT扫描，取得8～10张CT图象，2D的CT图象经预处理：图象间的对齐、对象素点的灰度值进行规一化、边界提取、差值处理等后在图形工作站上进行用于规划的3D图象模型重建，通过机械臂医生可以在重建的三维图象模型上进行手术规划，进行穿刺靶点的坐标测试和穿刺轨迹的选择。手术时通过系统的力控制操作界面，进行标记点的坐标测量，实现基于标记点的图象空间与机器人操作空间的映射变换，通过该变换将医生在规划系统上获得的穿刺靶点和轨迹参数从图象空间映射到手术空间，然后，将相对于手术空间框架坐标系的穿刺靶点和轨迹参数传送给机器人控制器，机器人进入辅助操作的起始位置。外科医生们进一步会诊，对规划的路径进行进一步的检查，医生可以对穿刺路径作进一步调整，在调整过程中，力控制操作界面始终保持探针指向靶点。在临场选出穿刺的最佳轨迹后，在机器人精细运动控制下，手术器械被准确地送达靶点。医生通过该探针可以完成活检、排空、切除等手术。
图1 系统的硬件构成
2 重点解决的问题
2.1 规划
传统的立体定向手术，病人在安装完框架后进行CT扫描，医生在CT片上进行靶点坐标测试，根据测试结果调试框架的三个定位坐标，决定穿刺路径的后两个自由度由医生根据经验完成。计算机辅助医疗外科的一个主要任务是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。对于计算机与机器人辅助脑立体定向手术，为了准确地将探针或其它更精细复杂的外科器件引入脑内病灶点，进行活检、放疗、切除等操作，外科医生往往需要确定病灶点位置，以及在颅骨上钻孔的位置和姿态，同时还需要了解病灶点的大小以及与其他脑组织的相对位置关系。因此，首先一个重要任务就是进行脑图象的手术靶点定位，并在此基础上进行多条直线轨迹外科手术的规划。
由于全国各大医院各种新型CT机的广泛使用，不同规格大小的CT片不断出现，如一张9幅脑图的CT片已日益普遍。为了充分发挥国产立体定向仪的作用，并适应计算机辅助引导外科技术的最新发展趋势，我们完成了二维图象引导规划模块的研究。该系统的突出特点是适用于各种CT机拍成的CT片，在保持同样测量精度的条件下，完成靶点坐标的测量。当CT片图象输入计算机后，可以实时计算靶点的X，Y，Z坐标值，可以省去以往使用的坐标刻度盘和定位尺设备。另外，我们还在PC机WindowsNT平台上和SGIIndigo 2工作站上运用Open GL，研究开发了一个三维图象规划系统。我们知道与其它的CAD/CAM或面向模型的应用软件不同，医疗图象处理系统有它自身的一些特点，比如它的数据是组织结构表术，数据结构复杂，数据处理计算量大等等。规划软件由图象采集、二维图象预处理、3D头部模型的重建、模型的3D可视化交互式操作、手术用插入导管的路径仿真等部分组成。在具体3D重建时，应注意CT扫描时的一些约定，比如所需CT图象的数目、扫描厚度、图象间距和图象文档的结构形式。为了进行3D头部模型的重建，术前对病人进行CT扫描，以8mm间距获得8～10张CT图象。由于太多的CT片不仅给病人带来更多的放射性损伤，而且加大了病人的经济负担。因此需要对有限的CT片进行预处理：图象间的对齐、对象素点的灰度值进行规一化、边界提取、差值处理等，用处理后的2D图象进行3D重建。在显示3D图象的同时显示冠状、矢状和垂直面的剖视图。医生通过图形交互的方法进行穿刺轨迹的选择。轨迹确定后，相对于框架坐标系的轨迹参数将被传送给机器人控制器，机器人依此完成手术中的辅助操作。为了使基于图象的轨迹规划更易于操作，我们设计了一个6自由度的机械臂(亦称为观测棒)，将来医生可以用它实现组织的观测、剖面选取、轨迹的调整和选择，克服了用键盘和鼠标进行操作与医生不易掌握的缺点。二维和三维规划系统的效果如图2所示。
图2 二维和三维图象引导规划
2.2 空间映射
在机器人辅助立体定向神经外科系统中，另一个重要问题就是物理空间(机器人操作空间或现实空间)到计算机图象空间(虚拟空间)的映射关系问题。在立体定向手术中，就是如何寻求一个转换矩阵，确定目标靶点在机器人操作空间的坐标值。在系统研制中我们开发了两种映射算法：基于标记的微损伤法和基于模板的无损伤法。
基于标记的微损伤映射法主要思想是在框架上定义三个标记点，从CT片可以直接获得三个标记点得坐标，进而构成图象空间的中间参考坐标系。在病人上手术床后，医生通过基于力控制的人机交互界面引导机器人对标记点进行测量。根据机器人的测量结果构造机器人操作空间的中间参考坐标系。
经过中间参考坐标系可以将图象空间的点坐标值变换到机器人的操作空间。
映射问题可以用下式表示
S PR ＝T. S PV (1)
其中：下标V表示图象空间(虚拟空间，R表示机器人操作空间(现实空间)，S表示手术空间，T为两个空间的变换矩阵，通过由标记点构成的中间参考坐标系可以得到T的具体表达式。
T=(W S TR )-1. W M TR . (W M TV )-1. W S TV (2)
其中：W M TV 表示在虚拟空间，从中间参考坐标系到全局坐标系的变换，W S TV 由计算机规划系统给出，W M TR 表示在现实空间，从中间参考坐标系到全局坐标系的变换，W S TR 可以由PUMA机器人的VAL-II命令计算得到。W M TV 和W S TV 是实现空间变换的关键，构成W M TV 的标记点坐标可以从CT片直接获得，构成W S TV 的标记点坐标可以由机器人的测量得到。只要三个标记点不共线，这两个变换总是可以得到的。采用该方法实现两个空间的映射简单明了，即不需要长时间占用CT室，又可以省去固联机器人和CT机的设备。
在研究基于标记点微损伤映射的同时，我们还研究了基于成像设备C形臂X-Ray设备的无损伤映射方法，设任何一幅X光医疗图象都是一个三维的透视图，图象中的目标点可以看成是该点在空间沿着X光线方向的投影点，一条投影线上的每一点都对应同一个投影点。显然，如果在两幅图象中都找到一条通过目标点的投影直线，那么这两条直线的交点就是我们要求的空间目标点位置。为此，我们研制了一种三维模板，利用模板与机器人的连接，通过这双层模板上金属标记在X-Ray图象中的投影关系，可以测量和计算空间未知点在模板坐标系的坐标，再基于机器人基坐标的变换矩阵，则可从两幅投影图象中分别确立两条空间直线，他们的相交点即为我们所待求的空间位置，从而实现一种快速有效的用于非结构临床环境下的非接触式、无损伤三维定位算法。
实现该方法的硬件组成主要有三部分：(1)双层模板，通过它上面的金属标记，可以测量目标在每一模板上的投影点坐标值，进而获得模板系中投影线的方程。(2)PUMA262机器人，通过它可以获得不同位置时模板系之间的变换关系，同时它也是手术时辅助操作的执行机构。(3)图象单元，包括摄象机、图象采集卡、图象处理和数据处理软件。通过模板我们可以在机器人操作空间坐标系中获得两对点的坐标值p11,p12和p21，p22，且前者在一条投影线上，后者在另一条投影线上，我们可以得到两条投影线的方程
，求解该方程最后可得目标点在机器人坐标系中的解，既目标点的坐标。因此，采用该方法，医生可以通过两幅X光图象，确定病人体中病灶点在机器人操作空间的坐标值。这种定位和映射方法研究的重要意义是为无框架立体定向神经外科手术奠定基础。
关于基于标记的微损伤法和基于模板的无损伤法的详细讨论可参阅文献[5，6]。
2.3 执行机构
我们选用PUMA262机器人作为系统辅助操作的执行机构。PUMA262是一种可编程的通用机器人，它能以高重复精度(0.05mm)完成复杂的工作，并能保持稳定的轨迹。它有6个自由度，可以通过VAL-II语言进行编程控制，6个关节分别配有永磁电机和伺服驱动系统，每个关节上有一极坐标系统，能进行大范围的角位移运动。另外，PUMA262具有较好的安全性，当它的电气或机械失效后，在腰、肩、肘安装的弹簧机制可以完成刹车制动操作。PUAM262与定位框架一起使用的主要原因，是从安全可靠角度考虑的，一旦出现停电或机器人故障时，可以重新安装立体定向仪的弧形弓，由人工继续完成手术。在立体定向手术中，病人完成CT扫描进入手术室后，病人头上的框架将被固定在手术床上，这时医生要引导机器人完成标记点的坐标值测量。对医生而言，用示教盒或通过编程来控制机器人的运动是很困难的。为了提高系统的可操作性，我们开发了基于力控制的人机交互方法。将六维力/力矩传感器安装在机器人手腕和末端工具之间，当有外力作用于末端工具时，机器人将沿外力作用的方向进行运动，运动速度由外力的大小决定，这样医生稍加训练即可完成对机器人的操作。为了获得安全和平稳的控制效果我们采用如下的控制策略和信号处理方法。
dP=K. Func(Ef (tn ))
Ef (tn )=(1-α). Ef (tn-1 )+α. f∧ (tn )
f∧ (tn )=min(fmax(i),max(fmin(i),｜f(tn )｜))
其中：fmax(i)和fmin(i)是预定义的力门限，α是与机器人响应时间有关的滤波系数，Ef (tn )是tn 时刻经滤波后的传感器输出，K是6×1的矢量，它由期望的运动分辨率和力控制系统的稳定性决定，Func是基于任务的线性或非线性函数，f(tn )是tn 时刻力传感器的实时输出。
当标记点测量完成后，测量信息和规划系统中选择的路径信息进行融合处理，生成最终辅助操作的控制命令，控制命令将被传送给机器人控制器，机器人在安装完手术所需工具后运动到穿刺的起始位置。通过该工具医生在病人头骨上钻出一个进针孔，然后安装穿刺探针，机器人以自主方式将探针送达靶点，医生通过该探针可以完成活检、排空等手术。如果要进行放射性同位素植入，在安装完注射机构后，医生通过遥操作方法进行放射性同位素的注入，注入量和速度医生均由医生通过控制计算机进行控制。通过遥操作注入可以有效地减少放射性同位素对医生的损伤。在医生完成所有操作后，机器人将沿插入路径的反方向运动撤出探针，辅助手术完成。
作为执行机构的组成部分，我们研究了人机交互技术、力传感器检测与控制技术、面向多任务的实时调度算法、遥操作控制技术，使系统的性能达到我们预期的目标。
3 实验及临床应用
在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。通过实验我们发现由于PUMA262存在有绝对误差，探针到达的位置与靶点间有2mm左右的误差，为了消除误差我们采用参数估计的方法对机器人的24个连杆参数(D-H参数)进行重新估计，使最终误差小于1mm。为了安全考虑，我们通过力传感器对末端工具的受力情况进行实时监测，同时在机器人控制器实时显示出末端工具的位置姿态。为了提高系统控制软件的实时性、安全性和可扩展性，我们开发了面向任务对象的实时多任务调度算法。我们选取了60个病例对图形规划系统的精度进行了标定测试。在大量实验的基础上我们在手术环境下进行了仿真实验，将一个颅骨固定在框架上，在颅骨中固定了一个直径4mm的金属模拟靶点。CT扫描后，将框架固定在手术床上，在规划系统上完成靶点测试后，机器人进入辅助操作的起始位置，钻孔完成后机器人完成插入操作，将探针送达靶点，如图3所示。在临床应用以前这样的仿真实验我们进行了很多次，实测的穿刺误差小于1mm。
图3 立体定向手术模拟实验 | 图4 机器人完成穿刺操作 |
1997年5月4日、5日在海军总医院分别对三位病人进行了手术模拟。于1997年5月5日下午，我们成功地利用该系统为一颅咽管瘤患儿进行了临床立体定向内放疗外科手术。患者，男，9岁，1994年曾在天津进行过约100mm大小的开颅颅咽管瘤切除手术。三年后，经CT扫描诊断，颅咽管瘤术后复发，住入海军总医院。经外科医生专家会诊，决定使用机器人技术进行立体定向内放疗外科手术，手术有两名机器人专业的工程技术人员参加。手术前一天按手术室的规程对机器人及关联设备进行消毒，诸如定位工具、手术器械引导装置、放射性同位素推进机构、螺钉螺帽等。手术时，首先将这位患儿的头部固定在带有N字形标记的立体定向框架上，进行CT扫描，医生在图形规划系统上进行靶点(目标点)坐标值测量。当患者躺在手术床后，将头部框架与手术床固定联接。随后通过系统的力控制操作界面，用机器人末端定位工具对立体框架上预定义的三个标记点进行测量。基于映射算法，实现图象空间与机器人操作空间的变换。与此同时，利用图象引导的软件对大约31.5ml体积的病变点进行分析，计算出靶点在框架坐标系中的3D坐标值(96.9，116.6，110)。外科医生们进一步会诊，对机器人辅助穿刺的起始位姿进行进一步调整，在调整过程中，力控制操作界面始终保持探针指向靶点。最后，选出穿刺的最佳轨迹。控制机器人按最佳的直线轨迹运动到脑颅附近，医生用20ml1%普鲁卡因进行局部麻醉，然后钻孔并插入探针。在机器人微动精细运动控制下，准确地探针送达靶点，如图4所示，然后抽出了大约25ml肿瘤囊液。安装注射器推进机构后，医生通过遥操作机构进行同位素32P(磷32)的注入。注入完成后机器人沿插入路径的反方向运动撤出探针，辅助手术完成。然后，医生对患者眼睛、手脚、舌头的运动情况进行术后常规检查，结果一切正常。最后，撤离机器人，卸掉立体框架，对患者进行简单的包扎后，患者自己走出了手术室。
4 结论
通过大量的实验测试、手术模拟和实际的临床手术，结果表明由北京航空航天大学机器人研究所与海军总医院全军神经外科中心联合开发研究的机器人辅助微损伤神经外科手术系统，可以通过计算机程序控制准确地模拟外科医生人工完成的立体定向手术操作，能根据CT图象进行脑瘤靶点的三维坐标测试，实现立体定向手术的精确定位，辅助医生完成不同方向的直线轨迹穿刺规划，并以遥操作方式进行放射性药物的注入。这为实施脑深部肿瘤外科手术提供了新的途径，它不仅使手术更加安全可靠，而且减轻了创伤，缩短了病人的康复时间，还可避免放射性药物注入过程中对医务人员的伤害。另外，我们正在积极努力拓宽机器人在医疗方面的应用领域，将该项目研究的有关成熟技术应用于微创伤显微外科、内窥镜腹腔外科、脊椎外科、矩形外科等。
参考文献
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收稿日期：1997-11-07
修稿日期：1998-04-06 , http://www.100md.com