脑外科手术中机器人的应用
作者：田增民 杜吉祥 赵全军 王田苗 刘达
单位：田增民(海军总医院，北京市 100037)；杜吉祥(海军总医院，北京市 100037)；赵全军(海军总医院，北京市 100037)；王田苗(北京航天航空大学，北京市 100083)；刘达(北京航天航空大学，北京市 100083)
关键词：脑手术；机器人；计算机
海军医学杂志000126 摘 要：目的：临床应用国产机器人系统(CRAS-BH型)辅助完成脑外科立体定向手术。方法：机器人系统主要由影像引导装置、三维定 位软件和智能机械臂等部分组成。手术时,机器人系统通过识别贴附于患者头部的标志点建立相应的三维坐标体系;智能机械臂按照手术规划自动地锁定,为术者准确导航并提供操作平台。结果：临床成功应用机器人辅助完成脑立体定向手术40例,包括脑肿瘤内放疗、脑内病变活检、脑脓肿抽吸、脑内血肿排空、金属异物取出等手术。结论：利用机器人辅助完成脑立体定向手术,具有减轻病人手术痛苦，方便 术者操作,提高手术安全性等优点。
, 百拇医药
The Use of Robots in Brain Operations
Tian Zengmin, Du Jixiang, Zhao Quanjun
(avy General Hospital, Beijing 100037)
Abstract：Aim：The clinical use of a domestic robot sy stem (model CRAS-BH) for assistance of brain stereotactic operations. Methods：The robot system was mainly composed of an image-guiding device, 3D software and an intellectual mechanical arm. During the operation, th e robot system distinguished the marks attached to the patient's head and set up relative 3D coordinate. According to the plan of the operation, the mechanical arm was locked automatically, to supply doctors with precise navigation and an o perative platform. Results：40 cases of stereotactic opera tions were successfully performed with the help of the robot. These operations i ncluded intratumoral irradiation, biopsy of brain lesion, evacuation of abscess or haemorrhagia, and removal of foreign body. Conclusion：There were several advantages of using the robot in brain stereotactic operation s, such as to relieve patient's pain, to convenient doctors' management and to i ncrease the operative safety.
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Key words：brain operation; robot; computer▲
近年来,国际医学界开始研究将机器人应用于脑手术。由于其技术先进，需要多学科合 作,迄今国外开展此项研究的仅有法国、美国、日本、加拿大等少数国家,且立体定向手术均 依赖于定向仪框架[1～3]。1998年1月～1999年1月,我们设计并应用CRAS-BH型机器 人系统(computer and robot assisted surgery, type BH)临床成功地施行了40例脑立体 定向手术,并且摆脱了定向仪框架。
1 资料及方法
1.1 一般资料 本组40例,其中男22例,女18例;6～68岁,平均23岁。手 术种类包括:脑肿瘤内放疗25例(其中颅咽管瘤18例、星形细胞瘤6例、胶样囊肿1例)， 脑深 部病变活检6例， 脑脓肿抽吸3例,脑内血肿排空2例,金属异物摘除2例，内窥镜切除肿瘤2例。
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1.2 机器人系统 海军总医院与北京航天航空大学联合开发的机器人系 统,主要结构包括智能机械臂、影像引导装置和三维定位软件等三个部分。该系统分动力型( BH1)和非动力型(BH2)两种。在脑立体定向手术中,该系统可以取代传统的定向仪框架,通过 识别贴附于患者头部的标志点,建立相应的三维坐标体系;通过标示靶点位置和穿刺轨迹,智 能机械臂按照模拟手术计划固定穿刺方向,为术者提供准确导航和操作平台。
1.3 手术方法 首先在患者头部安放立体定位标志点， 然后进行CT扫 描明确病灶部位。利用机器人系统完成如下操作:(1)扫描定位:将CT片经扫描仪输入计算机, 利用专门设计的定位软件,自动显示拟穿刺靶点的三维坐标;(2)导航穿刺:在计算机屏幕上, 实时显示智能机械臂的位置运动引起的实际穿刺轨迹与预达靶点间的变化;(3)固定操作: 先 用胶带或头架固定患者头部，再按照手术规划利用机械臂固定穿刺道,以便术者将穿刺针等 细微手术器械抵达靶点，进行相应的手术,如抽吸肿瘤囊液或血肿、病变活检及脑瘤内注药 等[4]。
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2 结 果
2.1 本组40例机器人辅助立体定向手术过程顺利。从机器人系统扫描定位至手术结束拔出 穿刺针，平均历时40min。
2.2 25例囊性脑肿瘤内放疗患者，抽吸囊液后注入放射性同位素32P。6例脑深部 病变活检，证实为星形细胞瘤4例、炎性肉芽肿2例。3例脑深部脓肿，分别抽吸出脓汁8～15 ml。2例基底节区血肿，分别抽出陈旧性积血16ml和24ml，并置管引流。脑内金属异物摘除2 例，分别为额叶和枕叶深部的铅弹。2例体积较小的肿瘤(直径<2cm)，行内窥镜切除。
2.3 本组40例患者手术经过顺利，均一次定位成功，无手术并发症。多数患者(36/ 40)于手术后2～4h，即可进流食，术前病情较轻者次日即可下床活动。
2.4 34例病人(除活检6例)术后随访6～24月，其中临床治愈23例(脑瘤18例、脑内异物2例 、脑脓肿2例、脑内血肿1例)，好转7例(脑瘤6例、脑脓肿1例)，无变化2例(脑瘤)，恶化1例 (脑瘤)，死亡1例(再次脑出血)。
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3 讨 论
3.1 近年来,外科机器人正步入临床医学领域[1,2,4]。医疗外科机器人是一个多 学科交叉研究领域,涉及机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创伤手术等诸多内容 。在辅助脑手术方面,外科机器人由于具有精确性高、可重复性好、安全性强等优点,更成为 国际医学界研究的热点。然而,由于其技术先进，合作复杂,目前世界上仅有少数几个国家能 开展临床应用[2,3]
3.2 传统的立体定向手术必须借助于头部框架,方能完成定位和穿刺。立体定向框架一方面 保证了定位的稳定性和准确性,另一方面也限制了手术的灵活性和可视性。虽然国外医疗机 器人技术已研究多年,但仍未实现无框架立体定向手术[1]。本组设计并应用国产机 器人(CRAS-BH型)系统,成功完成了32例无框架脑外科立体定向手术,在该领域取得了突破。
3.3 本机器人的作用原理是基于CT/MRI图像扫描建立三维医学坐标体系,对脑立体定向手术 进行规划与虚拟操作,最后实现多传感器机械臂的辅助定位及操作[4]。本组无框架 脑立体定向手术应用范围较广,效果较好。临床实践表明,该机器人系统可以提高定位的精确 度和操作的可视化,方便术者操作，并减少手术创伤,从而加强了手术的安全性和灵活性。由 于无框架立体定向手术不必在患者头部安装框架,在减轻患者手术痛苦的同时,也减少了其心 理负担。
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3.4 与国外机器人系统比较,本机主要有如下特点[5～7]：①扫描定位装置:针对 我国拥有众多CT、MRI机型的特点,自行设计的软件可通过扫描仪获取各种规格CT或MRI图像 上的数据。②简易映射方法:应用光标在计算机屏幕上直接选择预定靶点,并自动通过坐标变 换将其映射到智能机械臂的角度坐标。③规划手术径路:利用PC机,可实时模拟显示术者选择 的穿刺径路,为术者判断靶点导航。④操作器械平台:多关节智能机械臂末端不仅具有指示靶 点坐标作用,也可装载穿刺针、内窥镜等器械;术者选择可避开脑重要功能区的穿刺轨迹后, 微电机固定的机械臂即可保持稳定的姿态,将探针等器械指向靶点,实际定位精度1.5mm。
以微创伤为主要目标的现代立体定向神经外科,正朝着精细化、程序化方向发展。无框架脑 立体定向手术代表了这一发展趋势,具有十分广阔的应用领域。
参考文献：
[1]Rhodes ML. Computer graphics and medicine: a complex partnership. IEEE Comp Appl, 1997, 17:22
, 百拇医药
[2]Rabischong P. Robots for surgeons or surgeons for robot? Comp Aid Surg, 1997,2:3
[3]Kondziolka D, Lunsford LD. Guided neurosurgery using the ISG Viewing W and. Contemp Neurosurg, 1995, 17:1
[4]田增民,王田苗,刘宗惠等.机器人系统辅助脑立体定向手术.军医进修学院学报, 1998,19:4
[5]Apuzzo ML. New dimensions of neurosurgery in the realm of high technol ogy: possibilities, practicalities, realities. Neurosurgery, 1996, 38:625
[6]Iskander BJ, Nashold BS. History of functional neurosurgery. Neurosurg Clin North Am, 1995,6:1
[7]田增民.立体定向神经外科进展.国外医学神经病学神经外科学分册,1999,26:3[ ZK)
收稿日期：1999-09-21, 百拇医药
单位：田增民(海军总医院，北京市 100037)；杜吉祥(海军总医院，北京市 100037)；赵全军(海军总医院，北京市 100037)；王田苗(北京航天航空大学，北京市 100083)；刘达(北京航天航空大学，北京市 100083)
关键词：脑手术；机器人；计算机
海军医学杂志000126 摘 要：目的：临床应用国产机器人系统(CRAS-BH型)辅助完成脑外科立体定向手术。方法：机器人系统主要由影像引导装置、三维定 位软件和智能机械臂等部分组成。手术时,机器人系统通过识别贴附于患者头部的标志点建立相应的三维坐标体系;智能机械臂按照手术规划自动地锁定,为术者准确导航并提供操作平台。结果：临床成功应用机器人辅助完成脑立体定向手术40例,包括脑肿瘤内放疗、脑内病变活检、脑脓肿抽吸、脑内血肿排空、金属异物取出等手术。结论：利用机器人辅助完成脑立体定向手术,具有减轻病人手术痛苦，方便 术者操作,提高手术安全性等优点。
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The Use of Robots in Brain Operations
Tian Zengmin, Du Jixiang, Zhao Quanjun
(avy General Hospital, Beijing 100037)
Abstract：Aim：The clinical use of a domestic robot sy stem (model CRAS-BH) for assistance of brain stereotactic operations. Methods：The robot system was mainly composed of an image-guiding device, 3D software and an intellectual mechanical arm. During the operation, th e robot system distinguished the marks attached to the patient's head and set up relative 3D coordinate. According to the plan of the operation, the mechanical arm was locked automatically, to supply doctors with precise navigation and an o perative platform. Results：40 cases of stereotactic opera tions were successfully performed with the help of the robot. These operations i ncluded intratumoral irradiation, biopsy of brain lesion, evacuation of abscess or haemorrhagia, and removal of foreign body. Conclusion：There were several advantages of using the robot in brain stereotactic operation s, such as to relieve patient's pain, to convenient doctors' management and to i ncrease the operative safety.
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Key words：brain operation; robot; computer▲
近年来,国际医学界开始研究将机器人应用于脑手术。由于其技术先进，需要多学科合 作,迄今国外开展此项研究的仅有法国、美国、日本、加拿大等少数国家,且立体定向手术均 依赖于定向仪框架[1～3]。1998年1月～1999年1月,我们设计并应用CRAS-BH型机器 人系统(computer and robot assisted surgery, type BH)临床成功地施行了40例脑立体 定向手术,并且摆脱了定向仪框架。
1 资料及方法
1.1 一般资料 本组40例,其中男22例,女18例;6～68岁,平均23岁。手 术种类包括:脑肿瘤内放疗25例(其中颅咽管瘤18例、星形细胞瘤6例、胶样囊肿1例)， 脑深 部病变活检6例， 脑脓肿抽吸3例,脑内血肿排空2例,金属异物摘除2例，内窥镜切除肿瘤2例。
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1.2 机器人系统 海军总医院与北京航天航空大学联合开发的机器人系 统,主要结构包括智能机械臂、影像引导装置和三维定位软件等三个部分。该系统分动力型( BH1)和非动力型(BH2)两种。在脑立体定向手术中,该系统可以取代传统的定向仪框架,通过 识别贴附于患者头部的标志点,建立相应的三维坐标体系;通过标示靶点位置和穿刺轨迹,智 能机械臂按照模拟手术计划固定穿刺方向,为术者提供准确导航和操作平台。
1.3 手术方法 首先在患者头部安放立体定位标志点， 然后进行CT扫 描明确病灶部位。利用机器人系统完成如下操作:(1)扫描定位:将CT片经扫描仪输入计算机, 利用专门设计的定位软件,自动显示拟穿刺靶点的三维坐标;(2)导航穿刺:在计算机屏幕上, 实时显示智能机械臂的位置运动引起的实际穿刺轨迹与预达靶点间的变化;(3)固定操作: 先 用胶带或头架固定患者头部，再按照手术规划利用机械臂固定穿刺道,以便术者将穿刺针等 细微手术器械抵达靶点，进行相应的手术,如抽吸肿瘤囊液或血肿、病变活检及脑瘤内注药 等[4]。
, 百拇医药
2 结 果
2.1 本组40例机器人辅助立体定向手术过程顺利。从机器人系统扫描定位至手术结束拔出 穿刺针，平均历时40min。
2.2 25例囊性脑肿瘤内放疗患者，抽吸囊液后注入放射性同位素32P。6例脑深部 病变活检，证实为星形细胞瘤4例、炎性肉芽肿2例。3例脑深部脓肿，分别抽吸出脓汁8～15 ml。2例基底节区血肿，分别抽出陈旧性积血16ml和24ml，并置管引流。脑内金属异物摘除2 例，分别为额叶和枕叶深部的铅弹。2例体积较小的肿瘤(直径<2cm)，行内窥镜切除。
2.3 本组40例患者手术经过顺利，均一次定位成功，无手术并发症。多数患者(36/ 40)于手术后2～4h，即可进流食，术前病情较轻者次日即可下床活动。
2.4 34例病人(除活检6例)术后随访6～24月，其中临床治愈23例(脑瘤18例、脑内异物2例 、脑脓肿2例、脑内血肿1例)，好转7例(脑瘤6例、脑脓肿1例)，无变化2例(脑瘤)，恶化1例 (脑瘤)，死亡1例(再次脑出血)。
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3 讨 论
3.1 近年来,外科机器人正步入临床医学领域[1,2,4]。医疗外科机器人是一个多 学科交叉研究领域,涉及机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创伤手术等诸多内容 。在辅助脑手术方面,外科机器人由于具有精确性高、可重复性好、安全性强等优点,更成为 国际医学界研究的热点。然而,由于其技术先进，合作复杂,目前世界上仅有少数几个国家能 开展临床应用[2,3]
3.2 传统的立体定向手术必须借助于头部框架,方能完成定位和穿刺。立体定向框架一方面 保证了定位的稳定性和准确性,另一方面也限制了手术的灵活性和可视性。虽然国外医疗机 器人技术已研究多年,但仍未实现无框架立体定向手术[1]。本组设计并应用国产机 器人(CRAS-BH型)系统,成功完成了32例无框架脑外科立体定向手术,在该领域取得了突破。
3.3 本机器人的作用原理是基于CT/MRI图像扫描建立三维医学坐标体系,对脑立体定向手术 进行规划与虚拟操作,最后实现多传感器机械臂的辅助定位及操作[4]。本组无框架 脑立体定向手术应用范围较广,效果较好。临床实践表明,该机器人系统可以提高定位的精确 度和操作的可视化,方便术者操作，并减少手术创伤,从而加强了手术的安全性和灵活性。由 于无框架立体定向手术不必在患者头部安装框架,在减轻患者手术痛苦的同时,也减少了其心 理负担。
, 百拇医药
3.4 与国外机器人系统比较,本机主要有如下特点[5～7]：①扫描定位装置:针对 我国拥有众多CT、MRI机型的特点,自行设计的软件可通过扫描仪获取各种规格CT或MRI图像 上的数据。②简易映射方法:应用光标在计算机屏幕上直接选择预定靶点,并自动通过坐标变 换将其映射到智能机械臂的角度坐标。③规划手术径路:利用PC机,可实时模拟显示术者选择 的穿刺径路,为术者判断靶点导航。④操作器械平台:多关节智能机械臂末端不仅具有指示靶 点坐标作用,也可装载穿刺针、内窥镜等器械;术者选择可避开脑重要功能区的穿刺轨迹后, 微电机固定的机械臂即可保持稳定的姿态,将探针等器械指向靶点,实际定位精度1.5mm。
以微创伤为主要目标的现代立体定向神经外科,正朝着精细化、程序化方向发展。无框架脑 立体定向手术代表了这一发展趋势,具有十分广阔的应用领域。
参考文献：
[1]Rhodes ML. Computer graphics and medicine: a complex partnership. IEEE Comp Appl, 1997, 17:22
, 百拇医药
[2]Rabischong P. Robots for surgeons or surgeons for robot? Comp Aid Surg, 1997,2:3
[3]Kondziolka D, Lunsford LD. Guided neurosurgery using the ISG Viewing W and. Contemp Neurosurg, 1995, 17:1
[4]田增民,王田苗,刘宗惠等.机器人系统辅助脑立体定向手术.军医进修学院学报, 1998,19:4
[5]Apuzzo ML. New dimensions of neurosurgery in the realm of high technol ogy: possibilities, practicalities, realities. Neurosurgery, 1996, 38:625
[6]Iskander BJ, Nashold BS. History of functional neurosurgery. Neurosurg Clin North Am, 1995,6:1
[7]田增民.立体定向神经外科进展.国外医学神经病学神经外科学分册,1999,26:3[ ZK)
收稿日期：1999-09-21, 百拇医药