系列回顾
神经外科手术技术
开颅暴露基本技术之手术室设置
神经外科手术技术
开颅暴露基本技术之患者体位
神经外科手术技术
动脉瘤手术的一般原则
神经外科手术技术
大脑中动脉动脉瘤手术技巧
神经外科手术技术
脑出血手术技巧
神经外科手术技术
立体定向活检手术技巧
显微外科手术机器人和术中磁共振成像
作者：MichaelR.Greene,GarnetteR.Sutherland
译者：姜朋军吴俊
1引言
近几十年来，术中磁共振成像和机器人在神经外科手术中的应用得到快速发展［1~17］。尽管两项技术通常被分开讨论，其在具体的临床应用中往往具有密切联系。影像引导手术机器人将机器人领域的最新进展与术中成像、手术导航及计算机处理等技术相融合，其在神经外科领域的应用具有鲜明优势。随着病变定位水平的提高，手术暴露的范围趋于狭小，这也使外科医生双手操作的灵巧性、准确性和稳定性的提高受到必然限制。机器人技术能够克服上述限制，其利用人体工程学的技术进步，能够降低疲劳感，同时具有完善的计算机用户操作界面。此外，术中成像能够在术前规划、切除控制和并发症监测等方面提供帮助。本章主要讲述机器人技术和术中磁共振（iMRI）在常见神经外科疾病中的应用。其中描述的很多步骤与传统手术技术相似，这样设计主要是为了将传统手术向机器人辅助手术过渡所带来的影响降至最小。
1.1术语
以下术语和概念是后文对外科机器人系统进行讨论的基础。末端执行器：机器人操纵器的尖端，用来连接和安放手术器械。运动学：单个关节角度与末端执行器位置和方向相关（反之亦然）。因此，运动学这一术语可以进一步描述机器人结构的设计和形态。例如吊杆的长度和类型、关节的方向和位置等。可达工作区：末端执行器可以到达的范围，需要考虑关节角度的限制及周围环境的阻碍（包括自身的阻碍）。灵活工作空间：灵活性是指操纵器施加力、扭矩及在任意方向移动的灵活性［18］。灵活的工作区总是在可达工作区内，即灵活工作区描述的是机械臂在可达范围区内特定结构下的灵活性。这一概念对机器人辅助手术的术前规划非常重要，因为尽管机械臂有时能够到达特定的目标位置，但受机器人特定结构限制，其在该位置往往不具有完成指定任务所需的灵活性。自由度（DOF）：构成机器人的所有独立组件的数量，包括所有的动力装置。DOF的数量并不总是与机器人的关节数量相等，因为部分关节可能包含多个DOF［例如球状关节（如肩关节）有3个DOF：俯仰、侧摆及旋转（分别指外展/内收、屈/伸、内旋/外旋）］。触觉反馈：能够向操作者提供力反馈的一项技术，其表现形式为运动和（或）触觉反馈。远程手术：间隔一定距离进行手术（通过或不通过机器人）。
遥控机器人：间隔一定距离进行操作的机器人。一般来说，遥控机器人通常应用于术者由于某些限制难以到达的环境中，包括空间、距离或有害环境等限制。远程呈现：指在远程机器人中通过类似于虚拟现实（VR）技术使术者获得术野中的真实感觉。高度保真的视觉反馈是实现真实的远程呈现的重要保证。自主性：指感知、决策及操作的独立性。自主性分类：通常依据手术机器人自主性的不同可分为3种不同的控制结构：直接或手动控制、共同控制及监督控制［19］。直接控制指机器人自身没有自主操作功能，类似于远程遥控车——在操作者未发出指令时不会进行任何操作。尽管可能存在部分信号过滤，这类机器人通常直接按照操作者指令进行操作。监督控制是指在高级用户指令控制下，机器人具有有限的、基于任务的局部自主性，火星探测器等太空机器人即是监督控制的典型代表，存在长时间的通信延迟。共同控制指介于直接控制和监督控制之间的控制系统，是用户直接命令与基于时间、空间或任务的机器人自主性的结合。
目前，手术机器人中应用最为广泛的控制结构是共同控制。除了在术者手动控制下进行操作外，机器人同样可以自主完成某些任务或使用预编程逻辑对用户命令进行改写——如存在障碍物时或避免碰撞。直接控制装置即主—从配置的操作界面本身通常采用的是机械装置，类似于机器人操纵器。主—从机构的局部结构存在不同程度的区别。主手装置要求符合人体工程学，而从手术装置则需考虑在术野操作的灵活性。离合装置（即分离装置）可以断开直接控制，使操作者可以重新定位。在这种结构类型中，平移运动可通过预置放大倍率进行调节以满足显微手术对精确度的要求。由于方向改变会造成非线性映射，故操作方向不允许被调整，但可以调整操作力量，许多手术机器人可以通过输入滤波消除术者的震颤。
1.2neuroArm
卡尔加里大学Foothill医院的neuroArm手术机器人是一个双人操作的远程机器人系统，能够精确进行肿瘤切除、无框架立体定向手术，并集成了3.0TiMRI系统［11~14］。通过使用主从控制结构，术者在手术室邻近的工作台上能够对neuroArm的7个DOF（6个空间、1个工具驱动器）进行操控。关节由超声波压电马达（nanomotion,Yokneam,Israel）驱动，在电源故障或关闭的情况下能够自动停止。此外，关节电机还具有非易失性存储器，能够在一个动力循环中保存位置信息。每个机械臂可控制6个DOF运动，同时将3个DOF的力反馈（转换）至支持触觉的Sigma7手控制器（ForceDimension;Nyon,Switzerland），可为外科医生提供动觉反馈。机械臂是由包含钛、聚醚醚酮（PEEK）和聚甲醛（Delrin,Wilmington,Delaware,USA）制成，可确保MR检查时的安全性。机械臂位于高度可调的移动基座上，包含一个便携相机和数字化臂，使机器人工作空间可以注册到头部线圈基准点的位置。neuroArm项目正逐步发展成熟，其在机器人辅助神经外科手术中的应用不断增强。neuroArm是由卡尔加里大学和麦克唐纳·迪特维利联合有限公司（MDA:Brampton,Ontario,Canada）联合设计和开发的，正在由IMIRIS公司进行商业化研究（Minnetonka,Minnesota,USA）。
2患者选择
目前，neuroArm已被成功应用于超过65例颅脑病变患者的切除或辅助切除手术中。由于neuroArm仍处于原型阶段，仍需进一步技术检验和概念证明，目前，机器人手术一般选择术中出现状况后可转行传统手术治疗的患者。脑肿瘤特别是胶质瘤和脑膜瘤患者是目前的主要适应人群，其次是海绵状血管瘤患者。
3禁忌证
受机器人自身活动的限制，应排除肿瘤位于机器人操作范围之外的患者，如术野位于机器人可达或敏捷工作区之外的情况。
4治疗目的
机器人辅助神经外科手术的目的与常规手术相同：·实现最大程度的病灶切除·使相邻组织损伤最小化·尽量减少术中和术后并发症·获得明确的病理诊断·缓解患者的症状
5术前注意事项
5.1机器人测试
合格的技术人员应定期对机器人进行检测以保证其软件和机电功能正常。术前行末端部执行器力传感器校准并记录最小重力配置下的偏差传感器读数。在机器人手术中，手术开始之前铺无菌巾前后再次进行测试以确保其运动范围不受阻碍且软件功能正常。
5.2患者知情同意
目前，neuroArm的使用经过卡尔加里大学医学、护理和运动学联合健康研究伦理委员会批准，该技术经加拿大卫生部批准用作实验设备——调查测试授权等级Ⅳ。在使用之前需额外签订知情同意书。使用neuroArm与传统技术相比的潜在风险和利益应向患者解释清楚，同时应说明前期的临床研究提示其并未增加额外的风险［15］。
6围手术期准备
iMRI环境要求进行几项特殊的围手术期准备。常规的麻醉机和生理监测设备在靠近磁体时会因电磁（EM）干扰而发生故障。同时，生理监测设备由于本身固有的铁磁性造成的EM干扰影响MR图像质量。一般来说，传统的气体麻醉设备并不适用于iMRI术间。MR兼容的麻醉机和生理监测设备必须由非铁材料制成且具有电子电路屏障。临床上已经有不含铁类材料的喉罩气道和气管内插管，可用于iMRI中。带锂离子电池的塑料喉镜、非铁的光纤脉冲血氧监测仪和液晶热敏电阻温度传感器、无创血压监测器均可以使用。含非铁导线的有创血压监测仪目前也可以使用。传统的ECG监测在MR成像过程中由于EM相互干扰容易产生伪影。注意引线位置、类型和缆线放置等原则有助于降低这种影［20］。最后，由于图像采集期间对患者的观察和处理的难度增加，需要考虑对处于磁体中的患者突发意外状况时提供应急的基础生命支持措施。
7手术流程
患者摆好体位并麻醉后进行如下步骤（视频1）。
7.1步骤1：术前成像和神经导航（可选）
术前成像
通常在术前数周或数月采集术前影像资料，患者麻醉并摆好体位后行iMRI检查。该检查可协助进一步明确诊断，在许多病例中可用于神经导航。手术当日的术前影像学检查可以避免对已经消失的颅脑病变进行手术［21］，并能指导开颅、病灶定位和肿瘤切除的精确进行［22，23］。在NeuroArm手术中，通过已有的iMRI系统获取MR图像，iMRI系统包括一个安装于天花板轨道上的磁共振机器，其工作孔径为70cm，整个房间需要RF屏蔽［16］（图1）。对于特定病例可进行特定iMRI成像序列，通常包括T1、T2、FLAIR和DTI序列（图2）。T1和T2通常用于颅脑病变的大体解剖评估，FLAIR像有助于脑室周围白质病变的检测并排除术中出血，DTI可用于判断病变与邻近纤维束的关系。
图1安装于天花板上的3.0T术中磁共振
图2术中MRI成像DTI序列表明白质纤维束及右额叶星形细胞瘤之间的关系
神经导航
神经导航能够依据参照物对术区的结构进行定位。通常采用三维图像序列作为参照物，能够按照患者特异性的解剖结构进行术中引导，尤其可用于定位术前影像检查已经识别的目标病变［26~28］。术前将术区与影像资料进行注册是后期指导手术操作的基础，即无框架立体定向技术［28］。多种影像资料可用于无框架立体定向中［29~33］。在神经外科中，MRI最为常用。与其他影像资料信息相结合即所谓的多模态导航，脑磁图（MEG）和功能MRI（fMRI）可协助重要皮质功能区的定位［30，31］。DTI通过勾画主要传导束的走形对皮质下区域成像［32］。正电子发射断层摄影（PET）和磁共振波谱成像（MRS）能够提供相关的代谢信息［33］。
以MRI为基础的神经导航存在几种不同方式，但通常以相同的基本原理工作。
1.患者的头部在术中必须保持固定，通常采用具有3个头钉的头架将颅骨固定于手术床上。
2.注册需要能够将术区和影像资料关联，可以通过多个方法完成注册。标记点注册通常依靠粘贴于患者面部和头皮的基准点完成，这些基准点在MRI上可见。另外，也可以采用解剖标志代替基准点进行标记点注册，通过手动方式选择影像上的相应解剖位置。术中成像时可以使用一个包含一系列固定基准点的头部线圈，即注册矩阵，将该矩阵固定于具有3个头钉的头架上并可完成触点手动和自动注册。另外，也可以利用表面注册的方式将面部及头部的外部轮廓作为固定参考点与相应的影像解剖自动匹配，这样可以不再使用多个基准标志物。
3.标记点和（或）头部线圈（如果适用）放置完成后，对患者进行影像学检查。
4.影像检查完成后，将注册架安装到头架上。注册架包含多个注册标记点，能够在术中指导手术进程，也是术中判断病变残余情况的主要参考系。
5.注册。在机器人手术中，neuroArm可以使用其内置的导航系统或其他商业化的导航系统进行注册。neuroArm的触点注册系统需要将其数字化臂依次放置在机器人特定的指定标记上，然后放置于头部线圈及注册架的接触点上（图3）。
6.配准完成后可取下头部线圈以暴露患者头部，继续下一步手术操作。
图3使用数字化臂对neuroArm进行注册，将数字化臂放置于机器人上的预定位置（左）。然后放置于头部射频线圈的基准标记上（右）
在注册过程中，以影像为基础的参考架与手术［和（或）机器人］工作区的坐标系按照固定的数学关系即变换矩阵建立联系。该矩阵存储在软件中，描述了参考架之间的方向和平移信息。导航可以通过多种方式完成，传统导航系统依赖于光学感应，EM导航是更为先进的方法（图4）。在机器人手术中，导航通常依赖于关节的编码器信息，通过正向运动学确定器械尖端位置和方向。在这种情况下，关节位置误差可以累积，此时可用更为先进的EM导航保证精度。如前所述，neuroArm可以使用多种方法进行导航。无论使用何种方法，神经导航能够使工具位置对应显示在MR图像上，指导手术入路和肿瘤切除。
图4EM导航（AxiEM,Medtronic;Minneapolis,Minnesota,USA），其也可以用于neuroArm注册
与传统基于指针的光学导航不同，机器人注册后能够提供连续、不间断的导航功能，使工具位置实时显示在机器人工作站上［34，35］。术中连续成像可以消除脑移位的影响，增加肿瘤的切除程度并减少医源性神经功能损害［36］。可以解决上述问题的另一方法是在磁体内进行手术，由于手术空间和影像学检查空间重合，能够不必再行额外的注册即可实现术中的直接导航，即所谓的前瞻定位技术［37］。
7.2患者准备
用于手术规划的MR图像完成后，术区准备与传统手术相同，除了要将RF线圈的下半部分置于含3个头钉的头架（若使用）上，其他操作与传统手术的术前准备相同。
未完待续参考文献-略
注：本文节选自《神经外科手术技术图谱》第二版，山东科学技术出版社，原著作者：LaligamN.Sekhar，RichardG.Fessler，主译：王硕教授；原著来源：《AtlasofNeurosurgicalTechniques》BrainVolume1SecondEdition；Thieme出版社。本文图片因版权所限，为截屏版，非书内原图。
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