王乃堃 骆敏舟 陆丽娟

（1 南京大学医学院附属鼓楼医院疼痛科，南京210008；2 江苏省产业研究院智能制造技术研究所，南京210000）

微创外科手术是借助于各种视觉图像设备和先进灵巧的手术器械装备，以最小的创伤（不用切皮，仅有穿刺针眼）将器具或药物置入到病变组织，对其进行物理、机械或化学治疗的手术方式[1]。随着手术器械及图像影像技术的快速发展，微创手术的概念早已从传统的腹腔镜、胸腔镜手术拓展至各式影像引导下的微创介入手术，其应用范围覆盖疼痛科、心血管内科、神经内科、脑外科、泌尿外科等科室。微创介入手术以其创伤小、恢复快、风险小等特点[2,3]，得到广泛的应用，也逐渐成为临床医疗的重要组成部分。

微创外科手术实施，关键在于通过穿刺操作精准地将介入手术工具放置到手术目标位置，而传统的影像引导下的操作存在以下问题[4]：①经验依赖性：要求医师进行大量的练习和实际操练，年轻医师往往需要经历较长的培训阶段方可具备成熟稳定的穿刺操作技术；②精准性不足：徒手操作的精准性往往取决于操作医师的技术熟练度和稳定性；③操作损伤及辐射增加：反复调整操作及影像扫描过程增加操作相关损伤以及医患双方的辐射；④操作疲劳：长时间手术引起操作者疲劳，带来手术效率及稳定性的下降。近年来，穿刺机器人技术[5]快速发展，该技术是一种整合计算机技术、影像技术和机器人技术的新兴穿刺导航技术，在解决微创外科手术精度不足、辐射过多、操作疲劳等问题时表现出了巨大的潜力。穿刺机器人技术是机器人领域和医学外科手术领域结合的前沿研究方向，但目前仍处于起步阶段，仅在部分学科领域实现了临床运用。因此，本文将就穿刺机器人概述、临床应用以及该技术尚存在的问题进行综述，并展望该技术在慢性疼痛微创介入治疗中的应用前景。

一、穿刺机器人概述

医疗机器人是指各种应用于外科手术、医学培训、康复治疗、假体和残障人士辅助等的机器人设备。根据服务对象的不同可分为医疗外科机器人、康复机器人和助老助残机器人等[6]。而穿刺机器人作为医疗外科机器人的分支之一，则是专用于进行微创外科手术的医疗机器人，其一般由机械臂、成像设备、空间定位系统及工作站四部分以及相应的软件组成。穿刺机器人运行的过程一般遵循“感知/推理/操作”三原则，即建模、规划和执行三个阶段。建模阶段主要为成像设备采集病变部位CT、MRI等医学图像，并使用软件进行三维重建处理，以立体图像的方式呈现给医师，从而使医师更加准确地识别病灶靶点；规划阶段为空间定位系统将机器人、图像和病人三者联系起来，并确定相应的手术实施策略；执行阶段则是借助手术系统的空间变换及手术器械监控，实施已制定的手术策略。

二、穿刺机器人的临床应用

1.穿刺活检

活检是临床诊断的重要依据，活检的精准性是正确诊断的基础，而对于体积较小的病灶、位置深在或周围组织结构复杂时，对于操作者穿刺技术的要求高。目前为止，穿刺机器人已有在乳房活检、肺部小结节活检和前列腺活检方面的探索和报道。

（1）乳房活检：2012 年，美国Nelson 等[7]为实现乳腺癌早期小病灶的精确活检开发了超声图像引导穿刺机器人，其总体误差小于1 mm，变异度小于0.5%；2015 年，国内天津大学就乳腺活检穿刺机器人提出了具有摩擦补偿的自适应比例-积分-微分控制理论(an adaptive proportional-integral-derivative controller with friction compensation)用于精确的位置控制，用于补偿穿刺针与肌肉之间摩擦力所致的误差，其体外实验误差为0.68 mm[8]；德国Esposito 等[9]于2016 年针对乳腺癌前哨淋巴结针刺活检，研制2D 伽马超声图像引导下穿刺机器人，在体外模型实验中使得手术时间减少了36%，误差为1.12 mm；2017 年，韩国Park 等[10]开发了磁共振图像引导下的乳腺活检穿刺机器人，在体外实验所得的70 组数据中，最大误差为0.86 mm。

（2）肺部小结节活检：2017 年，印度Radhakrishnan 等[11]开发了拥有自动机械臂(automated robopsy arm, ARA)穿刺机器人，在PET/CT 引导下对25 名已经进行过常规肺部病灶穿刺活检但未能确诊的病人进行再次活检，最终所有病人均得到明确诊断，总体诊断率为100%；同年，我国学者Yang 等[12]就肺结节活检提出了一种基于螺旋理论(screw motion, SR)的机器人误差模型，补偿了机器人结构和驱动等问题所带来的误差，体外模拟实验误差为1.373 mm。

（3）前列腺活检：2016 年，美国Eslami 等[13]开发了用于前列腺穿刺活检机器人，其拥有一个4自由度机械臂，体外实验最大距离误差为0.73 mm，最大角度误差为0.272°；同年，加拿大Seifabadi等[14]同样开发了拥有6 自由度机械臂的前列腺穿刺机器人，远程控制穿刺针实现连续转向，体外实验误差从4.2 mm 下降至0.9 mm；法国Vitrani 等[15]也于同年研制了类似的前列腺穿刺机器人，并进行了首次临床实验，结果显示与徒手穿刺相比，机器人辅助穿刺精准性更高。

2.肿瘤消融

2005 年，美国Patriciu 等[15]对14 名肝脏肿瘤病人使用穿刺机器人进行肿瘤消融手术，机器人辅助穿刺组与徒手穿刺组相比，达到靶点时间、手术时间及辐射剂量分别为3.57 min:8.57 min、44.57 min:67.57 min 及469.71 mrem:7075.71 merm，三个指标均有明显下降，且手术效果未有明显差异；2014 年，美国Koethe 等[17]设计机器人辅助穿刺与徒手穿刺进行比较，体外实验显示总误差与肿瘤残留百分率均较徒手穿刺有明显改善；韩国Won 等[18]在2017 年开发了CT 引导下主从穿刺机器人，为了验证其精准性和稳定性，对大小不同的两个肝脏结节（直径为10 mm 和20 mm）进行7 次模拟穿刺，显示针尖到靶心的总体误差为2 mm；2018 年，我国侯姣蛟等[19]自主设计了一种基于光学导航的全自动肝癌消融精准机器人穿刺，体外模拟试验定位误差为0.995 mm。

3.血管介入

1997 年，美国Northwestern University 在治疗视网膜静脉阻塞(retinal vein occlusion, RVO)等相关疾病时，为实现视网膜血管内精确置管给药，设计了新型穿刺机械臂并进行了动物实验，结果显示较徒手操作相比，穿刺机械臂增加置管成功率并显著延长了针尖在血管内的时间[20]；美国Gonenc 和Berk 等[21,22]研制了稳态手眼机器人(steady-hand eye robot, SHER)，配合手持微操纵器，消除手术过程中手部的震颤，更好固定穿刺针的位置，使得穿刺偏差减少了65%，并在此后做出改进，使机器人自动调整穿刺针在血管内的位置，进一步减少了置管期间的损伤。

4.疼痛科微创介入治疗

目前为止，穿刺机器人在慢性疼痛微创介入治疗中的应用主要集中在脊柱手术和颌面部手术。

2005 年，日本Onogi 等[23]开发了用于经皮椎体成形术的穿刺机器人，其动物实验显示穿刺针尖到靶点平均误差小于1 mm，角度误差小于1°，且操作者无需暴露于射线之下； 2016 年，德国Beyer等[24]使用穿刺机器人系统行体外小关节穿刺，机器人辅助穿刺组与徒手穿刺组相较，其较正次数分别为0 次及1.3 次，轴向误差与纵向误差分别为0.35±1.1 mm 和2.15±1.2 mm；2018 年，我国张在田等[25]使用“天玑”机器人辅助对40 名病人进行椎体成形术，与徒手穿刺相比，术前后VAS、JOA评分、Cobb 角度测量及住院时间均有所改善，且术后并发症无明显差异。同年，徐鹏等[26]使用天玑骨科手术机器人系统辅助椎弓根螺钉置钉治疗胸腰椎骨折病人，与传统透视引导相比，骨科手术机器人系统不延长手术时间和增加术中出血量，并能显著提高椎弓根螺钉植入的精确度；朱金文等[27]使用Mazor Renaissance 脊柱外科手术机器人引导下手术治疗胸腰椎骨折，能显著提高置钉准确率、减少术中透视次数。

颌面部疼痛是慢性疼痛的重要组成，经卵圆孔和经圆孔的三叉神经介入手术是治疗颌面部慢性疼痛的重要技术。2016 年，彭胜等[28]使用智能机器人3D 导航下经圆孔治疗三叉神经痛第II 支，结果显示术后 3 个月及7 个月，病人生活质量各方面受干扰程度得分均显著低于术前；食欲、与人交往、生活兴趣等方面术后 7 个月得分较术后 3 个月更低；术后7 天、3 个月、7 个月评分显著低于术前，最终得出结论：智能机器人三叉神经 3D 导航下经圆孔治疗三叉神经痛第II 支定位准确、疗效确切，值得临床推广。

三、穿刺机器人存在的问题

尽管大多数研究均显示机器人较徒手穿刺有不同程度的优势，但目前为止该技术在大部分学科领域仍处于实验室体模实验和动物实验阶段，尚未进入临床应用，其原因可能是大部分穿刺机器人的穿刺误差尚不满足特定穿刺手术的要求，从穿刺机器人的核心组成部分进行分析，主要存在以下几点问题：

1.术前医学成像及手术规划

此部分主要包括影像资料的获取、图像三维可视化建模、手术规划算法等。目前主要使用高分辨率计算机断层扫描(high resolution computer tomography, HRCT)和核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI)等获得相应手术位置的影像资料，其层间距多为1 mm，相对而言精度略显不足，且此误差无法从操作层面消除；图像三维可视化建模由图像预处理和绘制两部分构成，预处理是指对图像进行画质的改善，其中最重要的是对有效区域的分割，这是获取病变部位信息的重要步骤，直接影响着图像三维建模的质量，影响医师对病灶的判断，因此选择何种建模方法也成为误差的来源之一；手术规划算法是利用影像资料在系统重建病人体内不可见的区域后，使用相应的软件程序，计算出最佳穿刺点及穿刺路径，避开骨性结构及重要的血管及脏器，提高手术精度的同时保障病人的安全，良好的软件算法也是减小误差的重要一环[29]。

2.导航定位系统误差

目前临床应用的导航系统主要包括磁定位导航及光学定位导航两种方式，光学定位导航通过采集光学信号，来获得各位置的空间移动数据，并将其反馈到导航系统中对导航图像进行校准，从而完成导航功能，其精度能达到1 mm，但医师临床操作中不能阻挡光线传播，该方法操作空间受到限制；电磁定位导航系统的原理和光学定位导航系统相似，其包括具有三维线圈结构的磁场发射器及具有接收功能的电磁信号接收器，通过发射的磁场获得各个目标点的位置实时数据，经过后处理将各部分空间位置关系显示于导航影像中，其精度略低，一般能达到3 mm，但不限制医师操作空间。目前两种导航定位系统均实现了商业化，加拿大 NDI 公司生产的影像导航装置光学定位系统 Polaris 精准度可达 0.12 mm，磁定位系统Aurora 精准度可达0.23 mm。新的导航方式相继出现，如超声容积导航，其原理为电磁导航技术与图像融合技术的结合，需要超声系统具备电磁跟踪装置以及图像融合软件，实现多模式的图像融合，目前此项技术已见报道，导航定位系统的进步为缩小穿刺机器人误差带来了极大便利。

3.机器人硬件构型

穿刺机器人的硬件系统一般由机器人主体、执行器、驱动器等部分组成，主体包括底座、控制结构以及连接两个相邻部件的转动关节，执行器是机械手臂上直接作用于任务对象的最后部件，驱动器是机器人的动力供应部分，稳定、灵活、可靠及高精度的硬件组合是缩小误差，实现穿刺手术成功的重要因素，机器人设计不仅要满足临床要求，更需要匹配手术治疗室空间设置以及医师的操作习惯，减小人为误差对手术造成的影响，提高手术的安全性。

4.穿刺针与组织相互作用

穿刺针在骨性结构等刚性组织中行走时方向变化基本不大，但在软组织中穿刺时则会导致以下两种变化[30]：一是软组织受力变形导致穿刺靶点偏移，二是穿刺针受力导致穿刺路径改变，因为在软组织中运动时，针体和组织受到包括摩擦力和切割力等不均匀作用力，穿刺针弯曲和软组织变形，在软组织中穿刺时会导致误差明显变大，研究穿刺针的受力及操作模型，因此设计有效的软件补偿误差是非常重要。

5.呼吸运动等不自主体动

在进行胸部及腹部穿刺时，呼吸运动会导致内脏穿刺靶点移位，同样，病人疼痛反应时肌肉收缩及不自主肢动也会影响体表定位及进针穿刺[31]，因此，建立合适的呼吸运动补偿系统、选择合适的进针时机及维持术中良好的镇痛镇静，都是减少穿刺误差的有效措施。

穿刺机器人作为一个全新的技术，在实现产品化过程中必然面对一系列问题，如产品安全性监测、可接受的产品成本定价、专业的操作培训、未来可实现的远程控制等。因此，制定统一的产品技术标准、手术操作规范和治疗效果评价标准，这些都有助于穿刺机器人的临床应用推广。

四、展望

为改善国内慢性疼痛诊疗现状，2007 年卫生部发布的227 号文件指示，要求全国二级以上的医院建立独立的疼痛科，10 多年来，我国疼痛事业有很大发展，截至2017 年数据统计，国内独立建制不同级别疼痛专科约1000 家，疼痛专科医师总人数约20 000 人。但和传统学科相比，疼痛科是医学领域的年轻专科，发展尚不成熟，专科医师水平参差不齐，国内地区之间诊疗水平和资源也差异很大。面对我国近1.6 亿慢性疼痛人群，现有医师队伍远远无法满足就医的需求，亟待先进的科学技术助力疼痛学科的发展。

微创介入手术是疼痛医学的核心技术，在影像引导下进行精准穿刺，达到治疗疼痛病因和解除疼痛的目的。该技术涉及颌面部，胸腹部、腰骶部及盆腔等全身多部位、多种目标的精准穿刺，而且大部分手术靶点细小、部位深在、周围有重要的血管、神经等组织，对穿刺手术精准性和安全性要求高。穿刺机器人以精准、稳定、便捷等优点，与慢性疼痛微创介入手术的需求相契合。尽管目前穿刺机器人应用于疼痛科相关治疗技术的文献报道主要为椎体成形术，其他报道诸如机器人应用于头面部三叉神经痛的半月神经节射频以及椎间盘微创治疗相对少见，但该技术在慢性疼痛微创介入治疗中仍具备重要的潜力，应该得到疼痛科医师的广泛关注。在新一轮的科技浪潮中，面向疼痛科的穿刺机器人不久会进入临床，必将推动疼痛学科的发展。