2022年01月26日发布 | 2275阅读

【中国声音】基于三维视觉的新型神经外科手术协作机器人:技术可行性研究

熊若楚

解放军总医院第一医学中心

张世宇

解放军总医院第一医学中心

干智超

解放军总医院第一医学中心

祁子禹

解放军总医院第一医学中心

刘明航

中国人民解放军总医院(301医院)

徐兴华

中国人民解放军总医院(301医院)

王群

中国人民解放军总医院第一医学中心

张家墅

解放军总医院第一医学中心

李昉晔

中国人民解放军总医院(301医院)

陈晓雷

中国人民解放军总医院(301医院)

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第一作者:熊若楚

其他作者:张世宇,干智超,祁子禹,刘明航,徐兴华,王群,张家墅,李昉晔

通讯作者:陈晓雷

作者单位:解放军总医院第一医学中心神经外科医学部


【Ref:Xiong R, Zhang S, Gan Z, Qi Z, Liu M, Xu X, Wang Q, Zhang J, Li F, Chen X. A novel 3D-vision-based collaborative robot as a scope holding system for port surgery: a technical feasibility study. Neurosurg Focus. 2022 Jan;52(1):E13. doi: 10.3171/2021.10.FOCUS21484. PMID: 34973666.】


研究背景

神经内镜及外视镜手术的持镜方法目前仍需改进。术者单手持镜不利于医生双手配合操作,助手持镜需要助手经过长期训练,以便能和主刀医生达到默契配合,固定支架持镜虽然避免了人为持镜的不稳定因素,解放了术者双手,但是在移动镜头和相应器械时,支架的操作非常繁琐。目前国外已有少数相关研究报道持镜机器人系统。然而,这些系统存在以下缺点:1.依靠传统光学导航系统定位工作,计划工作站、导航和机械臂高度一体化,导致系统成本很高,价格昂贵;2.应用领域多受限于立体定向穿刺类手术。机器人整体设计思路单一且局限,既笨重又昂贵,阻碍了它们在广大基层医院的推广应用。根据以上临床痛点,中国人民解放军总医院第一医学中心神经外科熊若楚陈晓雷等报道了一款基于三维视觉的手术协作机器人(collaborative robotic (CoBot) system),并通过体外试验,验证了其定位准确性以及在模拟外视镜手术条件下的可行性。该机器人由一个六自由度的机械臂和三维视觉识别相机组成(图1),使用该机械臂持镜,主刀医生可以双手操作手术器械,减少人为持镜导致的疲劳以及不稳定,并简化手术器械操作步骤。配合本团队研发的导引器一起使用时,使用机械臂持镜,系统自动识别并追踪该导引器,从而根据导引器的位置变动来调整持镜位置,从而简化操作步骤并缩短手术时间,消除人手持镜的不稳定性。其研究结果发表于2022年1月的《Neurosurgical FOCUS》上(Journal of Neurosurgery子刊,影响因子4.047)。


图1.机器人系统的结构。 黑色箭头:视觉相机;白色箭头:机械臂

患者资料及方法

通过机器视觉算法,3D视觉相机搜索并识别附着在导引器开口,机械臂自动将外视镜的轴与导引器的纵轴对齐,从而使外视镜呈现最佳的手术视野。该研究共进行了三次测试。 在测试1中,机器人携带一个激光测距仪进行定位准确性测试,机械臂的成功定位定义为激光成功地通过两个位于导引器中心纵轴上的孔。定位成功时激光测距仪的读数为激光测距仪至导引器内部一个孔之间的实际距离。 在测试2中,机器人携带一个高清外视镜,测试机器人在模拟外视镜条件下的可行性。此时外视镜外接电脑显示屏,在显示屏上实时显示外视镜捕捉的画面,并在设定的定位处拍照,用于后期数据对比分析。 测试3与测试2类似,但用金属支架代替了机器人固定外视镜。 训练有素的神经外科医生手动调整支架及导引器,并记录测试2和3的各20次调整所需的总时间。 此外,该研究设计了一个评分系统,对测试2和3中外视镜在设定位置捕获的每幅图像进行评分,并使用秩和检验对两组图像的分数进行比较。

研究结果


测试1


20次定位均成功,表明该系统有良好的平面及同轴定位精度。定位高度误差为1.14mm±0.38mm(向下),最大误差为2.00mm,最大误差为1.60mm±0.89mm(向上),最大误差为3.00mm。


测试2


对于20幅图像的总分(表1),3个评分者的平均分为17.00分(四分位数间距为16.70~17.30)。 四个亚组评分结果如下:清晰度4.30(IQR 4.00-4.30),共轴4.30(IQR 4.08-4.30),平面定位4.30(IQR 4.30-4.30),舒适度4.30(IQR 4.08-4.30)。 共耗时20分钟,平均每轮1分钟(图2)。 


表1.测试2评分结果


图2.测试2外视镜捕捉的典型画面


测试3


对于20幅图像的总分(表2),3个评分者的平均分为14.00分(四分位数间距为13.00,14.93分)。 四个亚组评分结果如下:清晰度3.85(IQR 3.30,4.30),共轴3.30(IQR 3.30,4.30),平面定位3.00(IQR 2.40,3.30),舒适度3.70(IQR 3.00,3.70)。 共用时52分钟,每轮平均用时2.6分钟(图3)。


表2.测试3评分结果


图3.测试3外视镜捕捉的典型画面


测试2和3的比较


总分的检验p值<0.001,反映两组图像质量存在显著差异。 对清晰度(p=0.003)、共轴(p=0.002)、平面定位(p<0.001)和舒适度(p<0.001)的亚组分析中,发现两组间也存在显著差异。


讨 论

该手术协作机器人系统相对于目前神经外科的主流机器人系统有以下优势:(1)可应用于多种手术中,不限于立体定向手术;(2)不依赖于导航系统,无需和光学导航结合定位,能够大幅降低硬件成本和使用成本。系统体积小重量轻,使其能够在手术室内方便使用以及不同手术室间快速转运,甚至实现例如偏远地区,战场等特殊环境下的使用;(3)与显微外视镜结合后,该机器人系统突破了传统显微镜机器人依赖于导航系统的弱点,可实现显微镜与外视镜一体化,大大降低成本,利于在基层医院的推广;(4)通过更换机器人效应端器械,可使机器人系统完成多种任务,甚至应用于其他学科手术领域。

局限性

虽然该协作机器人系统可以实现将内镜模型插入导引器鞘中的过程,但由于测试条件有限,该研究未进行模拟内镜手术条件下的可行性及定位准确性测试。 图像评价中的人为误差也是不容忽视的。 希望在未来的研究中,在完善测试过程和条件后进行模拟内镜手术下的定位准确性和可行性测试。


结 论



该新型手术协作机器人可以作为一种高效的导引器手术持镜系统,为取代人工持镜提供了进一步的证据,从而实现更人性化、更精确、更安全的手术操作。 


(中国人民解放军总医院第一医学中心神经外科熊若楚编译,陈晓雷教授审校)

第一作者简介


熊若楚

中国人民解放军总医院

2019年毕业于南方医科大学临床医学专业,获医学学士学位,2019年考入解放军医学院,硕士在读,导师陈晓雷,研究方向为手术机器人、神经影像导航及神经内镜。


通讯作者简介


陈晓雷 教授

中国人民解放军总医院

  • 解放军总医院第一医学中心神经外科医学部副主任

  • 解放军总医院神经外科主任医师,教授

  • 北京医学会神经外科学分会第六届青年委员会副主任委员

  • 中国医师协会内镜分会神经内镜专业委员会委员

  • 中国医师协会脑胶质瘤专业委员会委员

  • 中国医师协会神经修复专业委员会委员

  • 从事神经外科临床工作25年,有丰富的临床经验。擅长术中磁共振和多模态神经导航下的脑重要功能区手术以及神经内窥镜手术。2009年在国内率先开展高场强术中磁共振和多模态神经导航的临床工作,所带领团队是该方面国内手术数量最多,经验最丰富的小组。2004年自德国归国后,积极开展了神经内镜手术。2008年在国内较早地开发了高血压脑出血神经内镜治疗的完整临床工作流程,并研发了相应的器械(获国家发明专利及医疗器械注册证,已在国内200余家医院临床常规使用)和定位技术


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