01

前言

2021年12月Operative Neurosurgery发表机器人在颅脑外科应用的现在和未来一文，对我们更好了解机器人神经外科有一定的参考价值。特翻译如下：

02

摘要

应用于颅脑手术的机器人技术是一个快速发展且引人入胜的领域，它正在改变神经外科的实践。随着计算能力的指数级增长、连接的改进、人工智能以及精度的提高，未来机器人可能会被纳入更多的神经外科领域——使手术更安全、更高效。总的来说，提高效率可以抵消前期成本，并可能证明具有成本效益。在这篇叙述性综述中，我们旨在将广泛的临床经验转化为实用信息，以便将机器人技术纳入神经外科实践。我们从机器人技术开始扮演立体定向框架的角色，并沿着线性轨迹引导仪器。接下来，我们将讨论内窥镜手术中的机器人技术，其中机器人的功能类似于手术助手，通过握住内窥镜并提供回缩、补充照明以及手术视野与导航的相关性。然后，我们看看血管内治疗的机器人的早期经验，机器人执行主要外科医生的任务，而外科医生远程指挥这些动作。我们简要讨论了一种新型显微外科机器人，它可以远程执行许多关键的手术步骤（具有精细运动增强的潜力）。最后，我们强调了2 项创新技术，这些技术允许仪器采用非线性的、预定的路径到达颅内目的地，并允许对仪器进行磁控制以实时调整轨迹。我们相信机器人将在神经外科的未来发挥越来越重要的作用，并旨在涵盖该领域对神经外科创新的某些方面。

计算能力的指数增长使得越来越先进的手术机器人的生产成为可能，而手术机器人、导航技术和数字成像模式的进步也促进了机器人技术在颅内手术中的应用。在这篇叙述性综述中，我们打算根据大量用户的专家意见，深入了解颅神经外科手术中常用的机器人技术。此外，我们希望介绍一些有前途的潜在机器人实现方式。有关所讨论的颅脑机器人技术的概述，请参见表1。

鉴于“机器人技术”的广泛定义，讨论机器人技术在该领域的每一个当前和潜在的未来应用超出了本文的范围。我们已经包括了增强外科医生运动或简化多步骤过程的设备，但不包括在外科医生直接控制下执行简单平移或旋转运动的设备。我们不打算对将机器人技术纳入神经外科实践提供详细的经济或伦理分析。

03

立体定向机器人

深部脑刺激

深部脑刺激(DBS) 传统上是在微电极记录 (MER) 的引导下进行的，但睡眠手术正变得越来越普遍。^1-4无论使用何种技术，目标都是尽可能准确地放置导线以获得最佳临床结果。^{5 , 6}机器人辅助可以与任何一种技术结合使用，以提供高精度和高精度的电极植入，同时提高效率。

虽然不再市售，但自 2014 年以来，我们一直使用 Mazor Renaissance进行睡眠 DBS，然后进行术中计算机断层扫描 (CT) 来验证导线位置（图1）。

头骨安装设计使其适合 CT，如果导线被认为不可接受，可以使用“Ben-gun”电极引导阵列提供的偏移重新定位。使用我们针对 241 个植入导线的工作流程，在考虑导线重新定位时，我们实现了 1.06 ± 0.60 mm 的初始径向误差和 0.85 ± 0.38 mm 的最终偏差。⁷97 例单侧病例的平均手术时间为 115.4 ± 42.1 分钟，11 例双侧病例的平均手术时间为 193.3 ± 34.7 分钟，这使得该方法有效并可能导致感染率低至 0.41%。⁸使用相同的机器人，Ho 等人⁹显示平均手术时间显著减少 ( P < .02)，MER 平均通过次数减少（1.05对1.45，P < .001)，平均径向误差为 1.4 ± 0.11 mm。

DBS 中使用的其他机器人包括 ROSA（Zimmer Biomet，Westminster，Colorado）和 Neuromate（Renishaw，West Dundee，Illinois）。与 Mazor 不同，这些机器人安装在地板上并连接到 Mayfield 夹具上。这两个系统都包含一个具有多个自由度的铰接臂，可将工作平台固定在计划的轨迹上。这两个系统都在DBS中展示了亚毫米精度。^10、11此外，最近的一项荟萃分析表明，机器人辅助立体定向可进一步减少目标误差¹²。研究¹³表明人为计算错误是 DBS 手术中最常见的错误来源之一。因此，按理说，消除某些人为错误来源的机器人将提高 DBS 的安全性和效率。

另一个用于颅内立体定向的机器人是 Stealth Autoguide（美敦力），这是一种更紧凑的设备。ROSA 和 Renishaw 的占地面积很大，而 Autoguide 的铰接臂直接安装在Mayfield 夹具上。虽然关节臂不如 ROSA或 Renishaw 的关节臂坚固，但可以使用带齿的钻孔导向器在钻孔之前接合颅骨，以实现另一个半刚性固定点并减少刮削。此外，该系统与转速高达 75 000 rpm 的 Midas 型高速钻头（美敦力）兼容，与整形外科型钻头相比，它还可以降低刮削风险。虽然 Autoguide 的临床经验仍然有限，但早期的临床前和临床经验很有希望。研究¹⁴发现用于在尸体大脑中放置立体脑电图 (SEEG) 电极的 Leksell (Elekta) 框架 (2.5±1.1 mm)和Stealth Autoguide (2.6±1.3 mm) 之间的目标误差没有显着差异。此外，与 Medtronic Navigus 系统相比，它们的目标采集时间减少了 50%，而在明胶模型中的准确性没有显着差异（Autoguide为1.2±0.9 mm，Navigus为 1.5±1.4 mm）。Minchev 等人¹⁵发现用数显卡尺测量的临床前模型试验（颅内空气介质）的误差为 0.6 毫米（范围为 0.1-0.9 毫米），一系列中的“径向”目标误差中值为 0.9 毫米（范围为 0-3.1 毫米） 25 名患者。值得注意的是，考虑到本系列中执行的程序（活检、分流器放置或囊肿引流），准确性确定的方法可能无法与DBS 的方法相媲美。

癫痫

SEEG 提供了多个不连续脑叶的实质内位置的精确记录，避免了大开颅手术的需要。^16-30由于其长期报道的成功，我们推测使用传统技术植入 SEEG 的技术复杂性可能导致法国和意大利以外的临床应用受到限制和延迟，而现代机器人可能是北美采用的重要推动力。与 DBS一样，SEEG 是一种非常适合机器人的程序。SEEG 目标的多样性和非定型位置增加了效率优势，并且多个出版物显示了 SEEG 和机器人辅助放置 SEEG 电极的效用。^28-42

在最近的一份报告中，我们分析了 100 名接受机器人辅助 SEEG 的耐药性局灶性癫痫患者（101 次手术）。⁴³没有因技术故障而取消。平均计划时间为 30 分钟（15-60 分钟），平均手术时间为 130 分钟（45-160 分钟）。对 SEEG 记录的分析导致 97 名患者 (97%) 和 68 名患者 (70.1%) 发生了假设的致癫痫区定位。

在 500个连续轨迹中，平均输入误差为1.38±0.8 毫米，平均目标误差为2.31±0.9 毫米。有4名患者 (4%) 出现与颅内出血相关的并发症（2 名硬膜下血肿和 2 名脑实质内血肿），其中3 患者无症状，在非功能性皮质区域出现小体积出血<2 cm 3 ）。无需手术干预或改变住院时间。主要并发症发生率为 1%，与其他出版物的发病率在 0% 至 5.6% 之间相当，1245个植入电极的每电极主要出血并发症发生率为 0.08%。^{26 , 29 , 31 , 43}

关于癫痫发作结果，机器人 SEEG 引导切除后的平均随访时间为 18 个月（6-30 个月）。在接受切除术的患者中，45 名 (66.2%) 有 I 级无癫痫发作结果，11 名 (16.2%) 有罕见的致残性癫痫发作 (II 级)。其他人的类似结果表明，机器人辅助立体定向程序是安全、准确、高效的，并且与基于框架的技术相当。^{16 , 28 , 35 , 43}

总之，机器人辅助立体定向可以减少耗时且容易出错的框架坐标调整，这可以转化为提高一致性、减少错误、缩短手术时间和减少围手术期并发症。^{12 , 29-31 , 42}除了 SEEG，立体定向机器人还被用于其他癫痫治疗，包括激光间质热疗 (LITT) 和反应性神经刺激 (RNS) 深度电极（图 2）。图2中的患者 知情同意图像发布。

机器人的另一个好处是与立体定向框架相比，更容易到达在后颅窝和中颅窝底部病变。

与任何新技术一样，将机器人与现有治疗技术进行比较时需要权衡取舍。广泛采用的最大障碍可能是高昂的前期和维护成本，但需要额外的员工培训是另一个考虑因素。⁴⁴此外，鉴于与 Mayfield 夹具的刚性连接，落地式 ROSA 和 Renishaw 排除了术中手术室 (OR) 手术台调整。此外，它们的大尺寸可能成为较小 OR 的障碍。相反，较小的 Autoguide 系统的一个缺点是需要手动重新定位4×4 cm工作区之外的轨迹。

虽然机械臂的重新定位通常很有效，但有一种系统可以说效率更高。STarFix TM立体定向平台是三维 (3D) 打印的，所有 SEEG 轨迹都集成到一个平台中，消除了在轨迹之间移动手臂的步骤。⁴⁵它的缺点是需要一个单独的门诊程序来植入平台所附的颅骨基准。此外，STarFix TM平台不允许在 OR 中创建新轨迹或 SEEG 轨迹修改（对于 DBS，可以通过入口和目标偏移进行一些调整）。然而，考虑到STarFix TM3D打印导板的价格通常在 3000 美元到 5000 美元之间，成本明显低于机器人，而且没有相关的维护成本。

机器人在神经内镜手术中的应用

另一个机器人应用是协助内窥镜引导的大脑半球切开术，这是一种针对半球病变引起的耐药性癫痫儿童的手术选择。机器人辅助内窥镜方法由 Chandra 等人开发以最大限度地降低发病率，^46-49已被其他小组进一步推广。^{50 , 51}将内窥镜连接到机械臂（ROSA），并使用半球间入路通过小型（3×4 cm）冠状前开颅手术进行半球分离（图 3 A  - 3F ）). 冠状缝前的开颅手术有助于避免桥接静脉，而内窥镜可减少手术损伤。这种方法提供了可视化和照明，同时避免了与其他仪器的干扰。机械臂的优点包括：（1）通过触觉反馈提供内窥镜的稳定性，允许快速操作和微动以优化可视化；(2) 允许在关键区域舒适地进行手术；(3) 作为神经导航设备。尽管有这些优点，但仍有可能在手术野的最深区域损伤“颞干”。⁵²

在接受机器人辅助内窥镜大脑半球切开术的 52 名患者中， 45 名 (90%) 的结果为 I 级（随访 34 ± 9 个月）。其中，4 人需要进行第二次手术（针对“颞干”）以达到 I 类结果。

类似的机器人应用已用于完整的胼胝体切开术和连合切开术（前部、海马和后部），取得了良好的效果（100% 控制跌倒发作，其他癫痫发作的强度和频率降低 56%）。^{46 , 48}

其他类似的应用包括内窥镜鼻内手术、脑室内肿瘤切除术和内窥镜第三脑室造口术。^53-55“机器人辅助”内窥镜手术（不是一般的内窥镜手术）的缺点与前面提到的相似（启动成本、额外培训）。

神经内血管机器人

虽然机器人在神经外科中的使用自然是从对齐和保持线性轨迹等相对简单的任务开始的，但技术进步使机器人能够对血管内导管应用平移和旋转运动，并执行外科医生的一些动作。CorPath GRX 机器人系统（Corindus Inc）就是这样一种系统56-58（图 4）。美国食品和药物管理局 (FDA) 于2012年批准了该系统用于经皮冠状动脉介入治疗，并于2018年批准了外周血管介入治疗。⁵⁹第一个模型旨在操纵大口径设备。目前的模型已经通过神经血管内特定工程和软件修改进行了改进，以允许操纵微导管和微丝。目前的模型在动物模型中进行了测试，用于模拟神经血管病理学并获得最佳结果。^{60 , 61}共有 3 个不同的机构报告了机器人辅助神经血管内手术的可行性和有效性。^56-58在7 颈动脉支架置入术、7 例数字减影血管造影术 (DSA) 和 1例支架辅助弹簧圈成形术中，无并发症的技术成功率为 81.2%。由于牛型主动脉弓，3 次DSA手术发生技术故障。⁵⁷

除了不受疲劳或压力影响的精确、受控运动外，软件优化和人工智能算法还可以帮助机器人通过预设运动在不同操作员之间提供一致的结果。此外，机器人通过消除累积辐射来减少对操作员和员工的职业危害。此外，在没有重型辐射防护罩的情况下坐着执行程序的能力改善了人体工程学。最后，机器人辅助最具变革性的创新之一是执行远程干预的能力。这种优势特别有利于应对中风干预的激增和受过血栓切除术培训的医生短缺，尤其是在偏远地区。

当前模型的一个显着限制是缺乏触觉反馈，这对于避免血管损伤很重要。因此，操作员依靠视觉提示和导管形状和运动的细微变化来调整他们的操作。此外，目前的模型未获得 FDA 批准用于颅内基本神经介入设备。

其他颅脑机器人系统

还有其他几个机器人系统，虽然没有广泛用于颅脑外科，也没有被作者亲自使用，但鉴于它们对该主题的重要性，值得一提。

2013 年，Sutherland 等人⁶²推出了一种兼容磁共振 (MR) 的图像引导遥控机器人，neuroArm，具有2个能够操纵显微外科器械的手臂。外科手术助理实际出现在OR 中，主外科医生通过与提供立体视觉和触觉反馈的人机界面交互进行操作。它还允许设置禁区、实施震颤过滤器以及缩放运动的幅度和速度。正如Sutherland 所指出的，这项技术的明显前景可能最终允许在没有机器人增强的情况下无法实现的规模上进行操作。不幸的是，这个先进的系统还没有得到广泛的临床应用，因此，该系统对广大神经外科医生的利弊仍然未知。与此同时，我们只能通过Sutherland的研究报道了解。^{31 , 62-66}

另一个能够进行机器人辅助立体定位的设备是 SurgiScope（ISIS Robotics），这是一种通常用于开颅手术的机器人显微镜。虽然不是它的主要目的，但它可以适应立体定位。一个限制是它安装在天花板上而不是便携式的。^{37 , 67}

达芬奇手术系统（Intuitive Surgical, Sunnycale, California）已广泛应用于泌尿科、妇科和普外科，但据我们所知，除尸体研究外，尚未用于颅内手术。^{68 , 69}

有关颅神经外科机器人立体定位的系统评价，请参阅 Fomenko 和 Serletis ³⁷的评价，其中包括早期的机器人系统。有关人机交互的更广泛介绍，请参阅 Sheridan 的评论。⁷⁰

04

新兴技术

弯曲轨迹装置

微创 MR 引导的 LITT 正在改变我们治疗癫痫的方式手术，但当前技术的一个主要限制是被限制在线性轨迹上。目前补偿这一点的技术包括定向激光，该激光可以消融偏心于计划轨迹的组织，但热扩散将功效限制在激光周围的有限区域。正在开发更新的技术以允许非线性轨迹。可操纵的针头和磁导航系统 (MNS) 是有前途的途径，可以通过绕过轨迹上的重要结构并允许更完全地消融弯曲的解剖结构来提高安全性和有效性。虽然这些不仅仅是机器人，但它们采用了机器人技术的元素，并有可能推动该领域超越当前机器人所允许的范围。

范德比尔特大学描述了一种实现颅内目标非线性轨迹的策略，该策略使用灵活的弯曲镍钛合金针沿着非线性路径前进。这是通过镍钛诺的“超弹性”和“形状记忆”特性实现的，Hoh 等人⁷¹对此进行了描述。从刚性导管退出后，镍钛合金针返回到其螺旋结构。该系统可以实现“跟随领导部署”，使得弯曲的导管前进时对周围组织的附带损伤最小，这种策略特别适合在弯曲的解剖结构下进行杏仁核海马消融。⁷²20 次磁共振成像 (MRI) 扫描中的解剖模型证明了使用曲线轨迹通过卵圆孔消融海马体的可行性，这可以实现经皮海马体消融术。⁷³该建模研究表明，弯曲的镍钛诺管可以沿海马体的中轴推进，与弯曲轴的平均偏差仅为 1.14 毫米。此外，他们证明弯曲轨迹可以到达线性轨迹无法到达的海马体区域。鉴于有证据表明开放手术中海马切除范围的扩大与无发作率的增加相关，这在临床上是相关的。⁷⁴该小组还设计了一种机制，通过气动驱动机器人逐步推进针头，从而使整个系统与 MRI 兼容。将来，算法可以帮助规划机器人要保持的最佳轨迹。

实现非线性轨迹的另一种策略是通过磁场导航技术 MNS。这些是在 1980年代开发的，用于控制心脏导管和神经外科应用。^75-77由于尺寸大且组件移动，这些系统最初难以在临床上集成，但较新的 MNS 使用静态磁铁运行，重量更轻且可移动，可以无缝集成到临床工作流程中。^78、79与具有独立刚度控制的柔性导管配合使用，MNS允许探头导航具有尚未确定的自由度。此外，该系统还支持远程手术，保护医护人员免受辐射并减少病原体传播。概念验证研究已经完成，^78，79评估 MNS 在动物和尸体研究中的临床可行性的研究正在进行中。

人们热衷于一种或两种策略可以提供线性轨迹无法提供的选项，尽管在临床实施之前需要做很多工作。

另一个可能彻底改变立体定向神经外科手术的因素是多中心数据库形式的大数据有可能将计划的轨迹与植入准确性和患者结果相关联。从机器人系统导出这些因素的便利性将有助于数据采集。

05

限制和其他注意事项

机器人的复杂性远远超过立体定向框架，因此日常维护和技术故障排除都需要在制造商支持下进行高级培训。

另一个考虑因素是视觉空间推理和精细运动技能等基本技能的丧失。相反，机器人技术可以为受训者提供传统方式无法提供的资源。此外，不能低估增加自动化的潜在安全问题，在采用新技术时必须始终考虑到这一点。然而，这些担忧必须与许多患者可以从远程机器人中获得他们可能无法获得的真正好处这一事实相平衡。最后，COVID-19 强调了机器人可以帮助解决劳动力问题和减少接触传染性疾病的领域。⁸⁰

06

结论

机器人的技术能力将随着计算能力的提高而不断进步，并使手术更安全、更高效。虽然目前机器人技术在无框架立体定位、SEEG 和内窥镜检查中有明确的作用，但机器人技术在颅内手术的其他部分中的作用尚不明确。然而，现有技术显示出能够扩大神经外科其他领域的前景。

作者简介