王震 陳書海 孫華民 張芮 朱步兵 張煒

（安徽百諾佳醫(yī)療科技有限公司，安徽黃山，245000）

0 引言

一般而言，Interventional Radiology（IVR）介入放射學(xué)指的是：在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的圖像引導(dǎo)下，采用穿刺針或?qū)Ч?，?jīng)過人體皮膚或人體自然腔道，直接到達(dá)患部對病灶進(jìn)行診斷或治療的一種臨床醫(yī)學(xué)處置方法。IVR 是一種微創(chuàng)低侵襲治療方法，不需要采用通常的外科開刀手術(shù)，能夠僅僅對病灶部位進(jìn)行正確的檢查或治療，所以具有減少患者負(fù)擔(dān)、加快術(shù)后恢復(fù)、縮短病人住院時間、降低醫(yī)療費用、減少術(shù)后粘連和感染等優(yōu)點；即使該病灶再次發(fā)生病變，也能再次進(jìn)行治療；再者，治療時只需采用局部麻醉，有利于對危急病人的麻醉管理，尤其適用于針對老年病人的治療，同時也能減輕醫(yī)護(hù)人員的身心負(fù)擔(dān)和工作強度。所以，針對體內(nèi)多種疫病，特別是對身體各部位的腫瘤，醫(yī)師大都建議選擇這種治療方法。

1 傳統(tǒng)穿刺技術(shù)

醫(yī)學(xué)影像設(shè)備主要指的是X 射線、超聲、CT、MRI等醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備自帶顯示掃描醫(yī)學(xué)圖像的顯示屏，可供醫(yī)師觀看病灶的解剖學(xué)狀態(tài)。

醫(yī)學(xué)臨床穿刺治療由來已久，是由施術(shù)者一邊觀看影像圖形，一邊徒手進(jìn)行穿刺。其大致有兩種情況：一種是掃描和穿刺同步進(jìn)行，在掃描的過程中進(jìn)行穿刺，施術(shù)者一邊觀看放在CT 掃描倉旁邊的影像顯示屏，一邊徒手拿著穿刺針給患者進(jìn)行穿刺。這種穿刺治療過程比較短，但是施術(shù)者執(zhí)針的手臂伸進(jìn)掃描倉，盡管穿著含鉛的防護(hù)服，也難完全避免X 線的輻射（如圖1 所示）。另一種情況是掃描和穿刺異步進(jìn)行，每當(dāng)需要對患者進(jìn)行掃描時，施術(shù)者等醫(yī)護(hù)人員必須離開CT 機(jī)房間，到另外一間放置影像顯示屏的房間，觀看此時穿刺針與體內(nèi)各組織或病灶之間的位置角度關(guān)系，在停止掃描后再進(jìn)入CT 工作間進(jìn)行穿刺，在整個治療過程中，醫(yī)師往往需要往返幾十次，大大延長了治療時間，給患者和醫(yī)護(hù)人員帶來許多非治療性的負(fù)擔(dān)。

圖1 徒手穿刺場景

2019 年國家癌癥中心發(fā)布了最新一期的全國癌癥統(tǒng)計數(shù)據(jù)。報告顯示，2015 年全國惡性腫瘤發(fā)病約392.9 萬人。從發(fā)病人數(shù)看，肺癌位居我國惡性腫瘤發(fā)病首位，發(fā)病人數(shù)為78.4 萬人。對此，采用微創(chuàng)低侵襲穿刺手術(shù)早期診斷和治療肺癌是亟待解決的重大醫(yī)療課題。此外，肺部癌癥治療中的活檢、引流、消融等醫(yī)學(xué)處置大多采用CT 引導(dǎo)下的經(jīng)皮肺穿刺術(shù)，所以，從事醫(yī)療器械研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)專注采用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，研發(fā)基于CT 3維圖像引導(dǎo)下經(jīng)皮肺穿刺機(jī)器人系統(tǒng)，用機(jī)器人代替醫(yī)師對患者進(jìn)行穿刺操作，醫(yī)師只需在隔離室觀看影像圖像，對穿刺機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，就可以完成整個穿刺治療過程，從而解決當(dāng)前肺部穿刺中存在的問題（如圖2 所示）。

圖2 用機(jī)器人進(jìn)行穿刺

2 基于CT 3 維圖像引導(dǎo)下經(jīng)皮肺穿刺機(jī)器人系統(tǒng)

CT 3 維圖像引導(dǎo)下經(jīng)皮肺穿刺機(jī)器人系統(tǒng)由CT 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備、穿刺機(jī)器人、主從機(jī)器人控制系統(tǒng)和相應(yīng)的控制處理軟件組成。

CT 醫(yī)學(xué)影像設(shè)備可以用醫(yī)院現(xiàn)有的CT 掃描機(jī)，具有掃描倉和乘載患者的床位。掃描時生成多幅斷層數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)傳送到設(shè)備自帶的顯示屏幕上，還可以經(jīng)過專用圖像處理軟件生成3 維動態(tài)圖像。

穿刺機(jī)器人是穿刺的執(zhí)行者，安裝在臺車上；臺車下邊有滾動腳輪，旁邊安裝有把手，方便在CT 掃描室內(nèi)被自由推動。機(jī)器人本體由多關(guān)節(jié)機(jī)械臂、穿刺針夾持機(jī)構(gòu)組成，接受控制器的控制，對患者進(jìn)行穿刺操作。為使穿刺針能夠以任意位置和任意角度對患者病灶進(jìn)行穿刺，該機(jī)器人的機(jī)械臂要求具有6 個自由度；為使穿刺針能夠在狹窄的掃描倉內(nèi)活動自如，機(jī)械臂和穿刺針夾持機(jī)構(gòu)必須結(jié)構(gòu)緊湊；為使進(jìn)入掃描倉內(nèi)的部件在掃描時不產(chǎn)生偽影，凡需要進(jìn)入掃描倉內(nèi)的部件，除穿刺針以外，均不得采用金屬材料；另外，在穿刺針的機(jī)械臂上還安裝有檢測穿刺動作的力傳感器。

控制器設(shè)備放置在另一個房間，或含鉛玻璃的隔離屏外，以避免施術(shù)者受到X 線的輻射。穿刺機(jī)器人的控制采用主從式控制方式，從動設(shè)備是穿刺機(jī)器人，主動設(shè)備是放置在顯示屏前的手動控制手柄。穿刺時，施術(shù)者一邊觀看顯示屏上的圖像和有關(guān)信息，一邊操作控制手柄遠(yuǎn)程控制機(jī)器人對患者進(jìn)行穿刺；顯示屏帶觸摸功能，分為多個顯示區(qū)域和功能按鈕，用于對多種控制模式的設(shè)定和切換；手柄控制器類似游戲機(jī)的控制手柄可對機(jī)械臂6 個自由度進(jìn)行控制。

穿刺機(jī)器人的工作場景如圖3 所示。

圖3 穿刺機(jī)器人的工作場景

3 穿刺路徑規(guī)劃和位置調(diào)整

穿刺路徑指的是從選擇的體表起始點到病灶目標(biāo)點之間穿刺針行進(jìn)的路線。在穿刺前，基于事先對患者CT 掃描獲取的醫(yī)學(xué)影像，根據(jù)所發(fā)現(xiàn)的病灶的位置、形狀、大小和所處的組織環(huán)境，確定體表穿刺針的刺入起始點；起始點到目標(biāo)點的路徑既要避開穿刺行進(jìn)的障礙物，例如骨骼等，又要避開關(guān)鍵的組織部位，例如動脈血管等，并且使穿刺的行進(jìn)路線最短。

可以事先在3 維醫(yī)學(xué)影像上進(jìn)行模擬，以確認(rèn)最優(yōu)的穿刺路徑。但由于肺部不停地呼吸使得病灶的位置在不斷變化，再加上穿刺針在行進(jìn)過程和各層組織的作用和反作用力，使穿刺針在行進(jìn)過程中發(fā)生撓曲形變，不能按原來規(guī)劃好的路徑行進(jìn)，所以在穿刺過程中仍需要不斷地調(diào)整穿刺針的行進(jìn)路線，以跟蹤變化的病灶。

4 穿刺機(jī)器人的安全設(shè)施

醫(yī)療器械對安全的要求非常嚴(yán)格，穿刺機(jī)器人也不例外。機(jī)器人的操作分為定位模式和穿刺模式，在定位模式時，不允許驅(qū)動穿刺針的機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動作，以免誤操作給患者造成創(chuàng)傷；在控制手柄功能按鈕的設(shè)置上，首先應(yīng)盡量考慮施術(shù)者的方便，使施術(shù)者不易產(chǎn)生誤操作，同時對快速穿刺工作設(shè)置雙擊按鈕操作；在穿刺針夾持器上，設(shè)置有緊急停止機(jī)構(gòu)，一旦出現(xiàn)斷電或其他需要立刻停止穿刺操作時，施術(shù)者能以最快捷的方式使穿刺針夾持機(jī)構(gòu)放開穿刺針。另外，在設(shè)計控制程序時，設(shè)置限位數(shù)據(jù)，以控制穿刺針在各個方向上的行程。

5 穿刺機(jī)器人發(fā)展趨勢

目前穿刺機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了一些樣機(jī)，例如美國的AcuBot 和日本的Zerobot，國內(nèi)北京理工大學(xué)和解放軍醫(yī)學(xué)院等也有研發(fā)的樣機(jī)。但是，樣機(jī)穿刺診斷和治療的全程仍然由施術(shù)者操作，由于在穿刺過程中要反復(fù)地觀看影像圖形和不斷地調(diào)整穿刺針的位置和角度，所以整個治療時間還是相當(dāng)長的。其實真正用于穿刺和治療的時間非常短暫，大部分的時間都是用在反復(fù)調(diào)整穿刺針行程的動作上，所以，研究人員還需要進(jìn)一步提高穿刺機(jī)器人的操作性能，著力研究穿刺過程中體內(nèi)各層組織以及病灶在穿刺針刺激下的活動機(jī)理，研究穿刺針在通過體內(nèi)各層組織以及病灶時產(chǎn)生撓曲的力學(xué)特征，通過反復(fù)實驗和試錯，找到更合理的解決辦法，使穿刺機(jī)器人逐步走向半自動化和自動化，以快速和精準(zhǔn)的醫(yī)療為人類服務(wù)。