李曉寅，趙艷梅，梁 晉，楊曉云，陳淑蓮，李正超，王君臣，段 峰，陳旭義，楊 波，梁 冰*

（1.武警特色醫(yī)學(xué)中心海上維權(quán)醫(yī)學(xué)保障研究所，天津 300162；2.聯(lián)勤保障部隊(duì)大連康復(fù)療養(yǎng)中心疾病預(yù)防控制科，遼寧 大連 116013；3.武警特色醫(yī)學(xué)中心神經(jīng)外科，天津 300162；4.武警特色醫(yī)學(xué)中心影像科，天津 300162；5.北京航空航天大學(xué)機(jī)械裝備研究院，北京 100191；6.南開大學(xué)人工智能學(xué)院，天津 300381；7.武警特色醫(yī)學(xué)中心藥劑科，天津 300162）

0 引言

由于在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中大規(guī)模使用各種高爆武器和簡(jiǎn)易爆炸裝置，創(chuàng)傷性顱腦損傷（traumatic brain injury，TBI）已經(jīng)成為戰(zhàn)場(chǎng)上最主要的創(chuàng)傷之一。雖然作戰(zhàn)人員都配備了先進(jìn)的防護(hù)裝備如頭盔、防彈盾牌等，但頭、面、頸部仍是戰(zhàn)時(shí)最易受傷的區(qū)域之一[1]。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，美軍在阿富汗和伊拉克2 次戰(zhàn)爭(zhēng)中TBI 的發(fā)生率較越南戰(zhàn)爭(zhēng)增加了近1 倍還多，達(dá)到了21%~28%[2-4]，其中爆炸引起的TBI 更是高達(dá)80%[5-6]，更主要的是其死亡率高達(dá)30%[7]，這其中有發(fā)生顱腦損傷后當(dāng)場(chǎng)死亡，也有造成中重度TBI 后救治不及時(shí)導(dǎo)致的死亡。

對(duì)于中重度TBI 的救治，除了防止腦組織低灌注、癲癇和感染外，還應(yīng)盡早采取合適的手術(shù)策略，以減少腦組織的繼發(fā)損傷，最大程度地降低死亡率和殘疾率[2，8]。TBI 后腦組織的嚴(yán)重挫傷使得局部組織腫脹，繼發(fā)腦出血也造成對(duì)腦組織的壓迫，常常合并出血破入腦室，導(dǎo)致腦積水、顱內(nèi)壓增高等情況。因此治療原發(fā)性損傷、減少繼發(fā)性損傷對(duì)于中重度TBI 的預(yù)后至關(guān)重要。

腦室穿刺引流術(shù)是神經(jīng)外科的常用術(shù)式，對(duì)于腦外傷、腦出血等急重癥有著較好的療效。TBI 后腦室穿刺引流術(shù)可以引流腦脊液以緩解腦積水、降低顱內(nèi)壓，減少繼發(fā)性血管源性腦水腫以減輕腦組織腫脹對(duì)周圍正常腦組織的壓迫，改善腦灌注以減輕腦組織缺血和神經(jīng)功能缺失，同時(shí)留置引流管可以持續(xù)引流減壓、鞘內(nèi)注射藥物，外接的測(cè)壓裝置也可以持續(xù)監(jiān)測(cè)顱內(nèi)壓[9]。目前，腦室穿刺引流術(shù)是神經(jīng)外科針對(duì)TBI 最常用的手術(shù)方式之一，隨著醫(yī)工融合的不斷深入，手術(shù)機(jī)器人在外科領(lǐng)域的應(yīng)用日漸增多，立體定向機(jī)器人就是其中應(yīng)用較多的一類，廣泛應(yīng)用于腦深部電刺激、腦立體定向手術(shù)等。手術(shù)機(jī)器人國(guó)外發(fā)展比較快，ROSA 機(jī)器人是法國(guó)Medtech公司研發(fā)的第一代立體定向機(jī)器人[10]。國(guó)內(nèi)在北航NeuroMaster 機(jī)器人的基礎(chǔ)上，改進(jìn)注冊(cè)模式、識(shí)別定位、機(jī)械臂等軟硬件，研制了很多機(jī)器人，其中北京柏惠維康的Remebot 是最早得到中國(guó)國(guó)家食品和藥品監(jiān)督管理局（China Food and Drug Administration，CFDA）認(rèn)證的機(jī)器人，并已在臨床推廣應(yīng)用[11]。目前應(yīng)用的立體定向機(jī)器人大多局限于借助術(shù)前CT 檢查完成定位，雖免去了安裝立體定向架的痛苦，但并未實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同穿刺或腦深部電刺激的實(shí)質(zhì)性操作。

本研究創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的力反饋，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)了一套人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人，其可在精確定位的基礎(chǔ)上完成人機(jī)協(xié)同顱骨鉆孔、穿刺等操作，可顛覆現(xiàn)有傳統(tǒng)術(shù)式，通過(guò)人機(jī)協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)[12]實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)腦室穿刺減壓快速處置，解決顱內(nèi)創(chuàng)傷、顱內(nèi)高壓、腦疝導(dǎo)致的戰(zhàn)士急性死亡和嚴(yán)重傷殘的問(wèn)題[13]，對(duì)于提高傷員的戰(zhàn)場(chǎng)生存率、降低致殘率具有重要意義。

1 樣機(jī)研發(fā)

1.1 基本原理

在腦室穿刺過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同必須實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的力反饋，需要測(cè)量穿刺過(guò)程中鉆頭在軸向的受力。測(cè)量受力情況有2 種用途：（1）在人機(jī)協(xié)同穿刺過(guò)程中給操作者以真實(shí)的力反饋，使得操作者感受到手術(shù)的狀態(tài)，能夠很大程度保證安全性；（2）實(shí)現(xiàn)自主穿刺過(guò)程的精確控制。該機(jī)器人采用差分法測(cè)量穿刺力，其穿刺軸向力測(cè)量模塊由導(dǎo)軌、滑塊、壓力傳感器、預(yù)緊力機(jī)構(gòu)和其他連接件組成（如圖1 所示）。

圖1 穿刺軸向力測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)示意圖

穿刺軸向力測(cè)量模塊受力可以用圖2 所示的受力分析簡(jiǎn)圖來(lái)分析。根據(jù)理論力學(xué)知識(shí)，鉆頭固連在滑塊上，在外力作用下滑塊相對(duì)于滑軌有微小運(yùn)動(dòng)，所以會(huì)造成兩端壓力傳感器讀數(shù)的變化。因此腦室穿刺引流機(jī)器人在穿刺前后的工作狀況可以視為斜面滑塊，由于滑軌滑塊的摩擦力遠(yuǎn)小于鉆頭重力和鉆骨的穿刺力，并且摩擦力的存在不會(huì)影響鉆骨過(guò)程中對(duì)所鉆組織類型的判斷，因此可以在受力分析時(shí)忽略摩擦力。

圖2 穿刺軸向力測(cè)量模塊受力分析簡(jiǎn)圖

在手術(shù)過(guò)程中，機(jī)器人首先在視覺引導(dǎo)下到達(dá)規(guī)劃的穿刺位置，做好穿刺準(zhǔn)備，將這個(gè)狀態(tài)下兩端壓力傳感器的讀數(shù)分別記作F10、F20，則沿斜面方向的力學(xué)公式為

在穿刺過(guò)程中，由于姿態(tài)不變，只是鉆頭進(jìn)給，所以G1不變，則沿斜面方向的力學(xué)公式為

式中，F(xiàn)11、F21為穿刺過(guò)程中兩端壓力傳感器的實(shí)時(shí)讀數(shù)，整理可得實(shí)時(shí)穿刺力F 的計(jì)算公式為

由公式（3）可以看出，穿刺力F 的精確與否取決于F10、F11、F20、F21數(shù)值準(zhǔn)確與否，因此采取以下方式保證壓力傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量精度：改進(jìn)鉆頭部分設(shè)計(jì)、減輕鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，采用差分法測(cè)量穿刺過(guò)程中的鉆頭軸向力，從而實(shí)現(xiàn)力反饋。根據(jù)差分法測(cè)力的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)鉆頭支架，利用導(dǎo)軌滑塊能產(chǎn)生微小形變的特點(diǎn)在滑塊兩端安裝高精度壓力傳感器，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量。

1.2 硬件組成

人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人基于半自動(dòng)控制穿刺技術(shù)設(shè)計(jì)，包括KUKA iiwa/med 機(jī)械臂、穿刺末端執(zhí)行器、控制系統(tǒng)、視覺伺服系統(tǒng)4 個(gè)部分，實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人實(shí)物圖

1.2.1 KUKA iiwa/med 機(jī)械臂

腦室穿刺引流術(shù)是對(duì)操作要求極高的手術(shù)，要完成腦室穿刺需要手術(shù)機(jī)器人具備敏感性、靈活性和安全性等特點(diǎn)。通過(guò)研究腦室穿刺引流術(shù)的整個(gè)操作過(guò)程，對(duì)鉆孔、穿刺、引流等操作的角度、深度等參數(shù)和機(jī)械臂需要具備的目標(biāo)方位可達(dá)性進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)了七軸的KUKA iiwa/med 機(jī)械臂（如圖4 所示），能夠勝任腦室穿刺任務(wù)。

圖4 KUKA iiwa/med 機(jī)械臂

1.2.2 穿刺末端執(zhí)行器

針對(duì)顱內(nèi)穿刺的需求，設(shè)計(jì)穿刺末端執(zhí)行器具備2 個(gè)自由度：鉆頭的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給。其中進(jìn)給由同步帶-絲杠螺母完成，選用合適的鉆頭和配套的軸承座，使鉆頭的慣量減到最小，以充分發(fā)揮高速電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)（如圖5 所示）。

圖5 穿刺末端執(zhí)行器

1.2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是醫(yī)師通過(guò)Omega7 主手控制末端穿刺執(zhí)行器完成人機(jī)協(xié)同操作的核心部件，是二者之間的力反饋裝置。所謂力反饋就是對(duì)手術(shù)器械和軟組織等形變過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值計(jì)算，模擬出軟組織的變形情況和器械受力狀態(tài)，并通過(guò)外接的力反饋輸出設(shè)備使醫(yī)師在手術(shù)操作中感知到反饋力的存在，以更好地完成臨床手術(shù)操作，目前該控制系統(tǒng)的力反饋誤差＜8%。

控制系統(tǒng)包括穿刺軸向力測(cè)量模塊中的壓力傳感器、控制柜、上位機(jī)和Omega7 主手（如圖6 所示）。其中控制柜是自主設(shè)計(jì)的穿刺末端執(zhí)行器配套的控制系統(tǒng)的主要部分，和上位機(jī)共同發(fā)揮作用。上位機(jī)配置顯卡為RTX3080，內(nèi)存為32 GiB，內(nèi)存頻率為3 200 MHz，數(shù)據(jù)采樣頻率為385 Hz。

圖6 控制系統(tǒng)工作原理圖

在人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流術(shù)過(guò)程中，操作者手持Omega7 主手進(jìn)行穿刺操作，通過(guò)上位機(jī)和控制柜將Omega7 主手的動(dòng)作按比例映射到穿刺末端執(zhí)行器來(lái)控制鉆頭的進(jìn)給量，用Omega7 主手的扳機(jī)控制鉆頭旋轉(zhuǎn)，當(dāng)穿刺末端執(zhí)行器末端的壓力感受器感受到穿刺軸向力時(shí)，軸向力通過(guò)控制柜和上位機(jī)成比例反饋到Omega7 主手上，Omega7 主手對(duì)操作者的手施加反饋力，從而使操作者對(duì)穿刺力度有所把握。目前的操作延時(shí)低于200 ms，自主穿刺時(shí)間小于2 min。

1.2.4 視覺伺服系統(tǒng)

視覺伺服系統(tǒng)主要功能包括圖像采集、視覺marker 快速匹配和位置計(jì)算，負(fù)責(zé)術(shù)中視覺導(dǎo)航。由雙目相機(jī)獲取真實(shí)物體的圖像，進(jìn)行實(shí)時(shí)角點(diǎn)檢測(cè)和基于視覺marker 的快速模板匹配（如圖7 所示），通過(guò)系統(tǒng)分析圖像反饋的信息實(shí)時(shí)計(jì)算穿刺末端執(zhí)行器位置，結(jié)合KUKA iiwa/med 機(jī)械臂的位姿在上位機(jī)軟件中實(shí)時(shí)顯示手術(shù)狀態(tài)（如圖8 所示），保證機(jī)器人完成精準(zhǔn)操作。整個(gè)手術(shù)控制流程如圖9 所示。

圖7 角點(diǎn)檢測(cè)和模板匹配示意圖

圖8 穿刺過(guò)程手術(shù)導(dǎo)航顯示示意圖

圖9 人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人控制流程圖

2 樣機(jī)性能測(cè)試與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

2.1 樣機(jī)性能測(cè)試

在完成樣機(jī)的設(shè)計(jì)之后，需進(jìn)一步驗(yàn)證其是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)樣機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試，包括顱內(nèi)腦室穿刺引流目標(biāo)點(diǎn)定位精度、穿刺精度、穿刺成功率。實(shí)驗(yàn)對(duì)象為3D 打印頭骨模型：通過(guò)自主研發(fā)軟件將頭骨CT圖像重建為三維模型，在模型頭骨內(nèi)部建立多個(gè)半徑為4 mm 的實(shí)心球體，打印該三維模型，再對(duì)打印出的頭骨模型執(zhí)行配準(zhǔn)。

2.1.1 顱內(nèi)腦室穿刺引流目標(biāo)點(diǎn)定位精度

操作者徒手使用視覺探針接觸開放式頭骨模型內(nèi)的8 處實(shí)心球體（如圖10 所示），在圖像空間測(cè)量虛擬探針末端與實(shí)心球體球心的距離，每個(gè)實(shí)心球體以不同的姿態(tài)、位置測(cè)量3次，最終對(duì)所測(cè)得的數(shù)值取平均值，即顱內(nèi)腦室穿刺引流目標(biāo)點(diǎn)定位精度。

圖10 開放式頭骨模型及顱內(nèi)腦室穿刺引流目標(biāo)點(diǎn)定位精度實(shí)驗(yàn)

2.1.2 穿刺精度

對(duì)打印出的頭骨模型執(zhí)行配準(zhǔn)后，在機(jī)器人視覺伺服系統(tǒng)的控制下自動(dòng)定位到頭骨模型內(nèi)部實(shí)心球體的球心位置，并執(zhí)行單自由度進(jìn)給穿刺作業(yè)，計(jì)算穿刺點(diǎn)與球心的距離相對(duì)于實(shí)心球體半徑的偏差，多次測(cè)量取平均值就可以得到機(jī)器人穿刺精度（如圖11 所示）。

圖11 人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人穿刺精度實(shí)驗(yàn)

2.1.3 穿刺成功率

對(duì)打印出的頭骨模型執(zhí)行配準(zhǔn)后由立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航定位，由操作者進(jìn)行人機(jī)交互式穿刺操作，穿破模型頭蓋骨。若完成穿刺作業(yè)后，末端執(zhí)行器上安裝的穿刺鉆頭可接觸到模型中對(duì)應(yīng)位置的半徑4 mm 的實(shí)心球體，則視為試驗(yàn)成功。測(cè)試7 次，計(jì)算穿刺成功率（如圖12 所示）。

圖12 人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人腦室穿刺實(shí)驗(yàn)

2.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)使用由北京芳元緣養(yǎng)殖場(chǎng)提供的健康比格犬1 只[實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào)SCXK（京）2020-0001]，雌性、1 歲、體質(zhì)量10 kg。選擇雙側(cè)腦室前腳、后腳、丘腦6 處為穿刺靶點(diǎn)。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）術(shù)前準(zhǔn)備：①術(shù)前麻醉。②固定金屬標(biāo)記點(diǎn)和“X”型視覺標(biāo)記架（marker）（如圖13 所示）。③顱腦CT 平掃（如圖14 所示），掃描范圍為聽呲線至顱頂，并進(jìn)行容積再現(xiàn)后處理。顱腦CT 平掃：采用單X 射線球管，管電壓120 kV，參考管電流320 mA，準(zhǔn)直128×0.6 mm，視野（field of view，F(xiàn)OV）210~250 mm，層厚/間距5 mm，卷積核J30f 中等平滑。容積再現(xiàn)后處理：將掃描的原始數(shù)據(jù)圖像發(fā)送至Siemens 工作站，基于三維重建的基本原理后處理頭顱的三維圖像，參數(shù)設(shè)定為層厚0.6 mm，F(xiàn)OV 210~250 mm，使用迭代重建。將影像學(xué)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)。④將比格犬置于俯臥位，利用立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)在圖像空間中預(yù)設(shè)6 處常用腦室穿刺部位為靶點(diǎn)：雙側(cè)腦室前角、后角及基底節(jié)區(qū)（如圖15 所示）。⑤采用KUKA iiwa/med 機(jī)械臂對(duì)4 處標(biāo)記點(diǎn)依次進(jìn)行方位注冊(cè)，用標(biāo)定針對(duì)標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行配準(zhǔn)（如圖16 所示），實(shí)現(xiàn)動(dòng)物圖像空間與操作空間的映射，然后啟動(dòng)KUKA iiwa/med 機(jī)械臂對(duì)其中1 處標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，誤差≤1 mm 時(shí)達(dá)到手術(shù)要求，如＞1 mm 則需重新進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)注冊(cè)，直至驗(yàn)證精度達(dá)到手術(shù)要求。

圖13 固定金屬標(biāo)記點(diǎn)和“X”型視覺標(biāo)記架

圖14 比格犬行顱腦CT 平掃示意圖

圖15 立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)中6 處穿刺靶點(diǎn)（黃色圓圈所示）

圖16 操作空間與圖像空間映射

（2）人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流術(shù)操作步驟：①局麻，固定比格犬頭部，使用機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航定位、跟蹤，切開穿刺點(diǎn)皮膚。②人機(jī)協(xié)同鉆孔（如圖17 所示），以生理鹽水對(duì)鉆孔部位降溫，避免摩擦產(chǎn)熱損傷腦組織。③進(jìn)行腦室穿刺引流（如圖18 所示），當(dāng)有腦脊液流出時(shí)說(shuō)明進(jìn)入腦室，即停止進(jìn)針。④縫合穿刺點(diǎn)切口，固定穿刺針，拔除針芯。⑤術(shù)后進(jìn)行顱腦CT平掃并進(jìn)行后處理容積再現(xiàn)，觀察顱骨6 處鉆孔位置（如圖19 所示）以明確穿刺點(diǎn)位置，將CT 原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)，測(cè)量實(shí)際穿刺點(diǎn)與預(yù)設(shè)靶點(diǎn)之間的距離，即穿刺誤差，并取平均值。⑥拔除穿刺針，止血、縫合、包扎。⑦于專業(yè)動(dòng)物飼養(yǎng)中心精心護(hù)理，皮下注射美洛西林鈉（1 次/d）抗感染治療，定期換藥，術(shù)后7 d 拆線。

圖17 人機(jī)協(xié)同行顱骨鉆孔示意圖

圖18 術(shù)者持穿刺針行腦室穿刺示意圖

圖19 比格犬進(jìn)行顱腦CT 平掃后行容積再現(xiàn)后處理圖像

3 結(jié)果

3.1 樣機(jī)性能測(cè)試

3.1.1 顱內(nèi)腦室穿刺引流目標(biāo)點(diǎn)定位精度

對(duì)于每個(gè)實(shí)心球體，計(jì)算虛擬探針接觸到實(shí)心球體的位置與球心的距離相對(duì)于實(shí)心球體半徑的偏差絕對(duì)值并計(jì)算平均值，再計(jì)算測(cè)得的8 個(gè)實(shí)心球體的偏差的平均值，得出顱內(nèi)腦室穿刺引流目標(biāo)點(diǎn)定位精度為0.12 mm。定位精度是在立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)上測(cè)量得出的，項(xiàng)目預(yù)定樣機(jī)定位誤差≤5 mm為合格，實(shí)際檢測(cè)定位精度達(dá)0.1 mm 量級(jí)，提示該樣機(jī)的立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)定位偏差小，遠(yuǎn)低于預(yù)定目標(biāo)，具備高精度定位能力，能夠滿足實(shí)際穿刺需要。

3.1.2 穿刺精度

計(jì)算穿刺點(diǎn)與球心的距離相對(duì)于實(shí)心球體半徑的偏差并計(jì)算平均值，可以得到機(jī)器人穿刺精度為0.71 mm。穿刺過(guò)程是整個(gè)手術(shù)的關(guān)鍵所在，穿刺精度保證了穿刺針能到達(dá)目標(biāo)位置實(shí)施穿刺，超高的穿刺精度可以保證手術(shù)效果，同時(shí)減少術(shù)中損傷，避免并發(fā)癥的出現(xiàn)。穿刺精度取決于穿刺點(diǎn)和穿刺角度的選擇，正常成人側(cè)腦室寬度≤10 mm，該樣機(jī)穿刺精度＜1 mm，提示該樣機(jī)具備良好的視覺伺服系統(tǒng)和機(jī)械臂操控精度。

3.1.3 穿刺成功率

執(zhí)行7 次人機(jī)協(xié)同腦室穿刺作業(yè)，穿刺成功率為100%。雖然良好的定位精度和穿刺精度為人機(jī)協(xié)同腦室穿刺奠定了基礎(chǔ)，但要保證術(shù)者精確地完成操作，還需要實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的力反饋，100%的成功率提示該樣機(jī)具備靈敏的力反饋，且操控性良好，這都為安全、快速地實(shí)施戰(zhàn)場(chǎng)腦損傷的快速處置提供了保證。

3.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

3.2.1 顱腦CT 平掃

對(duì)比格犬在手術(shù)前后行顱腦CT 平掃，術(shù)前清晰可見雙側(cè)腦室前角，術(shù)后見穿刺針高密度影（如圖20 所示）。比格犬顱腦CT 圖像顯示穿刺針頂點(diǎn)位于犬右側(cè)側(cè)腦室內(nèi)，提示此次穿刺達(dá)到預(yù)定位置，反映了依托該機(jī)器人的人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流術(shù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)定位精度和穿刺精度達(dá)到預(yù)期要求，且手術(shù)用時(shí)≤15 min，短于傳統(tǒng)術(shù)式。

圖20 手術(shù)前后比格犬顱腦CT 平掃圖像

3.2.2 顱腦CT 容積再現(xiàn)后處理

手術(shù)前后CT 檢查均將顱腦CT 平掃的數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作站進(jìn)行容積再現(xiàn)后處理，術(shù)前比格犬顱骨完整，可見4 枚金屬標(biāo)記點(diǎn)[如圖21（a）所示]，術(shù)后可見6 處穿刺點(diǎn)[如圖21（b）所示]。從容積再現(xiàn)技術(shù)構(gòu)建的顱骨3D 圖像上可直觀地觀察顱骨結(jié)構(gòu)，同時(shí)可清晰看到穿刺針達(dá)到預(yù)定穿刺部位（雙側(cè)側(cè)腦室前角、后角和基底節(jié)區(qū)），通過(guò)人機(jī)協(xié)同方式完成6 例次比格犬腦室穿刺引流術(shù)，提示該樣機(jī)能較好地完成人機(jī)協(xié)同側(cè)腦室穿刺術(shù)和顱內(nèi)血腫抽吸術(shù)。

圖21 手術(shù)前后比格犬顱腦容積再現(xiàn)圖像

3.2.3 實(shí)際穿刺點(diǎn)與預(yù)設(shè)靶點(diǎn)之間的誤差

術(shù)后復(fù)查顱腦CT 平掃，并將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入立體定位導(dǎo)航系統(tǒng)，測(cè)量實(shí)際穿刺點(diǎn)與預(yù)設(shè)靶點(diǎn)間的距離，即穿刺誤差（如圖22 所示），6 處穿刺點(diǎn)的誤差分別為0.70、0.82、1.53、2.28、0.97、1.02 mm，最大誤差為2.28 mm，最小誤差為0.70 mm，平均為（1.22±0.62）mm。穿刺定位精度與模型驗(yàn)證階段存在差異，但符合預(yù)定目標(biāo)。

圖22 實(shí)際穿刺點(diǎn)與預(yù)設(shè)靶點(diǎn)之間的誤差示意圖

4 討論

顱腦損傷是神經(jīng)科常見危重癥之一，致殘率和死亡率高，給患者及其家庭帶來(lái)了巨大的負(fù)擔(dān)[14-15]。顱腦損傷常合并腦出血破入腦室，可能帶來(lái)一系列的問(wèn)題，如腦脊液阻塞、腦積水、腦室擴(kuò)張、顱內(nèi)壓升高、腦疝、腦干和下丘顱腦損傷等[16-17]。影像學(xué)檢查可明確診斷顱腦損傷，同時(shí)判斷是否合并腦出血、腦積水等情況。急診腦室穿刺引流術(shù)能清除出血灶、降低顱內(nèi)壓、減輕腦組織受壓，可為進(jìn)一步顱腦損傷治療爭(zhēng)取時(shí)間和打好基礎(chǔ)，是影響預(yù)后的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[18-19]。

腦室穿刺引流術(shù)的準(zhǔn)確性取決于穿刺點(diǎn)的位置、進(jìn)針的角度和深度，常用的腦室穿刺部位為鼻根上方10 cm、中線右側(cè)3 cm[20]。傳統(tǒng)穿刺方法要取得預(yù)期的效果和安全性，主要依賴神經(jīng)外科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和手術(shù)技巧[21]。對(duì)醫(yī)生而言，急診的顱腦CT 平掃是僅有的定位參考，但只有影像學(xué)檢查，醫(yī)生很難做到精確定位，所以該術(shù)式的常見并發(fā)癥包括認(rèn)知障礙、視覺障礙以及穿刺造成的出血等[22]。本研究基于實(shí)時(shí)力反饋原理，采用人機(jī)協(xié)同術(shù)式，實(shí)現(xiàn)了術(shù)中的精確定位，擺脫了傳統(tǒng)術(shù)式需要專業(yè)神經(jīng)外科醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)和技巧的嚴(yán)苛條件，減少了術(shù)后并發(fā)癥。

本研究設(shè)計(jì)的人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了穿刺點(diǎn)及穿刺角度精確定位和半自動(dòng)控制穿刺，完善了穿刺手術(shù)的操作流程，且通過(guò)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)各項(xiàng)性能及參數(shù)均達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求。另外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該樣機(jī)能實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同比格犬腦室穿刺引流術(shù)，定位精度高、手術(shù)療效好，能夠達(dá)到甚至超過(guò)傳統(tǒng)術(shù)式，且無(wú)需經(jīng)驗(yàn)豐富、技術(shù)嫻熟的專業(yè)神經(jīng)外科醫(yī)生操作。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段穿刺定位誤差同模型驗(yàn)證階段存在一定差異，反思實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)本研究仍存在一些問(wèn)題有待改善：（1）鉆頭在穿刺過(guò)程中不斷受切向力影響，所以整個(gè)穿刺過(guò)程都需要保證實(shí)驗(yàn)動(dòng)物頭的固定；（2）實(shí)驗(yàn)動(dòng)物頭皮需要切開，實(shí)驗(yàn)中皮下雖行局麻，但在鉆孔過(guò)程中實(shí)驗(yàn)動(dòng)物會(huì)掙扎移動(dòng)，所以要完善麻醉質(zhì)量以保證手術(shù)的順利完成；（3）手術(shù)過(guò)程中需要冷卻穿刺處，穿刺時(shí)間較長(zhǎng)、發(fā)熱量大，會(huì)對(duì)腦組織造成熱損傷，需用生理鹽水冷卻；（4）目前該機(jī)器人暫未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化插入腦脊液引流管的過(guò)程，這也是下一步需要完善的地方。

人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人參與手術(shù)具備創(chuàng)傷小、定位準(zhǔn)確、協(xié)調(diào)性及靈活性好、安全性高、易操作、術(shù)后恢復(fù)快等特點(diǎn)[23-24]。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在手術(shù)時(shí)間、手術(shù)精準(zhǔn)度方面人機(jī)協(xié)同術(shù)式的優(yōu)勢(shì)將更加凸顯，對(duì)于手術(shù)操作者的要求也更低，更易普及，隨軍衛(wèi)生保障人員經(jīng)過(guò)短暫培訓(xùn)就能基本掌握。人機(jī)協(xié)同術(shù)式乃至機(jī)器人全自動(dòng)手術(shù)模式將是未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)醫(yī)療保障的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，因此，人機(jī)協(xié)同腦室穿刺引流機(jī)器人具備很好的應(yīng)用前景。