顱腦神經功能重要、結構複雜、組織強度低，對顱腦神經進行各種手術難度高、風險大，例如腦部腫瘤切除、癲癇病灶切除等一直以來都是神經外科的難點，為了實現精確的手術位置指引，定位病灶，醫學界作出了持續的努力，得到了不斷革新優化的手術導航方案。

        本研究基於手術導航係統的出現和應用，將神經外科的手術導航發展曆史分為框架立體定向神經外科階段、神經外科手術導航係統階段和神經外科手術導航定位係統階段，現報告如下。

1.神經外科對手術導航的需求和曆史發展階段

        1.1框架立體定向神經外科階段

        1947年美國Spiegel和Wycis發明了專為人類應用的腦立體定向儀，1949年LarsLeksell教授設計了第一代Leksell頭架，Leksell頭架及其改進型成為後續主流使用的立體定向儀，但是這些早期的立體定向儀僅依靠機械結構，精度低，創傷大，對於神經外科手術並沒有實現預期的幫助作用，出現後就進入了較為緩慢的發展階段。1980年代以後，隨著CT和MRI技術的普及，腦立體定向儀與CT、MRI結合使用，使得腦立體定向儀的準確性和安全性大為提高，一定程度滿足了神經外科手術的需求，部分醫師已經可以借助頭架完成較大難度的DBS手術，積累了豐富的手術經驗，並製定了標準化手術流程。

        但是使用頭架仍然存在眾多問題：(1)頭架自身重量過大，對患者負荷較重，不能適用於兒童;(2)創傷多，患者依從性差;(3)頭架結構複雜，容易遮擋醫師手術視線，限製手術視野;(4)頭架占據關鍵的空間位置，阻礙手術工具的使用;(5)連續進行多次的定位時，需要人工持續操作和計算，操作不便，注冊時間長;(6)依賴於術前影像，術中組織結構發生形變、漂移時，定位精度顯著下降。

        1.2神經外科手術導航係統階段

        1980年代後期，高分辨率的三維神經影像技術獲得普及和應用，三維圖像和數字可以實現互相轉化，高速、大容量計算機工作站的出現，推動了神經外科手術導航係統的產生。早期神經外科手術導航係統普遍采用光學導航以獲得較高的導航精度，代表公司有美國Medtronic公司的StealthStation係統，美國Stryker公司的SmartVision係統，德國BrainLAB公司的VictorVision係統等;同時期發展的電磁導航、超聲導航等主要用於腹腔器官的手術導航。

        神經外科手術導航係統的早期型號一般包括工作站(加載相關軟件的計算機、顯示器和鼠標鍵盤等輸入裝置)計算機和相關軟件，定位追蹤裝置(紅外線定位儀)，參考架，導航探針，頭部固定裝置和導航探針上帶有可以被定位追蹤裝置識別的標誌物(如紅外反光球等)。

        其主要使用流程為：(1)工作站接收醫學影像信息，進行手術路徑設計、腫瘤病灶勾畫等;(2)使用頭部固定裝置將頭部固定，將參考架與頭部(或病床)固定連接，使用定位追蹤裝置借助參考架持續獲得頭部在手術導航係統坐標係中的空間位置;(3)使用導航探針依次拾取頭皮上的標誌點，與影像中的標誌點進行匹配，從而完成注冊，即將醫學影像空間坐標係和現實空間坐標係建立對應關係，從而將醫生在影像空間計劃的手術路徑映射到現實空間中;(4)注冊後，即可使用導航探針或裝配標誌物的手術器械進行實時導航的手術操作。

        1.3神經外科手術導航定位係統階段

        神經外科手術導航係統具備實時靈活導航定位追蹤的優勢，但由於神經外科某些微創手術需要精準定位引導，需要在導航指引的同時借助機械臂進行定位定向，由此神經外科手術導航係統結構上包含了機械臂，進入了神經外科手術導航定位係統階段。起初的機械臂僅有機械結構，沒有電氣元件，由人工拖拽運動及手工鎖定。此種機械臂的出現時間較早，成本低，但是其操作繁瑣，定位耗時;執行複雜手術時，效率低，手術時間長。其中包括若幹生產廠家：美國Medtronic、德國Brainlab、深圳安科、新博醫療等。後續出現的機械臂具備電氣元件及抱閘鎖緊裝置，可以調整機械臂各個關節使之達到預定坐標，其中生產廠家包括華誌微創等。

        隨著通用機械臂的發展成熟，將自動機械臂作為輔助定位的裝置加入手術導航定位係統的方案得以實現，MedtechS.A.在其研發的ROSA產品中首次采用自動機械臂，該機械臂具有傳感器和6個關節，醫生可以通過安全腳踏控製機械臂，非常可靠;根據術前設計的路徑機械臂自動置位，醫生可以在固定的通道下進行手術操作，使手術更加安全穩定;其機械臂的力傳感功能，可保證手術過程中遇到障礙物時緊急停止，使整個手術非常安全，另外還將立體定向腦電圖(stereotacticelectroencephalogram，SEEG)手術適用範圍增加到兒童。

        國內的華科精準等公司也製造銷售了具有類似機械臂的神經外科導航定位係統設備;自動機械臂能夠主動運動，根據機械臂自身坐標係進行定位，在連續定位、可操作性、安全性方麵有大幅度提高，對於深部電極植入以確認癲癇病灶位置，高難度位置的組織活檢等術式有良好的臨床效果。由於醫生在部分手術時需要更大的操作空間，一些研究人員尋求具有相同定位導航功能的微型機器人。中歐智薇(上海)機器人有限公司開發了一種微型機器人，其利用特定的運動方式結構設計，在一定範圍內可以實現與六軸機械臂相等的功能。國內華科精準也研發了類似的微型定位機器人。

2.手術導航係統的注冊方式

        手術導航係統曆經多年的發展，神經外科手術導航係統的使用過程中，注冊環節始終是整個手術的核心，注冊過程中使用的注冊方法不斷得到改進，根據其技術原理，大致分為以下五種方式。

        2.1光學定位儀追蹤的坐標點注冊

        從1990年代開始至今，光學定位儀追蹤的坐標點注冊主要有紅外光學追蹤引導的坐標點注冊和可見光學追蹤引導的坐標點注冊。紅外光學定位儀的組成包括紅外光源和紅外相機，通過紅外線定位儀和導航探針拾取標記點的位置，從而完成注冊。其中一種是通過粘貼在頭皮表麵上的標記點進行注冊，該方法無創、經濟，但問題是容易因頭皮形變和移動造成誤差;另外一種是通過固定在顱骨上的骨性標記點進行注冊，相對於頭皮貼標記點注冊，此種注冊方式的精度更高，但會造成額外的損傷，患者依從性相對稍差。采用紅外光學追蹤引導的坐標點注冊的方式不易受光線幹擾，故采用此種注冊方式的廠家較多，其中包括美國Medtronic、美國Stryker、德國Brainlab、法國公司MedtechS.A.、中國的華科精準、深圳安科、上海複旦等公司。

        可見光學定位儀的結構為雙目或多目的可見光攝像機，其成本比較低，僅利用手術室自身環境光進行追蹤定位標記點，但是雙目相機的識別容易受到周圍環境光線強度的影響，會導致注冊精度下降，因此采用此種注冊方式的廠家較少。

        2.2激光表麵輪廓注冊法

        2009年至今，開始使用激光掃描獲取點雲進行注冊，具體的該注冊方法是用手持式激光筆或機械臂帶動激光測距儀，向待注冊部位投射多個激光點，從而形成點雲信息，然後與醫學圖像點雲進行配準，完成注冊。該技術可以在10min內采集幾百至幾千個激光點信息，配準精度相對於第一階段有明顯提升，注冊時間縮短。例如法國公司MedtechS.A.在2009年進行臨床試驗的神經外科手術定位導航設備ROSAONE，美敦力StealthStation_S7，國內的安科導航儀(ASA-610V型號)、華科精準醫療科技有限公司的導航係統(SR1)等市售產品都可使用這種注冊方法。激光掃描可以采用點激光器(激光測距儀)或線激光器，該方法無須安裝骨釘或者粘貼透皮貼標誌點，省略術前CT，流程簡便，節約時間，患者接受度較高。

        2.3結構光注冊法

        2019年開始出現了一種新的注冊方法，主要資料來自公開的專利技術。華科精準醫療科技有限公司在2019年1月21日提交的一種手術機器人係統及其使用方法(CN109549705A)中提出了含有3D結構光掃描模塊的機器人手術導航係統;7DSURGICALINC在2019年7月12日提交的專利(US20190333253A1)提出采用結構光掃描儀獲取患者體表點雲數據進行注冊;MedtechS.A.公司在2020年2月12日提交的專利申請(US20210244485A1)也提出了使用3D結構光進行注冊的方法。

        二代注冊方法激光表麵輪廓注冊法所使用的激光三角測量法具有非常高的分辨率和測量精度，但在實際應用中受相機和激光光源橫向距離的限製，測量範圍小，測量時間長。而結構光投影3D成像的工作原理是利用結構光經過光學投影係統投射至被測物體表麵，然後采用圖像獲取設備(如CCD或CMOS相機)采集被物體表麵調製後發生變形的結構光圖像，利用圖像處理算法計算圖像中每個像素點與物體輪廓上點的對應關係;最後通過係統結構模型及其標定技術，計算得到被測物體的三維輪廓信息。

        結構光可以迅速地獲取百萬級的點雲數據，彌補了激光測量時間長，範圍小的問題，在保證較高空間分辨率的同時，能有效解決目標表麵斜率階躍變化的問題，同時具有較大的視場範圍，能夠彌補激光單點掃描的效率不足問題。劉煥光等對結構光注冊技術進行了臨床試驗，驗證了結構光注冊方法具有注冊時間短、定位誤差小、安全性能好的優勢。

        2.4O型臂術中CT導航技術

        現國內常見的O型臂術中CT導航技術由O型臂手術圖像係統和StealthStation手術導航係統組成，通過小型化可移動的O型臂術中CT可以在術中實時獲得術中高精度影像，通過與術前影像融合，或者識別StealthStation手術導航係統術中定位標誌，以達成注冊及導航。現該技術常用於脊柱手術中，但在神經外科其他領域也有著廣闊的應用前景，例如進行DBS等高精度手術。

        2.5骨性標誌接觸性注冊技術

        骨性標誌接觸性注冊技術是國內現常用的高精度神經外科手術常用的注冊技術，法國MedtechS.A.、中國的華科精準等公司的神經外科手術機器人產品均可使用該技術進行DBS、SEEG、立體定向活檢等手術導航。普遍反映技術要求複雜、沒有規範化的機器人輔助DBS手術流程，尤其是手術前需要在患者頭部顱骨上植入5個用於定位和注冊的專用金屬釘，長度至少深入顱骨板障4～7mm，對於部分顱骨較薄患者存在穿透顱骨、甚至引發顱內出血的風險並增加感染幾率，嚴重限製了手術機器人係統的臨床應用，該技術也麵臨被更多創新性的無創注冊方式所取代。

3.手術機器人使用經驗

        本研究引進ROSA神經外科導航係統一台，該係統使用激光表麵輪廓注冊法，具有有源機械臂;具體包括導航主機及裝載的若幹臨床應用軟件、機械臂、定位追蹤係統、導航工具等，其機器臂為六自由度機器臂，整合有力/力矩傳感器，具有觸覺反饋模式，可根據操作者施加的力實時作出調整，以按照操作者的任務要求進行移動。

        但基於ROSA神經外科導航係統的局限性，特別是上文提及的骨釘接觸式注冊方式，本研究使用中一直在思考這種顱骨骨釘的注冊方式是否有安全便捷無損傷的替代方式，經過多次反複的實驗，目前已經提出了多種免除顱骨骨釘的無損傷接觸式注冊方式，並進行了初步的驗證，有待於進一步完善並應用到臨床。該係統可以執行多種術式，例如術中導航/功能區定位，DBS腦起搏器深部電極植入術，SEEG深部電極植入術及毀損術，腦組織活檢，腦血腫排空術，腦膿腫引流術。

        根據本研究的使用經驗，機械臂輔助的神經外科定位導航係統，在複雜手術的效率上顯著高於沒有機械臂輔助的手術導航係統。ROSA神經外科導航係統在國內其他醫院也開展了多種臨床試驗和手術治療。劉元欽等回顧性分析了14例患者使用ROSA手術機器人的治療結果。蔡曉東等使用ROSA機器人輔助手術，病種包括帕金森病，特發性震顫，腦深部病變，三叉神經痛以及癲癇，45例患者術後均達到預期治療效果，無嚴重並發症發生，認為無框架立體定向手術機器人可以顯著提高手術精準度和安全性。

        王慧傑等驗證了局部麻醉下ROSA機器人係統輔助SEEG電極植入手術的精準性與安全性，局部麻醉下行ROSA機器人係統輔助SEEG電極植入精準、安全，其電極入點誤差和靶點誤差與全身麻醉相比無明顯差別。王惠清等通過將ROSA機器人輔助帕金森病丘腦底核深部腦刺激電極植入與傳統的Leksell頭架輔助做對比研究，發現ROSA機器人輔助電極植入可明顯改善電極植入精度。

4.總結與展望

        神經外科手術導航設備，降低了很多神經外科手術的難度和門檻，減少了醫師的學習培訓時間，縮短了手術時間，提高了手術成功率，為神經外科的疾病治療提供了有力輔助。現有的神經外科手術導航係統已經可以解決部分臨床問題，但是仍然有更多的問題需要解決，結合本研究的使用經驗，展望手術導航係統的發展，至少還有以下若幹改進方向：

        (1)更高效的空間信息獲取，這一需求在一定程度上已經被手術導航係統控製機械臂帶動結構光掃描儀滿足，通過結構光進行感知，相較激光采集點雲已經有較大提升，可以快速獲取目標部位和環境的點雲信息，為後續的自動化、智能化操作提供了更多判斷依據;(2)決策智能化，手術導航係統可以根據多模態的醫學影像建立三維模型，通過已有的手術經驗信息訓練神經元網絡，計算並推薦最優的植入路徑規劃;(3)執行自動化，確定最優的植入路徑後，手術導航係統為機械臂計算出最佳運動路線，高效並安全地將定位通道連續移動到預期位置。

        來源：邱暢,董文文,章文斌.神經外科手術導航係統發展概述與展望[J].臨床神經外科雜誌,2022(03):352-355.