穿刺辅助机器人系统成功应用于临床

解放军总医院超声科介入治疗室的梁萍教授正在为一名肾囊肿患者做穿刺治疗。在超声引导下，梁萍利用机器人导航技术进行精确定位后，穿刺针稳稳落在了治疗部位……日前，由解放军总医院超声科和清华大学精密仪器系机器人及其自动化研究所历经3年研发的主动式超声引导下穿刺辅助机器人系统成功应用于临床。该项技术先后治疗肝肾囊肿患者十余例，穿刺精度均控制在±2mm以内，效果良好，填补了我国在超声引导下微创治疗领域的空白，也表明了解放军总医院超声科在自主创新领域又上一个新台阶。
 
1992年以来，超声引导下经皮局部热凝固治疗肝肿瘤技术在国内外迅速兴起，成为继肝动脉栓塞化疗以后又一种非手术治疗的有效的新方法，被喻为介入性超声发展史上新的里程碑。解放军总医院超声科在国际著名专家董宝玮教授的带领下，经过10多年坚持不懈的努力，在微波消融治疗肝癌领域居国际领先水平。
 
然而，作为一种局部热凝固治疗技术，为了达到其微创、有效的目的必须实现植入式微波天线的立体精确定位。但在医生为患者进行治疗操作中，很多因素造成了微波天线难以精准植入。首先，天线的植入依赖二维超声作为引导，而二维超声图像的引导容易造成三维空间定位的不精确，影响各种穿刺和肿瘤消融的治疗效果，甚至导致不应该出现的并发症。其次，由于受超声探头的角度、操作者的经验等诸多因素的影响，医生在操作中手部的抖动或用力不均匀，都会造成穿刺针道发生偏移，直接影响各种穿刺和肿瘤消融的治疗效果。还有，经验丰富的超声医生掌握植入立体定位技术需要经过3～5年的培训，这在一定程度上大大限制了该技术在临床的普及应用。
 
如何将超声引导下的肿瘤消融治疗建立在更加科学、可控和具有预见性的基础上，提高操作精度，使介入性操作变得更加方便、灵活，真正实现超声引导肝癌微波治疗的精确三维适形消融呢？
 
解放军总医院超声科副主任梁萍教授在长期的临床实践中，敏锐地洞察到这一制约超声引导下肿瘤消融的瓶颈问题。梁萍通过查阅大量文献资料，密切跟踪了解国外发展动态和受到其他微创技术的启发，开创性地提出了自己的创新方案——在超声引导下引入导航技术和机器人技术进行精确定位和稳定穿刺，实现肿瘤消融治疗的设想。她的想法立即得到了超声科主任唐杰的肯定和支持。
 
梁萍和她的团队经过全面考察，联系到国内在机器人研发上享有盛誉的清华大学精仪系教授陈肯，梁萍向陈教授表述了他们开展机器人用于肿瘤消融治疗的设想和合作的愿望。之后，两个研究团队之间反复进行沟通交流，论证了机器人研发的可行性，达成了合作的意向。
 
这一跨学科、医工联合的研究定位高，使解放军总医院在肝癌微创治疗领域处于国内领先地位。设计的超声引导肝肿瘤消融治疗机器人系统由医疗机器人、微波消融专家库、超声图像处理和定位四个子系统组成。
 
超声图像的三维重建配准和机器人的运动控制是整个项目的关键和难点。项目组将任务进行分解、逐个攻克。经过不懈努力，终于设计出一套完整的三维图像软件，能够初步实现三维超声可视化、介入手术计划、介入手术模拟、图像匹配算法和导航功能。
 
凭借前期工作的积累，研究团队积极申报科研基金，先后争取到北京市和国家重点项目的基金资助，获研究经费1000余万元。先后完成了基于磁定位系统控制软件的设计、基于自由臂扫查的三维超声重建算法、以解剖标志点为基础的人工匹配方法、实时图像与术前三维图像的联动。在被动式机器人的基础上设计制造了一台五自由度主动式机器人穿刺系统。机器人的基本结构包括手臂和手腕两部分，其中，手臂运动确定机器人末端，即引导装置末端的位置，手腕运动确定机器人末端的姿态。手腕结构采用远心运动机构，具有两个转动自由度，这种设计更加小巧灵活，便于拆卸和消毒。
 
经过3年攻关，超声引导下穿刺辅助机器人系统已在关键技术上取得了重大突破，获得了一系列研究成果。今后，项目研究组将对机器人系统的临床应用情况进行认真总结，科学分析，不断完善，为下一步投入肿瘤消融治疗打下坚实的基础。