作者：崔萌，馬曉東，張猛，朱巍，301醫院神經外科
開顱手術機器人屬于神經外科機器人的范疇，而傳統的神經外科機器人多用于立體定向手術。立體定向機器人輔助神經外科穿刺活檢平均目標準確度已可達0.9~4.5mm，診斷活檢率可達75%~100%。近年來機器人技術飛速發展，包括開放性模塊化的控制系統、軟件系統、機器人故障診斷與安全維護技術。通過實時網絡自適應控制已可以模擬深部腦刺激的電極植入，這種方法也有助于機器人輔助手術的發展，提供一種新的實時糾錯并提高精度的方法。
同時神經外科的高技術發展（包括影像導航技術、術中磁共振技術、術中電生理檢測技術、術中喚醒技術等）使得術中的精確定位、病灶邊界精準確定、手術入路的合適選擇、創面的微小化越來越成為可能。而作為神經外科手術中比重最大的開顱手術，它與醫用機器人的結合更凸顯其優勢。本文總結既往機器人輔助開顱手術的優勢和不足，以啟示未來機器人輔助開顱手術的研究方向。
1.開顱手術機器人理念及實踐
機器人輔助神經外科萌芽在20世紀80年代，PUMA機器人最先用于神經外科，以往的神經外科手術機器人多用于輔助立體定向手術，如法國的Neuromate機器人、加拿大的Neuro Arm以及國內北京航空航天大學與海軍總醫院聯合開發的（Computer and Robot Assisted Surgery，CRAS）機器人系統和Remebot機器人等。開顱手術機器人雖然屬于神經外科機器人的范疇，但它主要的任務是精準鉆孔與銑削。在早期神經外科手術機器人的基礎上，國外的一些開顱機器人的研究應運而生。
德國研發的RobaCKa和CRANIO system可以進行顱骨表面腫瘤的切除以及顱骨的塑形重建。美國開發的混合Stealth station導航系統、Neuromate機器人臂、六維力覺感知系統和3D Slicer軟件機器人系統，已可進行顱底神經外科手術的開顱，但仍處于模型實驗和尸頭實驗階段。新開發的神經外科導航輔助鉆孔機械臂，定位誤差達到0.502mm，精度已相當高，且比人工的鉆孔精度高。Minerva是最早能提供實時影像引導的系統，可進行無框架立體定向手術，由于病人需在CT機下手術，利用率不高，因而問世2年后即停止研究。隨著導航系統的發展，目前最為成熟的為德國的Brainlab將磁共振影像數據與人頭顱匹配，實現實時精準定位，且具備先進的三維成像技術，3D顯示腫瘤輪廓，精準定位病灶。
將手術機器人、影像導航系統、開顱手術三者結合是當今開顱手術機器人研究的理念和實踐。借助于影像導航系統，精確定位病灶位置的同時，更加精準的規劃開顱時的骨窗位置，并設計鉆孔位置，并以此操控機器人按照導航系統的規劃設計進行鉆孔和銑削，以更小的骨窗達到更大范圍的暴露，從而實現微創。同時借助機器人的助力系統可快速而省力的實現開顱，并且機器人更高的精度能夠降低硬膜、血管、腦組織的損傷率。
達芬奇機器人是目前應用很廣泛的手術機器人，在腹部手術中已被證明其有效性和安全性。鎖孔神經外科手術是近年來提出的更加微創化的手術方式，英國倫敦皇家大學（Imperial College London）借助眾所周知的達芬奇機器人進行神經外科鎖孔手術的研究，得出的結論是由于鎖孔空間的限制、巨大機械臂的互相干擾且操控無力覺反饋，達芬奇機器人在神經外科手術的應用中，不具備可靠的安全性和有效性。
目前國外研究的開顱手術機器人主要有以下幾種。
2.RobaCKa機器人系統
這款開顱機器人是由德國海德堡大學在之前CASPAR機器人（該機器人已可完全模擬顱骨手術）系統基礎上2009年研發，其控制系統由該機器人專有的控制系統組成（包括一個力矩傳感器JR3、一個氣動壓力保護系統SCHUNK、一個紅外追蹤系統NDI），通過計算機運行一個實時的冗余安全系統RILinux/Free，機器人末端為一個開顱機械臂Aesculap。該機器人系統的軟件運用開顱術前計劃系統KasOp，而在手術過程中的安全性則由GUI工作流程指導醫生的每一個必要步驟的實施。這例機器人的研發是為了更加精確和安全的執行開顱術和復位骨瓣，尤其是顱縫早閉的外科治療。
借助于術前CT掃描、術前的計劃和定位，術中移除軟組織后，該機器人能夠自主的進行開顱術。這例機器人在虛擬實驗和動物實驗中的表現都很好，證明了其精確性和可靠性。這例機器人之后還進行了第1例人體實驗，為一個8歲的女性巖骨占位性病變患兒進行開顱術，雖然其只進行了額骨骨瓣的銑削，但卻證明了機器人應用于開顱術的可能。雖然這例機器人系統沒有出現明顯問題，但是仍需要注意將患者的危險性降到最低，是否能夠確保全自動化的機器人開顱的安全性，這需要在機器人系統設計時就體現出來，這也是未來機器人輔助開顱手術需要不斷改進完善的地方。
3.CRANIO機器人系統
此機器人系統是建立在CRIGOS的六維力系統和其特殊的工作空間基礎上，由亥姆霍茲-德國亞琛工業大學生物醫學工程研究所2006年研發。無菌的機器人被設置在患者頭顱下方，與固定器緊密連接，同時開顱工具被機器人平臺的C型臂牢牢固定，這些都使得操作空間能更好的適應人的頭顱。該開顱機器人系統采用分散式構架，KUKA機器人維修，其軟件包括了術前計劃及導航的軟件系統和其從屬系統，其硬件包括了運動控制單元以及冗余安全硬件（RSH）。
機器人運用術前CT圖像數據進行自動的顱骨切割，隨后通過計算機輔助模擬進行顱骨的修復。該機器人在顱骨模型實驗中被證明十分適合顱骨的鉆孔與銑削，由它進行了實驗室及解剖顱骨的研究，為接下來機器人系統的整合、手術操作流程和后期的臨床試驗提供了基礎數據。但其在顱骨重塑的精確度上仍需加強，更遠期的研究著眼于以超聲為基礎的技術，同時需增加一個自動沖洗裝置，優化安全閘門，確保機器人自動工作時的安全性。最為重要的是在機械臂末端要增加一個力感知系統從而減少工具的振動而確保操作的安全，將位置與力控相結合進而減少開顱的時間。
4.基于NeuroMate的混合機器人系統
這一款機器人由美國巴爾的摩約翰霍普金斯大學2008年研發，其混合了Neuro Materobot（Sacranmento，CA）六維力覺感知機械臂、Stealth Station導航系統（Louisville，Colorado）、運行3DSlicer軟件的工作站和運行高水平機器人控制程序軟件的工作站（Application controller），主要用來顱底外科手術的開顱。采用的NeuroMate機器人是FDA認證的機器人系統，使用這款機器人的原因是它具有機械穩定性、良好的精確度和對于開顱手術舒適的操作空間。其工作流程為：運用StealthStation導航系統將實際頭顱與術前CT圖像進行注冊配準；同時在機器人開顱的機械臂也安裝一個導航接受儀，使機器人與Stealth-Station導航系統能夠聯合注冊，以達到開顱過程中的可視化操作。