低剂量CT透视遥控穿刺机器人系统引导穿刺体模的可行性

何晓锋，肖越勇，张 肖，张啸波，张 欣，魏颖恬，张忠亮，薛晓东，张师闻

(中国人民解放军总医院第一医学中心放射诊断科，北京 100853)

CT引导下介入微创治疗指在CT设备引导和监测下进行经皮穿刺治疗，广泛用于肿瘤穿刺活检和原位灭活[1-3]。目前临床穿刺多为徒手盲穿或以各种导航设备[4-5]辅助穿刺，均存在误差。本研究观察自行研发的低剂量CT透视遥控穿刺机器人系统穿刺靶点的准确性、精确性和辐射剂量，并与常规CT引导穿刺比较慢，评价其应用价值。

1 材料与方法

1.1 材料 半身仿真人体模型(匡特人体模型0210，材料为硅胶)，包括模拟皮肤、肝脏及肝脏肿瘤；17G穿刺套管针(日本TSK株式会社)，长9.5 cm。

1.2 仪器与方法 采用Philips Brilliance TM Big Bore 16排大孔径螺旋CT，孔径85 cm，具有透视功能，将透视脚踏板线延长至CT操作室。

1.2.1 机器人穿刺系统 自主研发的机器人穿刺系统由遥控操作台、速度控制面板、机械臂、持针器及场景显示系统组成(图1～3)。①遥控操作台：用于发出操作指令，包括进针，平移(头侧、足侧/左右)，旋转(头侧、足侧/左右)及急停；②速度控制面板：通过触摸平板调整操作指令速度；③机械臂：改良后的Universal Robots公司UR5e机械臂，具有6个自由度，固定于自制稳定底座；④持针器：用于夹持和固定穿刺针，包括夹持臂和固定夹；夹持臂由具有高透射性材料加工而成；固定夹由尼龙材料通过3D打印制成，无X线伪影；⑤场景显示系统：机器人周围配备4个摄像头，以实时显示机器人及受检者，实现医师近台穿刺场景。

图1 操作间布局 1.扫描室内机器人机械臂及底座； 2.CT控制室内监视器； 3.手术场景显示器； 4.遥控操作台； 5.速度控制面板 图2 机器人主体 1.可升降机械臂底座； 2.机械臂； 3.持针器

图3 场景显示器从不同方位显示机械臂与CT机架的位置关系 A.头侧位； B.左足侧位； C.右足侧位； D.足正中位

1.2.2 分组及穿刺 将体模置于CT扫描孔径内行常规扫描，确认并记录待穿刺靶点位置。采用A、B、C三种引导方法，相应行A、B、C 3组穿刺，穿刺靶点相同，每组各对同一体模的5个靶点(模拟肝脏病灶)进行10次穿刺，共计完成30次穿刺。

A组由具有10年以上工作经验的主治医师在CT引导下进行徒手穿刺，FOV 350 mm×350 mm，管电压120 kV，管电流50 mAs，层厚5 mm；B组设定扫描参数为FOV 350 mm×350 mm，管电压120 kV，管电流30 mAs，层厚5 mm；2组Z轴扫描范围均为4 cm，定位靶点后，选择适当路径进行穿刺。C组为该医师在CT透视遥控机器人引导下穿刺。将扫描床位置定位于靶点处，设置透视扫描参数，FOV 350 mm×350 mm，管电压120 kV，管电流30 mAs，准直器宽度6 mm，选定有效辐射剂量为66%的透视模式后，将机械臂移动至CT扫描层面，穿刺针固定于机器人持针器；在控制室进行点踩踏板模式透视，调整穿刺针尖和靶点的位置关系，同时进针，持续踩脚踏板进行低剂量透视，以显示穿刺针与穿刺靶点的空间位置关系，通过穿刺针尖低密度金属伪影形成的“瞄准线”来瞄准靶点，以操纵杆控制持针器穿刺(图4、5)；于透视模式下实时显示穿刺针持续稳定穿刺至靶点(图6、7)。发现“瞄准线”偏离靶点中央时，采用调节操纵杆微调进针方向。

图4 CT透视引导下穿刺模拟肝内病灶(病灶直径15 mm)，穿刺针在接近病灶过程中始终沿直线进针，无偏移 图5 CT透视引导下穿刺位置较深的肝内模拟病灶(直径8 mm)，沿模拟胸骨边缘穿刺，因穿刺针在接近靶点过程中穿刺到不同密度组织而引发组织形变(箭)，导致穿刺针方向发生偏移，瞄准线偏离靶点正中

图6 CT透视引导下穿刺针尖正中靶点中央 图7 通过操控遥控操作杆缓慢调整穿刺针方向，最终穿刺针尖正中靶点中央

记录每次穿刺靶点的调针次数、穿刺进针时间(穿刺针尖刺入皮层至拔出穿刺针)、操作时间(准备穿刺至拔出穿刺针)、辐射剂量，穿刺靶点准确率和穿刺针尖与靶点中央的距离(即穿刺精确度)。采用剂量长度乘积(dose length product， DLP)计算辐射剂量。

1.3 统计学分析 采用SPSS 22.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料，采用方差分析对3组进行总体比较，以LSD-t检验行两两比较。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

3组共计完成30次穿刺，穿刺准确率均为100%。A、B组操作时间、调针次数、穿刺时间及穿刺针尖与靶点中央的距离均大于C组(P均<0.05)，A、B组间上述指标差异均无统计学意义(P均>0.05)；B、C组辐射剂量低于A组(P<0.05)，B、C组间差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1 3种不同方法穿刺体模各指标比较(±s)

表1 3种不同方法穿刺体模各指标比较(±s)

组别操作时间(s)调针次数穿刺时间(s)辐射剂量(mGy)穿刺针尖至靶点中央的距离(mm)A组455.00±16.533.90±0.23333.50±15.3699.84±5.971.40±0.16B组454.00±16.963.90±0.23335.50±16.4060.06±3.59*1.40±0.12C组142.30±2.56*#1*#14.90±0.75*#61.84±2.82*0.10±0.07*#F值171.7377.24201.9326.7929.25P值<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01

注：*：与A组比较，P<0.05；#：与B组比较，P<0.05

3 讨论

传统CT引导经皮穿刺过程中，医师借助CT扫描获取静止图像，凭经验估计穿刺角度进行步进式穿刺，根据病灶位置，一般需要进行3～5次CT扫描以显示穿刺针路径，逐渐纠正穿刺针方向，直至成功穿刺靶点[6]；穿刺过程中穿刺针和病灶均不可见，属于盲穿。为提高穿刺精确性及可重复性，减少穿刺对医师经验的依赖，导航设备逐渐出现并不断发展，可根据工作原理分为电磁、红外线和计算机辅助定位系统，其代表产品分别为Veran ig4、红外导航仪(新博医疗技术有限公司)及Perfint Maxio[7-9]。以上导航设备均以术前CT图像引导穿刺，难以纠正生理运动和组织形变所致病灶移位，更无法观察穿刺针行进引起的病理性改变如出血和气胸等。

CT透视可实时观察穿刺针进针方向和穿刺引起的各种变化，显著提高穿刺准确性和安全性[10]，但CT透视所致辐射剂量为临床所关注。既往文献[11]报道，常规剂量透视引导穿刺辐射剂量较高。为降低辐射剂量，应尽量对扫描参数进行优化，以低于常规扫描的辐射剂量进行透视下穿刺。本课题组自行研发的低剂量CT透视遥控穿刺机器人系统可通过遥控操作进行穿刺进针，实时显示穿刺针进针路径及针尖与靶点的位置关系，及时调整穿刺针位置和方向；医师在CT操作室观察CT透视图像，同时操纵机器人实现其预想动作而完成操作。

本研究对比观察常规CT引导徒手穿刺与CT透视遥控穿刺机器人系统对仿真模型中靶点的穿刺结果，发现机器人系统无需反复调针，仅通过一次安装穿刺针并进行远程遥控进针即可准确穿刺靶点，在保证穿刺准确性的基础上大幅缩短了穿刺时间，减少了穿刺调整次数，并提高了穿刺精确度。实际工作中，穿刺前已获得高清晰度CT图像，以CT透视引导穿刺时，仅需关注针尖和靶点的位置关系及周围组织形态改变，无须显示细微组织结构，故可通过降低管电流，以降低辐射剂量。本研究3组穿刺准确率均为100%，B、C组辐射剂量均低于A组，表明低剂量扫描可降低辐射剂量。

为降低辐射剂量，还可采用以下方法：①适当调整探测器宽度，透视模式下，探测器宽度不同，则有效辐射剂量不同；6 mm探测器宽度的有效辐射剂量为66%，相对常规螺旋扫描范围(5～10 cm)明显减少；②采用“点踩-查看”模式，穿刺到体模表面前不持续踩脚踏板进行曝光，而以“点踩-查看”模式获得图像，以校正穿刺针方向，而后采用持续曝光模式快速进针。

遥控穿刺模型时，同样的穿刺进针速度针对不同组织器官可引发不同程度的组织形变而造成组织偏移，导致穿刺针“瞄准线”偏离靶点正中，甚至针尖偏移超出透视层面。准直器宽度6 mm较为适宜。另外，随穿刺深度增加，针尖处的组织亦会发生压缩、形变，导致靶点沿进针方向推移。穿刺过程中采用较快的进针速度，使穿刺针迅速穿透组织，可减少组织形变。如发生位置偏移，可通过操纵杆调整针尖方向。

低剂量CT透视遥控穿刺机器人系统固定在CT扫描床旁边，穿刺过程中严禁移动扫描床，否则将造成穿刺针与体膜之间发生相对运动甚至碰撞；如扫描层面发生移动，需要重新定位。

综上，采用低剂量CT透视遥控穿刺机器人系统可增加穿刺精确度，减少调针次数，缩短穿刺进针时间和操作时间，且明显降低辐射剂量。