人机协同脑室穿刺引流机器人设计及实验验证

李晓寅，赵艳梅，梁 晋，杨晓云，陈淑莲，李正超，王君臣，段 峰，陈旭义，杨 波，梁 冰*

（1.武警特色医学中心海上维权医学保障研究所，天津 300162；2.联勤保障部队大连康复疗养中心疾病预防控制科，辽宁 大连 116013；3.武警特色医学中心神经外科，天津 300162；4.武警特色医学中心影像科，天津 300162；5.北京航空航天大学机械装备研究院，北京 100191；6.南开大学人工智能学院，天津 300381；7.武警特色医学中心药剂科，天津 300162）

0 引言

由于在现代战争中大规模使用各种高爆武器和简易爆炸装置，创伤性颅脑损伤（traumatic brain injury，TBI）已经成为战场上最主要的创伤之一。虽然作战人员都配备了先进的防护装备如头盔、防弹盾牌等，但头、面、颈部仍是战时最易受伤的区域之一[1]。有数据统计，美军在阿富汗和伊拉克2 次战争中TBI 的发生率较越南战争增加了近1 倍还多，达到了21%~28%[2-4]，其中爆炸引起的TBI 更是高达80%[5-6]，更主要的是其死亡率高达30%[7]，这其中有发生颅脑损伤后当场死亡，也有造成中重度TBI 后救治不及时导致的死亡。

对于中重度TBI 的救治，除了防止脑组织低灌注、癫痫和感染外，还应尽早采取合适的手术策略，以减少脑组织的继发损伤，最大程度地降低死亡率和残疾率[2，8]。TBI 后脑组织的严重挫伤使得局部组织肿胀，继发脑出血也造成对脑组织的压迫，常常合并出血破入脑室，导致脑积水、颅内压增高等情况。因此治疗原发性损伤、减少继发性损伤对于中重度TBI 的预后至关重要。

脑室穿刺引流术是神经外科的常用术式，对于脑外伤、脑出血等急重症有着较好的疗效。TBI 后脑室穿刺引流术可以引流脑脊液以缓解脑积水、降低颅内压，减少继发性血管源性脑水肿以减轻脑组织肿胀对周围正常脑组织的压迫，改善脑灌注以减轻脑组织缺血和神经功能缺失，同时留置引流管可以持续引流减压、鞘内注射药物，外接的测压装置也可以持续监测颅内压[9]。目前，脑室穿刺引流术是神经外科针对TBI 最常用的手术方式之一，随着医工融合的不断深入，手术机器人在外科领域的应用日渐增多，立体定向机器人就是其中应用较多的一类，广泛应用于脑深部电刺激、脑立体定向手术等。手术机器人国外发展比较快，ROSA 机器人是法国Medtech公司研发的第一代立体定向机器人[10]。国内在北航NeuroMaster 机器人的基础上，改进注册模式、识别定位、机械臂等软硬件，研制了很多机器人，其中北京柏惠维康的Remebot 是最早得到中国国家食品和药品监督管理局（China Food and Drug Administration，CFDA）认证的机器人，并已在临床推广应用[11]。目前应用的立体定向机器人大多局限于借助术前CT 检查完成定位，虽免去了安装立体定向架的痛苦，但并未实现人机协同穿刺或脑深部电刺激的实质性操作。

本研究创新性地实现了实时准确的力反馈，并在此基础上研发了一套人机协同脑室穿刺引流机器人，其可在精确定位的基础上完成人机协同颅骨钻孔、穿刺等操作，可颠覆现有传统术式，通过人机协同关键技术[12]实现战场脑室穿刺减压快速处置，解决颅内创伤、颅内高压、脑疝导致的战士急性死亡和严重伤残的问题[13]，对于提高伤员的战场生存率、降低致残率具有重要意义。

1 样机研发

1.1 基本原理

在脑室穿刺过程中，要实现人机协同必须实现实时准确的力反馈，需要测量穿刺过程中钻头在轴向的受力。测量受力情况有2 种用途：（1）在人机协同穿刺过程中给操作者以真实的力反馈，使得操作者感受到手术的状态，能够很大程度保证安全性；（2）实现自主穿刺过程的精确控制。该机器人采用差分法测量穿刺力，其穿刺轴向力测量模块由导轨、滑块、压力传感器、预紧力机构和其他连接件组成（如图1 所示）。

图1 穿刺轴向力测量模块结构示意图

穿刺轴向力测量模块受力可以用图2 所示的受力分析简图来分析。根据理论力学知识，钻头固连在滑块上，在外力作用下滑块相对于滑轨有微小运动，所以会造成两端压力传感器读数的变化。因此脑室穿刺引流机器人在穿刺前后的工作状况可以视为斜面滑块，由于滑轨滑块的摩擦力远小于钻头重力和钻骨的穿刺力，并且摩擦力的存在不会影响钻骨过程中对所钻组织类型的判断，因此可以在受力分析时忽略摩擦力。

图2 穿刺轴向力测量模块受力分析简图

在手术过程中，机器人首先在视觉引导下到达规划的穿刺位置，做好穿刺准备，将这个状态下两端压力传感器的读数分别记作F10、F20，则沿斜面方向的力学公式为

在穿刺过程中，由于姿态不变，只是钻头进给，所以G1不变，则沿斜面方向的力学公式为

式中，F11、F21为穿刺过程中两端压力传感器的实时读数，整理可得实时穿刺力F 的计算公式为

由公式（3）可以看出，穿刺力F 的精确与否取决于F10、F11、F20、F21数值准确与否，因此采取以下方式保证压力传感器的实时测量精度：改进钻头部分设计、减轻钻头转动惯量，采用差分法测量穿刺过程中的钻头轴向力，从而实现力反馈。根据差分法测力的设计原则设计钻头支架，利用导轨滑块能产生微小形变的特点在滑块两端安装高精度压力传感器，从而实现钻头压力的实时测量。

1.2 硬件组成

人机协同脑室穿刺引流机器人基于半自动控制穿刺技术设计，包括KUKA iiwa/med 机械臂、穿刺末端执行器、控制系统、视觉伺服系统4 个部分，实物图如图3 所示。

图3 人机协同脑室穿刺引流机器人实物图

1.2.1 KUKA iiwa/med 机械臂

脑室穿刺引流术是对操作要求极高的手术，要完成脑室穿刺需要手术机器人具备敏感性、灵活性和安全性等特点。通过研究脑室穿刺引流术的整个操作过程，对钻孔、穿刺、引流等操作的角度、深度等参数和机械臂需要具备的目标方位可达性进行分析，最终设计了七轴的KUKA iiwa/med 机械臂（如图4 所示），能够胜任脑室穿刺任务。

图4 KUKA iiwa/med 机械臂

1.2.2 穿刺末端执行器

针对颅内穿刺的需求，设计穿刺末端执行器具备2 个自由度：钻头的旋转和进给。其中进给由同步带-丝杠螺母完成，选用合适的钻头和配套的轴承座，使钻头的惯量减到最小，以充分发挥高速电动机高转速的特点（如图5 所示）。

图5 穿刺末端执行器

1.2.3 控制系统

控制系统是医师通过Omega7 主手控制末端穿刺执行器完成人机协同操作的核心部件，是二者之间的力反馈装置。所谓力反馈就是对手术器械和软组织等形变过程进行实时数值计算，模拟出软组织的变形情况和器械受力状态，并通过外接的力反馈输出设备使医师在手术操作中感知到反馈力的存在，以更好地完成临床手术操作，目前该控制系统的力反馈误差＜8%。

控制系统包括穿刺轴向力测量模块中的压力传感器、控制柜、上位机和Omega7 主手（如图6 所示）。其中控制柜是自主设计的穿刺末端执行器配套的控制系统的主要部分，和上位机共同发挥作用。上位机配置显卡为RTX3080，内存为32 GiB，内存频率为3 200 MHz，数据采样频率为385 Hz。

图6 控制系统工作原理图

在人机协同脑室穿刺引流术过程中，操作者手持Omega7 主手进行穿刺操作，通过上位机和控制柜将Omega7 主手的动作按比例映射到穿刺末端执行器来控制钻头的进给量，用Omega7 主手的扳机控制钻头旋转，当穿刺末端执行器末端的压力感受器感受到穿刺轴向力时，轴向力通过控制柜和上位机成比例反馈到Omega7 主手上，Omega7 主手对操作者的手施加反馈力，从而使操作者对穿刺力度有所把握。目前的操作延时低于200 ms，自主穿刺时间小于2 min。

1.2.4 视觉伺服系统

视觉伺服系统主要功能包括图像采集、视觉marker 快速匹配和位置计算，负责术中视觉导航。由双目相机获取真实物体的图像，进行实时角点检测和基于视觉marker 的快速模板匹配（如图7 所示），通过系统分析图像反馈的信息实时计算穿刺末端执行器位置，结合KUKA iiwa/med 机械臂的位姿在上位机软件中实时显示手术状态（如图8 所示），保证机器人完成精准操作。整个手术控制流程如图9 所示。

图7 角点检测和模板匹配示意图

图8 穿刺过程手术导航显示示意图

图9 人机协同脑室穿刺引流机器人控制流程图

2 样机性能测试与动物实验

2.1 样机性能测试

在完成样机的设计之后，需进一步验证其是否达到设计要求，因此对样机的性能进行测试，包括颅内脑室穿刺引流目标点定位精度、穿刺精度、穿刺成功率。实验对象为3D 打印头骨模型：通过自主研发软件将头骨CT图像重建为三维模型，在模型头骨内部建立多个半径为4 mm 的实心球体，打印该三维模型，再对打印出的头骨模型执行配准。

2.1.1 颅内脑室穿刺引流目标点定位精度

操作者徒手使用视觉探针接触开放式头骨模型内的8 处实心球体（如图10 所示），在图像空间测量虚拟探针末端与实心球体球心的距离，每个实心球体以不同的姿态、位置测量3次，最终对所测得的数值取平均值，即颅内脑室穿刺引流目标点定位精度。

图10 开放式头骨模型及颅内脑室穿刺引流目标点定位精度实验

2.1.2 穿刺精度

对打印出的头骨模型执行配准后，在机器人视觉伺服系统的控制下自动定位到头骨模型内部实心球体的球心位置，并执行单自由度进给穿刺作业，计算穿刺点与球心的距离相对于实心球体半径的偏差，多次测量取平均值就可以得到机器人穿刺精度（如图11 所示）。

图11 人机协同脑室穿刺引流机器人穿刺精度实验

2.1.3 穿刺成功率

对打印出的头骨模型执行配准后由立体定位导航系统进行自动导航定位，由操作者进行人机交互式穿刺操作，穿破模型头盖骨。若完成穿刺作业后，末端执行器上安装的穿刺钻头可接触到模型中对应位置的半径4 mm 的实心球体，则视为试验成功。测试7 次，计算穿刺成功率（如图12 所示）。

图12 人机协同脑室穿刺引流机器人脑室穿刺实验

2.2 动物实验

动物实验使用由北京芳元缘养殖场提供的健康比格犬1 只[实验动物许可证号SCXK（京）2020-0001]，雌性、1 岁、体质量10 kg。选择双侧脑室前脚、后脚、丘脑6 处为穿刺靶点。动物实验过程如下：

（1）术前准备：①术前麻醉。②固定金属标记点和“X”型视觉标记架（marker）（如图13 所示）。③颅脑CT 平扫（如图14 所示），扫描范围为听呲线至颅顶，并进行容积再现后处理。颅脑CT 平扫：采用单X 射线球管，管电压120 kV，参考管电流320 mA，准直128×0.6 mm，视野（field of view，FOV）210~250 mm，层厚/间距5 mm，卷积核J30f 中等平滑。容积再现后处理：将扫描的原始数据图像发送至Siemens 工作站，基于三维重建的基本原理后处理头颅的三维图像，参数设定为层厚0.6 mm，FOV 210~250 mm，使用迭代重建。将影像学原始数据导入立体定位导航系统。④将比格犬置于俯卧位，利用立体定位导航系统在图像空间中预设6 处常用脑室穿刺部位为靶点：双侧脑室前角、后角及基底节区（如图15 所示）。⑤采用KUKA iiwa/med 机械臂对4 处标记点依次进行方位注册，用标定针对标记点进行配准（如图16 所示），实现动物图像空间与操作空间的映射，然后启动KUKA iiwa/med 机械臂对其中1 处标记点进行验证，误差≤1 mm 时达到手术要求，如＞1 mm 则需重新进行标记点注册，直至验证精度达到手术要求。

图13 固定金属标记点和“X”型视觉标记架

图14 比格犬行颅脑CT 平扫示意图

图15 立体定位导航系统中6 处穿刺靶点（黄色圆圈所示）

图16 操作空间与图像空间映射

（2）人机协同脑室穿刺引流术操作步骤：①局麻，固定比格犬头部，使用机器人自动导航定位、跟踪，切开穿刺点皮肤。②人机协同钻孔（如图17 所示），以生理盐水对钻孔部位降温，避免摩擦产热损伤脑组织。③进行脑室穿刺引流（如图18 所示），当有脑脊液流出时说明进入脑室，即停止进针。④缝合穿刺点切口，固定穿刺针，拔除针芯。⑤术后进行颅脑CT平扫并进行后处理容积再现，观察颅骨6 处钻孔位置（如图19 所示）以明确穿刺点位置，将CT 原始数据导入立体定位导航系统，测量实际穿刺点与预设靶点之间的距离，即穿刺误差，并取平均值。⑥拔除穿刺针，止血、缝合、包扎。⑦于专业动物饲养中心精心护理，皮下注射美洛西林钠（1 次/d）抗感染治疗，定期换药，术后7 d 拆线。

图17 人机协同行颅骨钻孔示意图

图18 术者持穿刺针行脑室穿刺示意图

图19 比格犬进行颅脑CT 平扫后行容积再现后处理图像

3 结果

3.1 样机性能测试

3.1.1 颅内脑室穿刺引流目标点定位精度

对于每个实心球体，计算虚拟探针接触到实心球体的位置与球心的距离相对于实心球体半径的偏差绝对值并计算平均值，再计算测得的8 个实心球体的偏差的平均值，得出颅内脑室穿刺引流目标点定位精度为0.12 mm。定位精度是在立体定位导航系统上测量得出的，项目预定样机定位误差≤5 mm为合格，实际检测定位精度达0.1 mm 量级，提示该样机的立体定位导航系统定位偏差小，远低于预定目标，具备高精度定位能力，能够满足实际穿刺需要。

3.1.2 穿刺精度

计算穿刺点与球心的距离相对于实心球体半径的偏差并计算平均值，可以得到机器人穿刺精度为0.71 mm。穿刺过程是整个手术的关键所在，穿刺精度保证了穿刺针能到达目标位置实施穿刺，超高的穿刺精度可以保证手术效果，同时减少术中损伤，避免并发症的出现。穿刺精度取决于穿刺点和穿刺角度的选择，正常成人侧脑室宽度≤10 mm，该样机穿刺精度＜1 mm，提示该样机具备良好的视觉伺服系统和机械臂操控精度。

3.1.3 穿刺成功率

执行7 次人机协同脑室穿刺作业，穿刺成功率为100%。虽然良好的定位精度和穿刺精度为人机协同脑室穿刺奠定了基础，但要保证术者精确地完成操作，还需要实时精准的力反馈，100%的成功率提示该样机具备灵敏的力反馈，且操控性良好，这都为安全、快速地实施战场脑损伤的快速处置提供了保证。

3.2 动物实验

3.2.1 颅脑CT 平扫

对比格犬在手术前后行颅脑CT 平扫，术前清晰可见双侧脑室前角，术后见穿刺针高密度影（如图20 所示）。比格犬颅脑CT 图像显示穿刺针顶点位于犬右侧侧脑室内，提示此次穿刺达到预定位置，反映了依托该机器人的人机协同脑室穿刺引流术动物实验定位精度和穿刺精度达到预期要求，且手术用时≤15 min，短于传统术式。

图20 手术前后比格犬颅脑CT 平扫图像

3.2.2 颅脑CT 容积再现后处理

手术前后CT 检查均将颅脑CT 平扫的数据导入工作站进行容积再现后处理，术前比格犬颅骨完整，可见4 枚金属标记点[如图21（a）所示]，术后可见6 处穿刺点[如图21（b）所示]。从容积再现技术构建的颅骨3D 图像上可直观地观察颅骨结构，同时可清晰看到穿刺针达到预定穿刺部位（双侧侧脑室前角、后角和基底节区），通过人机协同方式完成6 例次比格犬脑室穿刺引流术，提示该样机能较好地完成人机协同侧脑室穿刺术和颅内血肿抽吸术。

图21 手术前后比格犬颅脑容积再现图像

3.2.3 实际穿刺点与预设靶点之间的误差

术后复查颅脑CT 平扫，并将原始数据导入立体定位导航系统，测量实际穿刺点与预设靶点间的距离，即穿刺误差（如图22 所示），6 处穿刺点的误差分别为0.70、0.82、1.53、2.28、0.97、1.02 mm，最大误差为2.28 mm，最小误差为0.70 mm，平均为（1.22±0.62）mm。穿刺定位精度与模型验证阶段存在差异，但符合预定目标。

图22 实际穿刺点与预设靶点之间的误差示意图

4 讨论

颅脑损伤是神经科常见危重症之一，致残率和死亡率高，给患者及其家庭带来了巨大的负担[14-15]。颅脑损伤常合并脑出血破入脑室，可能带来一系列的问题，如脑脊液阻塞、脑积水、脑室扩张、颅内压升高、脑疝、脑干和下丘颅脑损伤等[16-17]。影像学检查可明确诊断颅脑损伤，同时判断是否合并脑出血、脑积水等情况。急诊脑室穿刺引流术能清除出血灶、降低颅内压、减轻脑组织受压，可为进一步颅脑损伤治疗争取时间和打好基础，是影响预后的一个重要环节[18-19]。

脑室穿刺引流术的准确性取决于穿刺点的位置、进针的角度和深度，常用的脑室穿刺部位为鼻根上方10 cm、中线右侧3 cm[20]。传统穿刺方法要取得预期的效果和安全性，主要依赖神经外科医生的经验和手术技巧[21]。对医生而言，急诊的颅脑CT 平扫是仅有的定位参考，但只有影像学检查，医生很难做到精确定位，所以该术式的常见并发症包括认知障碍、视觉障碍以及穿刺造成的出血等[22]。本研究基于实时力反馈原理，采用人机协同术式，实现了术中的精确定位，摆脱了传统术式需要专业神经外科医生的经验和技巧的严苛条件，减少了术后并发症。

本研究设计的人机协同脑室穿刺引流机器人实现了穿刺点及穿刺角度精确定位和半自动控制穿刺，完善了穿刺手术的操作流程，且通过专业机构检测各项性能及参数均达到实验要求。另外，动物实验进一步验证了该样机能实现人机协同比格犬脑室穿刺引流术，定位精度高、手术疗效好，能够达到甚至超过传统术式，且无需经验丰富、技术娴熟的专业神经外科医生操作。

动物实验阶段穿刺定位误差同模型验证阶段存在一定差异，反思实验过程发现本研究仍存在一些问题有待改善：（1）钻头在穿刺过程中不断受切向力影响，所以整个穿刺过程都需要保证实验动物头的固定；（2）实验动物头皮需要切开，实验中皮下虽行局麻，但在钻孔过程中实验动物会挣扎移动，所以要完善麻醉质量以保证手术的顺利完成；（3）手术过程中需要冷却穿刺处，穿刺时间较长、发热量大，会对脑组织造成热损伤，需用生理盐水冷却；（4）目前该机器人暂未实现自动化插入脑脊液引流管的过程，这也是下一步需要完善的地方。

人机协同脑室穿刺引流机器人参与手术具备创伤小、定位准确、协调性及灵活性好、安全性高、易操作、术后恢复快等特点[23-24]。随着技术的进一步发展，在手术时间、手术精准度方面人机协同术式的优势将更加凸显，对于手术操作者的要求也更低，更易普及，随军卫生保障人员经过短暂培训就能基本掌握。人机协同术式乃至机器人全自动手术模式将是未来战争医疗保障的一个发展趋势，因此，人机协同脑室穿刺引流机器人具备很好的应用前景。