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本报记者 王潇雨 特约记者 王蕾 光学跟踪定位仪是“眼”，机械臂是“手”，手术软件是“脑”，一场跨越2400公里的隔空手术在国产神经外科手术机器人的辅助下顺利完成。在首都医科大学宣武医院，院长赵国光教授带领团队操作手术机器人的机械臂，通过5G远程网络，与广西壮族自治区百色市人民医院李廷阳医生团队合作完成了一例脑出血的微创治疗。
赵国光介绍，历经6年探索，这套完全自主创新研发的神经外科手术机器人系统拓展出适用于癫痫、帕金森病、脑出血等疾病的微创精准干预方案，提高了治疗效果。最近，该团队完成的“国产手术机器人的神经外科微创治疗体系及临床转化系列研究”获得2022年中华医学科技奖医学科学技术奖一等奖。
全链条系统创新，精准定位导航 赵国光介绍，我国每年新增脑卒中病例超过200万人，其中脑出血患者占比达18.8%～47.6%。在边远地区，患者要得到及时、有效的救治常常是困难的。
“手术机器人辅助远程治疗是可行的解决方案，关键问题是要最大程度地精准定位，实现手术流程的标准化，降低脑出血微创手术的技术门槛，获得更好的脑血肿清除效果。”赵国光介绍，这套机器人的研发结合了多种人工智能算法，攻克了多模态影像规划、空间坐标映射、机械臂定位、视觉导航等全链条关键技术，显著提高了神经外科手术的自动化水平和精准度，实现了手术流程标准化，缩短手术时间，稳定手术质量。
比如，研究团队创新性地采用了环境光视觉跟踪定位技术，仅利用手术室自身环境光即可在实时视频中自动捕获目标的三维位置和俯仰翻滚偏转姿态，误差小于0.2毫米，并可同时动态追踪100个目标的空间位姿。特别是，此项技术无激光类仪器的辐射伤害，消除了红外光定位易受环境影响和高值红外耗材依赖国外进口的弊端。
研究团队首次开发出立体定向和神经导航相结合的机器人架构，它可以精准定位脑功能障碍相关疾病的病灶。“一方面，全自由度机械臂可以提供多维立体空间下的复杂轨迹的运动形式；另一方面，首次研发的激光无接触描记技术，可以把切口、骨窗、重要结构、病灶、切除方向在手术视野中进行投射标示，引导工具操作末端精准开颅及直抵病灶。目前可以用于神经外科各种技术，包括脑深部电刺激疗法、立体定向脑电图、抽吸引流、植入、穿刺、开颅、微创、内镜等。”研究团队成员、首都医科大学宣武医院神经外科主任医师单永治介绍。
立体定向手术常需对大脑核团进行定位穿刺。由于脑内核团体积较小，要求穿刺精度较高。目前，国际上手术机器人靶点的误差平均为1.7毫米。对此，研究团队对机械臂参数标定和光学跟踪定位技术进行了一系列攻关，最终将手术定位精度提高到0.5毫米以内。
单永治介绍了另外几项实用的创新功能：可以实时获取机械臂的位置和精度信息，并对3个以上工具进行实时跟踪，这意味着可显著减小创伤；可以将CT、MRI、PET、BOLD成像（血氧水平依赖成像）、弥散张量成像等结构影像和功能影像融合到同一空间，实现快速、高精度的靶点位置识别；在手术规划环节实现了实时智能纠错，提高了安全性。
以脑出血后血肿穿刺治疗为例，采用该机器人系统准确引导，患者脑出血死亡率由传统治疗的40%降到7.5%；血肿吸收时间缩短为3.4天，致残率从50%降到12.8%；相较于传统开颅手术，操作时长缩短约70%，人均住院天数缩短约14.21天。
全流程自动化，推进手术标准化 研究团队成员、首都医科大学宣武医院神经外科主任医师王亚明介绍，在机器人定位导航手术中，有个关键环节是手术注册。也就是在手术前，建立患者与术前图像之间的对应关系，将手术器械实时跟踪显示在术前图像中，为医生准确进行手术提供图像依据。在这个过程中，需要精确地建立虚拟图像与实际手术之间的映射。在过去，国内外手术机器人的注册环节都需大量的人为操作，不仅费时费力，而且精度严重依赖操作者的经验和技巧，很难完全保障结果的同质化。
如何减少人为操作的误差？研究团队研发了具有自主知识产权的视觉模板自动匹配技术。这一技术可以通过定位导航仪的实时视频图像，自动避开手术空间障碍物，自动规划定位，完成手术注册。
“整个过程在2分钟内就可以完成，时长比国外产品缩短90%以上。系统配合自动的多模态影像融合、自动三维解剖重建、自动病灶体积计算、自动手术规划校验和自动机械臂定位，极大消除了各类人为操作误差，达成了各类立体定向手术操作的标准化，减少了对医生经验和技巧的依赖，便于向基层推广。”王亚明说。
研究团队还把这些创新技术应用到癫痫及帕金森病等脑疾病诊疗中，取得了很好的效果。王亚明介绍，我国现有1200万名癫痫患者，儿童期和中老年期为双发病高峰，每年新增患者约40万人。详细解析癫痫发作的脑网络机制，并在此基础上进行高有效性、高精准性和低创伤性的治疗是亟待解决的关键问题。
“这个机器人系统的一大优势是可以通过PET和MRI等影像数据，对癫痫病灶进行准确的识别和导航定位。我们利用这一点，进行了癫痫脑网络机制的相关研究，进行射频热凝等微创治疗方式的实践，构建癫痫的人工智能诊断和治疗体系。”王亚明介绍。
在帕金森病治疗方面，研究团队创建了机器人辅助脑深部刺激术治疗体系，建立可广泛推广的机器人辅助脑深部刺激术临床操作规范，帮扶196家地市医院自主开展机器人辅助脑深部刺激术。
加速向基层推广，提高整体诊疗水平 目前，这套机器人产品已成功实施神经外科各类手术3万例。“我们医院近一年内开展了机器人辅助手术495例，其中90%为脑出血治疗。我们分析既往数据看到，与传统开颅手术相比，每台手术患者节省手术治疗费用约5万元，同时患者住院天数显著缩短。”李廷阳介绍，“机器人辅助手术对于神经外科其他疾病可起到相同作用。”
据了解，2019年，首都医科大学宣武医院、中日友好医院等医院共同承担工信部、国家卫生健康委国产神经外科手术机器人应用示范项目，通过远程医疗协作网，面向基层、边远和欠发达地区提供远程医疗、远程教学、远程培训等服务，目前已有58家医院共同参与。
赵国光表示，具体来说，就是在著名神经外科医院及各省市中心医院示范应用，并辐射带动周边医院。一方面，推动三甲医院联合基层医院建立远程医疗服务关系和双向转诊通道，并借助5G远程机器人技术促进基层医院综合能力提升，强化卒中急诊急救中心建设。另一方面，不同层级医院共同参与，开展临床应用探索，为进一步优化治疗方案提供新的理论依据，从而提升癫痫、帕金森等高难度疾病的治愈率。
“目前，我们成立了国家神经外科手术机器人应用示范项目专家指导委员会，指导临床应用，建立评价指标体系。未来，要进一步完善国产神经外科手术机器人的量化评分系统，以便提高手术的效率、安全性和有效性。”赵国光说。
