一种用于高强度聚焦超声手术的八自由度机器人手术平台

作者:许剑波;项林清;曹志奎;马培荪;王文超 刊名:生物医学工程学杂志 上传者:刘江

【摘要】机器人手术是未来外科手术的发展方向,高强度聚焦超声(Highintensityfocusedultrasound,HIFU)手术是一种崭新的无副作用癌症治疗方法。本文介绍了机器人集成超声手术系统、流程,并详细介绍了可以解决术中定位这一关键问题的八自由度机器人手术平台的设计、结构特征、运动机理。分别给出了C形臂和治疗床、C形臂和治疗头两个五维合成运动的可达工作空间分析。相对于已有的手术平台,该平台定位准确、便捷,可治疗的人体区域也更大,从而使治疗方案的设计更具灵活性。

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1引言癌症是夺去人类生命的头号杀手,在欧洲每年约有18%的癌症患者由于不能控制肿瘤的生长而死亡。通常采用外科手术切除、放射线手术杀死癌细胞的方法治疗癌症,但外科手术需要要打开人的身体,术后有并发症的危险;放射性手术一般不能完全杀死肿瘤并有可能伤害健康组织。几年以前就有学者开始进行计算机辅助放疗(Computerassistedradiotherapy,CAR)的研究[1],目标是找出肿瘤目标体域,并进行全方位立体的术前规划,最大化治疗效果和最小化对健康器官产生的伤害,但由于放射线的危害性,这种伤害不可避免。HIFU是在肿瘤热疗的基础上发展起来的新型超声加热技术。它能将高强度超声波聚焦于机体深部靶区组织,其热效应可以在极短的时间内使焦点处肿瘤组织的温度骤升到80120[2],其空化效应使肿瘤细胞受损,两种效应共同作用从而直接杀死靶区肿瘤细胞,无副作用,是一种十分理想的非侵入性的肿瘤治疗手段。本文介绍了我们研制的集超声技术和机器人技术于一体的8自由度医用机器人手术平台。2HIFU手术系统2.1简介HIFU手术是用聚焦于一点的超声波烧蚀肿瘤组织,因此手术的过程就是用聚焦超声(HIFU)的焦域按照规划好的路径,由点成线、由线成面,覆盖整个目标体域(肿瘤组织)的过程[3]。由于手术是非侵入式的,焦域的烧蚀又是破坏性的,手术中应尽量避免烧蚀到健康组织,因此超声手术很难人工进行。实际上HIFU手术系统是一种主动式的机器人集成手术系统(RIS),属于CAS(ComputerAssistedSurgery)的范畴,整个手术过程只有极少的环节需要人为干预。该RIS系统包括决策诊断系统、通信控制系统和执行机构(手术平台)。决策系统送出治疗方案,通信控制系统将方案转化成的指令送达执行机构,由执行机构带动手术器械完成最后的手术动作。手术器械在病灶处的精确可达性十分关键,因此灵活、易操作的手术平台是病人获得最佳治疗的保证。2.2HIFU手术流程HIFU治疗肿瘤的流程如图1所示,分为三个过程:术前规划、术中定位和治疗、术后治疗效果评估。图1超声手术流程Fig1FlowchartofHIFU(1)术前利用CT或MRI等检测装置对欲治疗的肿瘤区域进行扫描检测,获知肿瘤的具体情况如发病部位、肿瘤大小、数目、形态、边界、深度以及肿瘤的超声学特征等。然后对检测到的信息进行处理,得到肿瘤、脏器、体廓的三维重构图像,确定需要进行超声手术的目标体域,并进行术前手术规划以确定合适的焦域扫描起点、终点和扫描路径以及患者的治疗体位。随后进行手术模拟,发现不足则重新设计,以优化术前规划的方案,尽量降低伤到重要的血管、神经和其他健康组织的可能。(2)进入手术阶段后,首先要进行配准,目的是要将术前规划时的坐标空间映射到术中肿瘤所在坐标空间。即要进行图像配准,把术前重构的三维图像、规划结果及肿瘤组织超声学特征和病人在HIFU手术时所处的空间位置的B超检测图像、超生学特征对应起来;从而确定在术中坐标系中肿瘤的位置、超声焦域的扫描起点等等。由于算法或其它原因造成的规划结果缺陷、配准误差等等,需要由医生和技术人员进行人工调整。(3)手术后需对治疗效果进行评估以决定下一步的治疗方案。目前超声手术机器人系统还不能自动完成术后评估,需要依靠人工进行。一般B超检测HIFU治疗后靶区为轮廓清楚的低回声光团,彩超检测靶区内血流信号消失,平扫CT则表现为低密度影,增强延迟后仍表现为低密度区,也可由术后若干天后,肿瘤体积是否缩小或者不再增大,肿瘤数目是否不再增加和其他生理变化来确认治疗效果。3用于HIFU手术的机器人手术平台3

参考文献

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