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影像導(dǎo)航技術(shù)與機器人手術(shù)室
點擊次數(shù):3769 更新時間:2010-01-01
一、影像導(dǎo)航推動外科醫(yī)學的大發(fā)展
醫(yī)學圖像的功能,從以診斷目的向治療過程轉(zhuǎn)移,這是革命性的大轉(zhuǎn)變,它推動外科醫(yī)學技術(shù)日新月異進步和提高。
1、IGS是數(shù)字化手術(shù)室的特征
影像導(dǎo)航下的外科手術(shù)IGS (Imaging Guided Surgery)問世,促成影像學、放射外科和立體定向技術(shù)的有機結(jié)合,衍生出多種新型的治療手段。 如:腦血管造影定向技術(shù)、磁共振定向技術(shù)、內(nèi)窺鏡立體定向術(shù)等。伽瑪?shù)?、高強度聚焦超聲刀(HIFU)、X刀、激光刀、射頻消融技術(shù)和質(zhì)子束放射系統(tǒng)的應(yīng)用,使外科手術(shù)對人體的損傷大大減小,由大創(chuàng)、小創(chuàng)階段進入到微創(chuàng)、無創(chuàng)的階段。微創(chuàng)、無創(chuàng)概念已深入到外科診斷與治療的各個領(lǐng)域。
IGS是數(shù)字化手術(shù)室的特征,是現(xiàn)代手術(shù)部的技術(shù)核心。
IGS是利用特殊設(shè)計的計算機軟件,將病人術(shù)前CT或MRI圖像進行三維重建(3-D-reconstruction),并通過術(shù)中定位系統(tǒng),對手術(shù)器械在術(shù)野中的位置進行精確定位,術(shù)者參照顯示在計算機監(jiān)視器上的三維影像(水平位、矢狀位、冠狀位)觀察到手術(shù)器械的實際位置。
IGS可與具有導(dǎo)航功能的手術(shù)顯微鏡或內(nèi)窺鏡相連同接,將手術(shù)視野擴展到顯微鏡及內(nèi)鏡視野之外,使術(shù)者在術(shù)野中進行手術(shù)操作的同時,能顧及到術(shù)野周圍的重要組織結(jié)構(gòu),如:顱底、眼眶、神經(jīng)、血管等。并可隨手術(shù)的不斷進展,影像導(dǎo)航系統(tǒng)可提供連續(xù)的手術(shù)器械定位,使手術(shù)安全、徹底、減少手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生。如史賽克導(dǎo)航系統(tǒng)測量精度達到0.07毫米,使外科手術(shù)更為精確,減少外科手術(shù)過程中的人為因素,最大限度地保護正常組織,加快病人傷口痊愈的速度。
2、外科設(shè)備發(fā)展決定了手術(shù)室的多樣性。
工程技術(shù)的發(fā)展,推動外科醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展,手術(shù)設(shè)備日新月異,千差萬別,則要求建設(shè)不同功能的手術(shù)室,與手術(shù)設(shè)備相配套。手術(shù)室的建設(shè)必須滿足手術(shù)設(shè)備的功能要求。手術(shù)室的多樣性是現(xiàn)代手術(shù)部的特點,也是醫(yī)院現(xiàn)代手術(shù)室發(fā)展的方向。按手術(shù)設(shè)備分類,有開放性手術(shù)室、導(dǎo)航手術(shù)室、微創(chuàng)手術(shù)室、無創(chuàng)手術(shù)室、機器人手術(shù)室。本文從工程學方向出發(fā),側(cè)重于手術(shù)室自身建設(shè),作簡要說明。
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二、電磁屏蔽手術(shù)室
磁共振介入手術(shù)室,簡稱MRI手術(shù)室,根據(jù)施工技術(shù)特點分類,也稱為電磁屏蔽手術(shù)室。
圖像引導(dǎo)的出現(xiàn),可以提高手術(shù)治療的安全性,并能節(jié)省醫(yī)療費用。這種新型的介入外科治療過程,在原有的傳統(tǒng)手術(shù)室是不可能完成的,需要對器具和設(shè)備進行必要的改造,建立數(shù)字化的手術(shù)環(huán)境。
在手術(shù)室安裝開放磁共振成像設(shè)備,采用磁共振介入的原理,向手術(shù)醫(yī)生提供手術(shù)過程中動態(tài)的、變化的實時信息。實踐證明動態(tài)的MRI成功引導(dǎo),是顱腦神經(jīng)外科手術(shù)有發(fā)展前景的科學方法。
MRI手術(shù)的基本概念是通過進行術(shù)中MRI成像來協(xié)助指導(dǎo)進行的外科手術(shù),MRI手術(shù)室則是指安置有術(shù)中導(dǎo)航功能的MR掃描設(shè)備,并可進行全部或部分外科手術(shù)的手術(shù)室(或指符合外科手術(shù)要求并能進行外科手術(shù)的MR機房)。MRI手術(shù)的目的是通過術(shù)中MRI掃描和導(dǎo)航來提高外科手術(shù)對病灶的完整切除率和治愈率。
“術(shù)中MRI成像”是指手術(shù)開始前、手術(shù)進行中和手術(shù)結(jié)束前的MRI成像。完成一次MRI手術(shù),目前一般需術(shù)中進行3-4次MRI掃描,手術(shù)結(jié)束前的最后一次掃描最為重要,平均每次術(shù)中MRI掃描時間約為10分鐘左右。這些術(shù)中MRI圖象信息又可現(xiàn)場輸入到導(dǎo)航系統(tǒng)作為術(shù)中導(dǎo)航的原始資料,實時指導(dǎo)、修正現(xiàn)場手術(shù)的進行情況。術(shù)中MRI成像序列和成像參數(shù)則是為手術(shù)而特定的。根據(jù)需要也可進行術(shù)中MRI增強掃描、術(shù)中MRI血管造影(MRA)、術(shù)中MRI功能成像分析(fMRI)等。
?? 磁共振介入手術(shù)室正處在探索、完善、推廣的階段。電磁屏蔽手術(shù)室組成如下。
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1、MRI手術(shù)室
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MRI手術(shù)室的布局既要考慮到能進行MRI成像又要考慮到便于外科手術(shù)的操作和人員的移動。另外,MRI手術(shù)室的面積應(yīng)該要大于普通MR機房的面積,一般要求在40㎡以上。一種是放置在醫(yī)院外科手術(shù)室區(qū)域內(nèi)的專用MRI手術(shù)室;另一種是將影科的常規(guī)MR室改建成能符合手術(shù)要求的MRI手術(shù)室(如美國辛辛那提大學,平時仍作為日常MRI掃描診斷使用)。
MRI手術(shù)室是MRI設(shè)備及手術(shù)室組合而成的復(fù)合體,屬多學科相互交融的邊緣學科,一臺術(shù)中核磁共振手術(shù)是由手術(shù)者、放射科醫(yī)生、工程師 、物理師、麻醉及護士共同配合完成,放射科醫(yī)生要參與所有手術(shù)病歷的術(shù)前計劃和術(shù)中影像學的處理,為外科醫(yī)生提供最佳的手術(shù)入路及術(shù)中影像的動態(tài)變化,成員之間的交流顯得尤為重要。手術(shù)室設(shè)計必須滿足這些工作要求進行設(shè)計和施工。
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2、MR成像設(shè)備
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適用于術(shù)中MRI在低頻的設(shè)備應(yīng)是掃描功能先進、漏磁區(qū)域小、機架開放程度高的機型,顯然目前中低磁場強度的開放式MR機是最適合的。常見的為0.5T以下的開放式永磁型機型.低場永磁型MR機特別適合于手術(shù)操作,其主要特點是漏磁區(qū)域即5高斯線區(qū)非常小。
??? 在磁共振介入中,磁體必須是開放型的,以便于介入過程中的操作。水平開放型的MR系統(tǒng)如[圖-1]所示,介入操作區(qū)共有三個,即兩側(cè)和后方。垂直開放型MR系統(tǒng)超導(dǎo)磁體由兩只分開的線圈組成,且同致冷裝置相連通,成像區(qū)域是直徑30cm的球體空產(chǎn),磁體中央有一56cm寬的豁口,可以在垂直方向靠近病人。磁體中采用六線圈結(jié)構(gòu),提供足夠的自由空間。各種線圈設(shè)計、線圈的距離和均勻的成像區(qū),采用計算進行了可能的綜合分析和設(shè)計,使線圈儲存的能量最優(yōu)化,使成像區(qū)域的均勻度達到最高。
??? 3、手術(shù)室配套設(shè)備
??? 要完成標準程序的手術(shù)過程,手術(shù)室內(nèi)必需配有麻醉機、吸引器、心電監(jiān)控儀和供氧設(shè)備等,由于這些設(shè)備擺放的位置可在5高斯線外,且術(shù)中移動機會少,所以在MRI手術(shù)室內(nèi)允許使用普通的手術(shù)器械設(shè)備。而手術(shù)中將在5高斯線內(nèi)使用的手術(shù)刀、血管鉗等外科手術(shù)器械則要求采用無磁性材料制造。
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4、MR手術(shù)室電磁屏蔽處理
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MR手術(shù)室的六面,包括MR手術(shù)室的自動移動門,同樣需按MR特殊要求進行電磁屏蔽處理,為此MRI手術(shù)室的移動門已采用了最新的磁懸浮技術(shù)。
MR手術(shù)室電磁屏蔽系統(tǒng)由屏蔽殼體、濾波和隔離裝置、通風波導(dǎo)、接地裝置組成。以消除從外部進入MR手術(shù)室的各種電纜(包括MR主機和外周設(shè)備電纜)的電磁噪聲。
由于采用低場永磁型MR掃描設(shè)備(漏磁區(qū)域小),加之磁場屏蔽處理,MRI手術(shù)室周圍區(qū)域的其它外科手術(shù)室照??蛇M行各種外科手術(shù)(包括心臟起博器安裝手術(shù)等),對手術(shù)類型和器材并無任何特殊限制和要求。
屏蔽殼體所采用的屏蔽板(包括壁板、頂板、底板)必須由具有良好導(dǎo)電導(dǎo)磁性能金屬網(wǎng)或金屬復(fù)合材料構(gòu)成。
所有進入MR手術(shù)室的電源線、控制線、信號線和醫(yī)用氣體管道必須裝設(shè)濾波和隔離裝置??照{(diào)凈化送風口、回風口必須裝通風波導(dǎo)。
MR手術(shù)室屏蔽殼體應(yīng)采用單點接地,其接地電阻≦4 V,必須小于避雷接地的接地電阻。屏蔽殼體未與地連接時,其與地線間的絕緣電阻/10KV。
MR手術(shù)室必須符合室內(nèi)MRI設(shè)備的技術(shù)文件規(guī)定,電磁屏蔽性能應(yīng)符合相對應(yīng)的國家標準。
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四、MR導(dǎo)航微創(chuàng)手術(shù)室
????? MR導(dǎo)航微創(chuàng)冷凍治療手術(shù)室簡稱MR導(dǎo)航微創(chuàng)手術(shù)室,它是微創(chuàng)手術(shù)室同MRI手術(shù)室相結(jié)合一種新型手術(shù)室。
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1、MR導(dǎo)航微創(chuàng)冷凍治療介紹
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??? 磁共振導(dǎo)航介入治療(Interventional MRI, iMRI)技術(shù)是磁共振成像和微創(chuàng)治療這兩項技術(shù)的有機結(jié)合。該技術(shù)采用磁共振獲取患者術(shù)中解剖和功能圖像,同時采用一套定位設(shè)備探測微創(chuàng)手術(shù)器械的精確三維坐標。將手術(shù)器械的方位信息與來自磁共振的患者圖像依照其空間相對位置共同顯示在手術(shù)室內(nèi)的屏幕上,為醫(yī)生進行微創(chuàng)手術(shù),治療的術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中精確導(dǎo)航提供所需信息。該技術(shù)在保障手術(shù)安全性的基礎(chǔ)上,大幅度提高手術(shù)成功率,極大的降低手術(shù)給病人帶來的痛苦和傷害。
??? 微創(chuàng)冷凍治療技術(shù)是當今世界介入治療的前沿領(lǐng)域,特別是磁共振導(dǎo)航監(jiān)控下的微創(chuàng)冷凍治療技術(shù),由于磁共振導(dǎo)航監(jiān)控具有分辨率高、能實時監(jiān)控治療效果和治療病變過程、無放射性及無不良影響等諸多優(yōu)點,從而為微創(chuàng)冷凍治療提供了最佳的成像觀察手段。
“MRI圖像導(dǎo)航監(jiān)控微創(chuàng)冷凍介入治療系統(tǒng)”是實現(xiàn)實時精確導(dǎo)航和實時精確療效監(jiān)控的微創(chuàng)設(shè)備??蓪Ω?、腎、膀胱、子宮、骨骼等部位的腫瘤進行精確微創(chuàng)介入治療。 該系統(tǒng)由MRI系統(tǒng)、MRI兼容的氬氦刀系統(tǒng)(可由機器人引導(dǎo))、MRI 兼容的實時視覺監(jiān)控系統(tǒng)三個分系統(tǒng)和MR導(dǎo)航微創(chuàng)冷凍治療手術(shù)室等共同組成。
中美合資新奧博為技術(shù)有限公司,所研發(fā)的MR導(dǎo)航微創(chuàng)冷凍治療系統(tǒng),已開展如下多項醫(yī)療工作:
★穿刺活檢:穿刺獲取各部位病灶的病理組織學及細胞學結(jié)果。
?★ 引流抽吸: 引流、抽吸、內(nèi)支架放置等。
?★氬氦刀冷凍治療:氬氦刀治療全身各部位腫瘤。
?★粒子植入治療: 粒子植入治療全身各部位腫瘤。
?★臭氧治療:導(dǎo)航穿刺下注射臭氧治療椎間盤突出癥。
MR導(dǎo)航微創(chuàng)冷凍治療手術(shù)室還可以開展如下多項治療方法:
★激光刀(Lasertherapy),???
★射頻 (RF),????
★ 微波 (Microwave),
★ 伽馬刀(γknife)?????????
★ 聚焦超聲刀 (FUS),
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2、手術(shù)室布局
??? 根據(jù)系統(tǒng)功能要求,房間必須設(shè)有磁體室(屏蔽室)、設(shè)備間、操作室結(jié)合實際場地情況。
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?磁共振系統(tǒng)磁體的強磁場與周圍環(huán)境中的大型移動金屬物體可產(chǎn)生相互影響,直接影響圖像質(zhì)量。因此,必須充分考慮外界干擾源到磁體中心的最小距離,維持磁場的穩(wěn)定性。
磁共振系統(tǒng)的強磁場與周圍設(shè)備會產(chǎn)生相互影響,從而影響圖像質(zhì)量。若附近有磁共振設(shè)備,確保兩臺設(shè)備的3G線不交叉。
五、無創(chuàng)手術(shù)室
1、無創(chuàng)手術(shù)特點
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??? 無創(chuàng)手術(shù)即非侵入性手術(shù),是采用“無創(chuàng)手術(shù)刀”完成的。這種“無創(chuàng)手術(shù)刀”,與傳統(tǒng)的不銹鋼手術(shù)刀不同,它以對人體具有穿透力的能量(放射線、射頻、超聲波及高低溫等)作為“刀鋒”,具有“切割”功能,在CT、磁共振、計算機等的測量、計算、引導(dǎo)下,精確地作用于人體的病變組織,產(chǎn)生一系列物理、生化反應(yīng),進而達到殺死病變組織的目的。這種“刀”對正常組織的創(chuàng)傷很小或者沒有創(chuàng)傷,兵不血刃除去病灶。
? 常用“無創(chuàng)手術(shù)刀”有伽瑪?shù)叮ㄙが斏渚€立體定向放射治療系統(tǒng))、高強度聚焦超聲刀HIFU(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU,又稱“熱切除”或“熱消融”)、X刀、激光刀、射頻消融系統(tǒng)、質(zhì)子束放射系統(tǒng),都是無創(chuàng)治療設(shè)備,它們工作的環(huán)境都屬于無創(chuàng)手術(shù)室。
2、射波刀無創(chuàng)手術(shù)室
“射波刀”是近年來推廣應(yīng)用較快的無創(chuàng)手術(shù)設(shè)備。由美國斯坦福大學醫(yī)學中心神經(jīng)外科教授約翰·安德勒(John Adler)發(fā)明的“立體定位射波手術(shù)平臺(CyberKnife)”,俗稱為“射波刀”、“網(wǎng)絡(luò)刀”。它采用高階計算機立體定位導(dǎo)向,控制帶有6個自由度的機器人手臂,對腫瘤病灶實時跟蹤,其誤差不超過1mm。它利用180度的旋轉(zhuǎn)機械臂將1200條射線光束,自動跟蹤靶區(qū),從多角度照射最終聚焦在腫瘤部位。無須使用創(chuàng)傷型固定頭架,放療精確高、療效好。見[圖-4] 射波刀治療手術(shù)室。
??? 射波刀可以用于顱腦、脊髓、肺臟、肝臟、胰腺、前列腺、乳腺及骨骼等全身大多數(shù)部位的腫瘤和血管畸形治療,對顱底和腦內(nèi)重要功能部位的腫瘤治療更具有不可替代的作用。雖然價格昂貴,每套價格4000萬元左右,治療癌癥的收費約在3萬∽5萬元。由于療效獨特,仍然受到了醫(yī)學界的親睞。射波刀1994年投入臨床使用,目前,全球已有118家醫(yī)療單位安裝了這種設(shè)備,接受治療的患者累計超過4萬名。
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3、內(nèi)窺鏡無創(chuàng)手術(shù)室
微創(chuàng)手術(shù)也趨向無創(chuàng)化,腹部微創(chuàng)手術(shù),婦科微創(chuàng)手術(shù),通常在腹部打幾個小洞,為微創(chuàng)設(shè)備提供通道。由于內(nèi)窺鏡設(shè)備技術(shù)的進步,現(xiàn)在直接利用人體的自然通道進入,既不用開腹,也不用在腹部打洞,以無創(chuàng)形式完成手術(shù)。
4、無創(chuàng)手術(shù)室 設(shè)計??????????????????????????????
無創(chuàng)手術(shù)大量進入臨床,導(dǎo)致產(chǎn)生具有自身特色的無創(chuàng)手術(shù)室。無創(chuàng)手術(shù)室要充分滿足無創(chuàng)手術(shù)設(shè)備的安裝和工作條件。無創(chuàng)手術(shù)時間短,術(shù)中人員少,受術(shù)人員不全麻,不住院,它同微創(chuàng)手術(shù)室相類似,一般不在手術(shù)部內(nèi),通常都設(shè)置在隸屬科室的辦公區(qū)內(nèi)。無創(chuàng)手術(shù)室的空氣潔凈度按“準潔凈度手術(shù)室”要求設(shè)計,即IV手術(shù)室設(shè)計,空調(diào)凈化較簡單,宜采用紫外線動態(tài)殺菌設(shè)備。
六、機器人手術(shù)室
1、達芬奇手術(shù)機器人簡介??????????????????????????
?1998年12月第一臺達芬奇(da Vinci)手術(shù)機器人系統(tǒng)問世,在多學科得到了應(yīng)用。達芬奇手術(shù)機器人是醫(yī)學、工程學相結(jié)合的又一典范,其功能、性能、操作范圍,是目前最好的外科手術(shù)機器人系統(tǒng)。
外科手術(shù)機器人手術(shù)逐漸地成為微創(chuàng)外科手術(shù)的主要潮流。目前全世界已有33個國家、800多家醫(yī)院成功開展了60多萬例機器人手術(shù),手術(shù)種類涵蓋泌尿外科、婦產(chǎn)科、心臟外科、胸外科,肝膽外科、胃腸外科、耳鼻喉科等學科。
達芬奇(da Vinci)手術(shù)機器人系統(tǒng),其高度1.8米,分為三部分:(1)手術(shù)醫(yī)師操作主控臺見[圖-5] ;(2)移動平臺(機械械臂、攝像臂、手術(shù)器械組成) ;(3)三維成像視頻平臺。
??? 主控臺是手術(shù)醫(yī)師操作平臺,通過兩個操縱桿和一些腳踏板來控制,手術(shù)醫(yī)師通過主控臺觀察并發(fā)出指令,它是手術(shù)過程指揮中心。實施手術(shù)時,外科醫(yī)生不與病人直接接觸,通過主控臺,操作控制系統(tǒng),醫(yī)生的動作通過計算機傳遞給手術(shù)臺邊的機械手,手臂前端的各種微創(chuàng)手術(shù)器械,模擬外科醫(yī)生的手術(shù)動作,操控各種不同的手術(shù)工具。
??? 主控臺裝有三維視覺系統(tǒng)和動作定標系統(tǒng),醫(yī)生的手臂、手腕、手指的運動通過傳感器在計算機中記錄下來,并同步翻譯給機器手臂。
移動平臺在病人身邊,它伸出4個操作臂,與病人身體接觸,雖然它的4條機械手臂很龐大,卻可將患者體內(nèi)綠豆大小的膽結(jié)石精確地取出。
達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)中四個機械操作手臂,承擔工作各不相同,有明確的分工。左臂、右臂是手術(shù)臂,進行手術(shù)操作,等同于手術(shù)醫(yī)生的雙手;第三手臂是輔助臂,起牽引、穩(wěn)定作用。第四手臂是內(nèi)窺鏡操作臂,臂中的超小型攝像機,可以產(chǎn)生三維立體圖像,醫(yī)生通過它看到病人手術(shù)部位的詳細情況。手術(shù)視野圖像被放大鏡10∽15倍,提供16﹕9比例的全景三維圖像。
手臂的腕部有可自由活動的手術(shù)器械,每種器械都有各自的具體任務(wù),如夾緊、轉(zhuǎn)動和組織的操作。有七個自由度,模仿外科醫(yī)生手和手腕的動作。系統(tǒng)中還具有振動消除功能和動作定標功能??杀WC手術(shù)術(shù)臂在狹小手術(shù)視野內(nèi)進行精確操作。
??? 由于達芬奇手術(shù)機器人,能提供高分辨率三維術(shù)中圖像;手術(shù)器械關(guān)節(jié)腕具有七個自度,拓展了手術(shù)醫(yī)生的操作功能,提高手術(shù)精度。使外科手術(shù)的精確和技術(shù)超越了人類雙手的能力。術(shù)者可采取坐姿操作,更適合長時間操作的高難度手術(shù),機器人手術(shù)拓寬了微創(chuàng)手術(shù)(MIS),是內(nèi)窺鏡微創(chuàng)手術(shù)的一次重大發(fā)展和完善,代表了先進的研究趨勢和方向,是醫(yī)學同工程學相結(jié)合的又一成功范例。
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2、機器人手術(shù)室設(shè)計基本原則。????????????????????????????
機器人手術(shù)過程中,開4個1cm小洞,插入四個機械操作手臂,手術(shù)時間比常規(guī)開放性手術(shù)時間短,屬于微創(chuàng)手術(shù)。環(huán)境潔凈度要求同微創(chuàng)手術(shù)室。??????????????????????????????????????????????????????????????????
??? 手術(shù)室布局設(shè)計中應(yīng)充分考慮手術(shù)機器人設(shè)備昂貴,系統(tǒng)復(fù)雜,故障率高,維修保養(yǎng)任務(wù)的繁重。為預(yù)防手術(shù)中突然死機,應(yīng)配置替代設(shè)備和急救通道。醫(yī)生與設(shè)備的配合需要長時間訓(xùn)練,要為教學提供方便。
??? 機器人手術(shù)進入臨床時短,其手術(shù)室設(shè)計中專業(yè)需求,缺乏成熟的先例可循,更無規(guī)范參照。機器人手術(shù)是外科手術(shù)發(fā)展方向,醫(yī)用工程的從業(yè)人員,應(yīng)積極學習手術(shù)機器人的相關(guān)知識,了解手術(shù)過程中的需求,調(diào)查總結(jié)已投入臨床使用的機器人手術(shù)室,完成承辦的機器人手術(shù)室的設(shè)計和施工,并推動國家建立手術(shù)機器人相關(guān)標準。
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作者簡介:
1、潘兆岳先生,歷任南京軍區(qū)總醫(yī)院高級工程師,第二軍醫(yī)大學聘任教授?,F(xiàn)任中國醫(yī)院建設(shè)指南專家委員會委員,南京布爾特醫(yī)用工程設(shè)計中心首席設(shè)計師,華中科技大學醫(yī)學圖像信息研究中心總工程師。
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2、仲恒平先生,中國醫(yī)院建設(shè)指南專家委員會委員,南京布爾特醫(yī)用工程設(shè)計中心主任設(shè)計師。