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穿刺手术机器人关键技术

     北京理工大学段星光教授表示：“经皮穿刺手术机器人最大挑战在于实施对象的不稳定性，包括软组织与脏器器官交互时的受力变形运动会影响操作的精准度，同时患者的呼吸动作也会严重影响穿刺精度。'

      目前穿刺手术机器人按导航方式的主要有三种类型：电磁导航、光学导航、CT引导。

电磁导航技术

      电磁导航是利用已知空间分布的磁场，通过具有发射和接收功能的电磁装置发射磁场，然后接收固定于患者体表、成像设备、穿刺器械上电磁装置的磁场信号，从而获取磁场中检测目标点位置的实时数据，通过对数据处理后将各检测目标点空间位置关系显示于导航影像中，实现对穿刺器械的定位。基本实施步骤如下：

首先根据患者术前CT在病灶附近体表贴电磁贴片，然后呼气末屏气拍摄CT，电磁发生器读取贴片位置，重建肺部3D模型，根据模型及病灶位置规划穿刺路径；

医生手持电子定位针，在3D影像的引导下确定入针点以及穿刺角度，患者呼气末屏气，结合呼吸曲线，在导航引导下穿刺至规划的目标。

电磁导航精度容易受到环境的干扰及影响，据现有数据，EDDA的定位精度为4.9±1.9mm，精劢的定位精度为1.2±0.3mm。

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      电磁导航进入临床时间较早，在2010年解放军总医院即开展了相关研究，据一项回顾性Meta研究结果，电磁导航经皮穿刺技术作为一种有效的肺结节术前定位技术，相比传统CT引导技术，定位成功率以及操作时间无统计学意义，但是并发症发生率较低。电磁导航技术存在的问题：

电磁对手术环境要求较高，需要无干扰；

不适用有金属植入物的患者；

      光学导航采用双目视觉原理，通过两个或多个摄像头对标记点或物体进行空间定位，通过采集固定于患者体表、成像设备、穿刺手术器械上的光学装置所产生的光学信号，从而获得检测目标点的空间移动数据，数据处理后反馈到穿刺手术导航系统中，通过对导航图像进行校准完成对机械臂的导航功能。基本实施步骤如下：

首先根据术前CT在病灶附近体表贴定位标记物，然后呼气末屏气拍摄CT，同时光学检测仪记录屏气相位，CT影像识别定位标记物，重建肺部3D模型，医生基于图像制定手术计划，规划穿刺路径；

术中通过图像配准，建立图像坐标系和患者坐标系的映射关系。基于术前路径规划，机械臂在光学检测仪引导下定位至穿刺目标处，实现手术器械的定位；基于呼吸追踪技术，动态追踪患者呼吸状态，辅助医生在最佳呼吸相位下完成穿刺手术。

真健康穿刺机器人穿刺定位精度可以达到亚毫米。

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      光学导航技术受制于视觉精度受限，应用相对较晚，在2020年的一项研究，对照比较了66例光学引导和常规CT引导，结果显示光学导航系统利用图像融合的方式，使穿刺活检方案得到优化，为操作者提供准确穿刺点，确定穿刺深度、角度，缩短了定位与取样操作时间，并相应减少辐射危害。光学导航技术存在的问题：

光学跟踪仪器和标记物之间不能有遮挡；

不能实时检测穿刺器械的位置数据。

      CT引导基于CT影像的空间定位技术，首先在术前通过对扫描图像重建及融合处理，建立靶点虚拟坐标系，并规划手术路径，确认机械臂的入针点坐标；在术中则通过实时获取CT影像，跟踪病灶靶点以及穿刺器械的空间位置，控制机械臂校正穿刺器械的姿态，从而实现精准操作。基本实施步骤如下：

特点是术前无需标记和配准，首先根据术前CT在病灶附近固定呼吸传感器，然后呼气末屏气拍摄CT，重建肺部3D模型，医生基于图像制定手术计划，规划穿刺路径；

术中与CT快速匹配根据导航软件指引，将机械臂定位至入针处，医生导航影像操作机械臂，通过CT扫描图像，医生根据病变情况设计进针轨迹，实现穿刺针在人体内的准确定位以执行穿刺手术。

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     CT导航技术特点是定位过程中无需标记、无需配准，减少了因操作流程复杂所带来的误差，结合多自由度机械臂，可以实现远程穿刺操作，但是需要解决机械臂前端在CT下可能形成伪影的问题。目前尚无关于此项技术在临床中的对照研究。

      结合了多种定位技术，如图像引导、视觉跟踪和电磁定位等，以获得更准确的定位和导航结果。混合定位系统可以综合利用不同技术的优势，提供全面可靠的导航和定位能力。

呼吸跟踪技术

     在穿刺过程中，随着人体的呼吸运动，肺部肿瘤的位置以及所在的靶区位置会发生对应的变化，穿刺系统则通过对患者呼吸运动的实时分析，控制机械臂末端进行靶区穿刺与呼吸跟随运动。当处于最佳穿刺时隙时，机械臂进行靶区穿刺，可实现高精度空间定位。

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现有玩家

     目前已获得注册证的国内厂商有：

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      其中采用磁导航技术的有朗开、艾瑞迈迪、医达极星、精劢医疗、采用光学导航技术的有浙江伽奈维、佗道、真健康，采用CT导航技术的有赛诺威盛、上海睿触。

      从产品上市时间看，在肺穿刺手术机器人领域，医达极星拿证最早，在电磁导航系统市场所占份额较大，临床数据积累最多，超过10万例，而临床数据正是一家手术机器人公司最强的技术优势。在光学导航领域，真健康一枝独秀，相比其他两家传统医疗器械厂商，真健康“产学研用”深度融合，依托北理工强大的学术科研力量，结合广州呼吸健康研究院钟南山院士及何建行院长团队提供医学保障，已在30多家三甲医院开展临床应用，实施手术1000余例，已有138家医院有合作意向，发展速度迅猛。

      总体看，截止到今天，2024年共有四家新生力量进入肺部介入手术机器人领域厮杀，正是基于巨量潜在肺结节人群筛查的需求，这个赛道会日益热闹。同时，在肺部穿刺导航机器人关键技术方面，虽然几家技术路线有所区别，但是核心技术方面，产品形态上，各个玩家大同小异，而且均走向导航+六轴机械臂的构型，实际应用效果（比如配准时间、CT扫描次数、穿刺定位准确率、操作时间）差异不大，那么接下来的竞争将愈加激烈。在人机交互、增强现实、远程操控、自驾导航方面可能是下一阶段技术发展的方向。

      目前已获得注册证的国外厂商有：

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      其中采用磁导航技术的2家，采用光学导航的有1家，另外2家为CT引导技术。

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结语和展望

      随着穿刺手术在软组织活检及治疗方面的广泛应用，对手术定位和导航的需求不断增加。患者个体差异、较高并发症、精细化操作要求提供更精确的手术引导和定位。这些临床需求推动了穿刺手术导航定位系统的研发和应用。此外，在医学影像技术和AI技术的支持下，穿刺手术导航定位系统有望凭借病灶智能识别、穿刺路径规划、手术环境感知、自主穿刺等功能，辅助医生实现安全、精准穿刺病灶，为患者提供精准、快捷的诊疗服务。

      未来，穿刺手术机器人将在“眼”、“手”、“脑”、“体”上继续进化，并进行迭代。整体设备小型化仍然是产品的进化思路，易于布局、使用更轻巧、便捷。

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      另外，随着AI大模型的应用落地，手术机器人迈向智能化是必然，接下来将向自动化2级和3级迈进，并在技术上做复合，比如复合0级、1级和部分的2级共同迈向第3级。

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参考文献：

[1]段星光,温浩,何睿,等.胸腹腔经皮穿刺机器人研究进展及关键技术分析[J].机器人, 2021, 43(5):18.

[2]王齐万,冯婷,杨荣骞,等.一种基于光学导航的穿刺机器人无标定定位方法[J].中国医疗器械杂志,2023,47(06):591-597.

[3]杨杰,肖越勇,张肖,等.电磁导航系统在CT引导下经皮穿刺肺活检术中的应用[J].中国介入影像与治疗学,2012,9(03):172-174.

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[4]程载兴,梅培圆,万黎,等.电磁导航定位与CT引导下经皮穿刺定位在肺结节手术中应用的系统评价与Meta分析[J].中国胸心血管外科临床杂志,2022,29(01):23-29.

[5]吴东,曾蒙苏.经皮CT导航三维定位肺穿刺活检术及临床价值[J].上海医药,2018,39(07):10-12.