基于视觉定位的国产机器人辅助脑深部电刺激电

作者: admin 来源: 未知 发布时间:2020-01-11 22:58

  原标题:基于视觉定位的国产机器人辅助脑深部电刺激电极植入的精准性研究 【中华神外】2019年第10期“标准与规范”

  神外资讯【中华神外】专栏,每周发布一篇精选文章,今天刊登的是由首都医科大学附属北京天坛医院神经外科刘焕光、杨岸超、刘德峰、张建国在《中华神经外科杂志》2019年第十期“脑深部电刺激术”上发表的“基于视觉定位的国产机器人辅助脑深部电刺激电极植入的精准性研究”,欢迎阅读。

  探讨基于视觉定位的国产神经外科手术机器人辅助脑深部电刺激术(DBS)电极植入的精准性和安全性。

  回顾性分析2018年10月至2019年6月首都医科大学附属北京天坛医院神经外科收治的15例帕金森病患者的临床资料。所有患者均在国产手术机器人辅助下行DBS,通过将术后头颅CT与术前手术规划影像融合,记录植入电极在横向(x轴)和纵向(y轴)的距离偏差。观察术后相关并发症的发生情况。

  15例患者共植入30根DBS电极,其中植入丘脑底核26根,苍白球内侧部4根。电极尖端与计划靶点在x轴上的距离偏差为(0.60±0.33)mm(0.10~1.34mm);在y轴上的距离偏差为(0.45±0.24)mm(0.02~0.83mm)。术中、术后无一例发生电极相关出血事件,无颅内感染、手术切口愈合不良情况发生。

  在国产神经外科手术机器人辅助下行DBS,其电极植入的误差小,且无手术相关并发症。

  脑深部电刺激术(deep brain stimulation,DBS)治疗运动障碍性疾病的效果已获得全世界的公认。DBS的流程主要包括:术前评估,主要评价患者用药后统一帕金森病评分量表 (unified Parkinson′s disease rating scale,UPDRS)评分的改善率、认知和抑郁焦虑状况;术前影像定位,计算靶点坐标;术中记录神经电生理信号以确定靶点的位置;植入刺激电极至目标靶点;体外临时电刺激,观察症状的改善程度及有无不良反置;置入并连接脉冲发生器;术后2~4周开启脉冲发生器,根据患者的病情和耐受程度设定刺激参数[1]。其中,靶点定位是整个手术流程中最重要的步骤,直接决定DBS的治疗效果[2]。近几十年来,神经影像、神经导航技术快速发展,机器人技术又将机械工程与前两者结合后应用于DBS,从而使其具备了微创、高效、精准等优势,应用越来越为广泛[3]。基于视觉定位的睿米机器人(Remebot)为第一个获中国食品药品监督管理局批准的国产神经外科手术机器人,现将其辅助DBS电极植入的精准性和安全性进行初步总结。

  1.一般资料:回顾性分析2018年10月至2019年6月首都医科大学附属北京天坛医院神经外科收治的15例帕金森病患者的临床资料,均行睿米机器人辅助DBS。其中男8例,女7例;年龄为(55.6±8.9)岁(45~65岁);病程为(8.9±2.3)年(6~15年)。纳入标准:患者的药物改善率>30%(以UPDRS评分为评估标准),无认知障碍,无明确手术禁忌证[4]。所有患者及家属均知情同意并签署知情同意书。本研究获得首都医科大学附属北京天坛医院伦理委员会批准(批准号:QX201600-706)。

  2.术前准备:术前1~2d,患者行3.0 T MRI(德国Siemens公司)扫描,扫描序列包括T1加权成像(T1WI)矢状位和轴位(层厚为1mm)、T2加权成像(T2WI)轴位和冠状位(层厚为2mm)、T1液体衰减反转恢复序列(FLAIR)矢状位和轴位(层厚为1mm)。手术当日,将Leksell框架固定于患者头部,并安装适配于框架的定位标记,然后行头颅CT扫描(层厚为0.625mm),图像数据传输至睿米机器人工作站(北京柏惠维康科技有限公司)后进行图像融合,设计刺激靶点和入颅点,手术路径应避开脑沟和脑室(图1A)。

  图1. 帕金森病患者应用睿米机器人辅助脑深部电刺激电极植入前、后的影像学图片。A.将术前头颅MRI与CT定位图像融合,设计靶点及手术路径;B.术后CT与术前规划影像融合结果,可见术后电极的位置与手术计划相符。

  3.手术过程和术后处理:患者取仰卧位,以Leksell框架连接睿米机械臂。三目摄像头固定于专用支架并摆位于患者头部上方特定高度,确保正确识别头部标记,通过视觉定位法自动完成患者注册(注册误差<0.30mm)。机械臂摆位自动完成机械臂注册(注册误差<0.08mm)。注册完成后,在机械臂引导下按手术计划设计手术切口,常规消毒,以特制无菌塑料巾覆盖头部和特制支架,机械臂和台车套特制无菌套。切开头皮,颅骨钻孔后行第2次术中注册,然后以定位标记顶端开孔(直径为2mm)为靶点进行精准度的验证。验证通过后,切开硬脑膜,机械臂定位靶点和入颅点。将微电极电生理记录系统的微推进器连接至机械臂,置入套管针,并植入微电极。如记录到典型核团信号且记录长度满意,则拔出微电极,植入DBS电极并给予临时刺激,测试患者的症状缓解情况,增加电压观察有无不良反应出现。手术后患者均复查头颅CT(层厚为0.625mm),观察有无颅内出血。

  4.电极植入的精准度和手术安全性评价:将术后CT图像导入睿米机器人工作站,并与术前手术规划相融合(图1B)。计算每根植入电极的尖端与手术规划中靶点在x轴和y轴上的距离。术后随访时记录电极植入相关出血事件、颅内感染、切口愈合不良等并发症。

  15例患者共植入30根电极,其中植入丘脑底核26根,苍白球内侧部4根。15例患者的术后CT结果显示,电极植入位置满意,与术前规划图像融合后,可见DBS电极尖端位置和植入路径与术前规划基本一致。电极尖端与计划靶点在x轴上的距离偏差为(0.60±0.33)mm(0.10~1.34mm);在y轴上的距离偏差为(0.45±0.24)mm(0.02~0.83mm)。本组术后无死亡病例,无电极相关出血事件、颅内感染、手术切口愈合不良情况发生。

  目前,国际上应用的机器人主要有机器人立体定向手术辅助系统(robot of stereotactic assistant,ROSA)[5]和Neuromate机器人[6],其他机器人包括Puma 200[7]、Renaissance[8]、Minerva[9]、MKM[10]、Surgiscope[11]、iSYS1[12]、RONNA G3机器人[13]。机器人辅助神经外科手术包括活组织检查、电极植入、电极毁损、立体定向抽吸、神经导航以及放疗等。国内神经外科应用的自动臂机器人系统主要为ROSA机器人[14]、睿米机器人[15]以及华科精准机器人。Remebot系统具有机械臂工作空间大、注册流程简单、摆位灵活、定位精度高等特点,其在首都医科大学附属北京天坛医院神经外科的年使用量已达300台次以上(数据待发表)。

  1.机器人辅助电极植入的精准性:Vakharia等[16]在立体脑电图(stereoencephalography,SEEG)深部电极植入术的研究中发现,入颅点的平均误差为1.17mm,靶点的平均误差为1.71mm。Lefranc等[17]在ROSA机器人辅助下行SEEG脑深部电极植入术,采用表面注册法植入31根电极,平均偏差为1.22mm,最大偏差为2.17mm,其中使用头皮标记注册法植入24根电极,平均偏差为0.72mm,偏差范围为0.50~1.46mm;采用颅骨标记注册法植入7根电极,平均偏差为0.42mm,偏差范围为0.30~0.72mm。由此可见,颅骨标记注册法可能更加精准。在DBS电极植入方面,国内外以ROSA系统应用最为广泛。Neudorfer等[18]在针对DBS电极植入的研究中发现,机器人辅助和常规框架植入的精度分别为(0.76±0.37)mm(范围为0.17~1.52mm)和(1.11±0.59)mm(范围为0.10~2.90mm),两组的差异有统计学意义(P<0.001);当研究两组偏差超过2.00mm的比例时发现,常规框架植入组中,有8.75%(n=7)的电极植入偏差>2.0mm;而机器人引导的DBS植入电极偏差均未达到此阈值。此外,该研究还对手术耗时进行了比较,机器人引导的DBS[(325.1±81.6)min]与框架植入方法[(394.8±66.6)min]比较,DBS手术的耗时明显减少(P<0.001)。国内杨兴旺等[19]的相关研究结果显示,电极尖端距靶点的偏差在x轴上为(0.68±0.43)mm(0.09~2.13mm),在y轴上为(0.63±0.29)mm(0.21~1.50mm)。本研究为睿米机器人在DBS手术中的首次应用,30根电极的位置和植入路径与术前规划基本一致,x轴上的距离偏差为(0.60±0.33)mm(0.10~1.34mm),y轴上的距离偏差为(0.45±0.24)mm(0.02~0.83mm)。该结果与既往ROSA机器人的相关研究结果类似。

  2.睿米机器人辅助DBS电极植入的特点:(1)头架安装相对简单,虽然该方法未能完全摆脱头部框架,但框架仅起到固定作用,相较于传统框架系统,应用睿米机器人降低了对临床医生安装头架的技术要求。(2)传统框架系统的电极植入误差可能来源于影像融合及硬件系统固有误差、框架形变误差、人工读数误差等,而睿米机器人误差仅来自于影像融合及硬件系统固有误差,精准性可能更高。(3)术中更换DBS靶点便捷,靶点更改后,机械臂可自动到达所需位置。(4)术中机械臂可严格按照术前规划路径到达规划靶点,故入颅点更精确,硬膜上的开口小,脑脊液流失和颅内积气更少,可在一定程度上提高电极植入的准确性。术后CT与术前规划图像融合后,实际电极植入路径可与规划路径基本重合,可更精准地判断电极偏差。(5)术中可通过标记物验证点对电极植入偏差进行预先评估,使电极植入更加精准。(6)无需额外作颅骨标记,相较于ROSA系统,创伤更小。(7)睿米机器人基于视觉定位注册,其注册过程可实现自动化,较ROSA系统用时更少。(8)机器人辅助手术的术前准备过程稍复杂,包括摄像头和机器人的摆位、机器人注册等。(9)ROSA系统可于术前1d固定颅骨标记,行定位CT扫描以及手术规划,Remebot系统仍需手术当日行定位CT扫描并进行手术规划。

  综上所述,Remebot系统辅助DBS电极植入的整体定位精度高,具有良好的精准性、安全性以及稳定性,可基本满足临床定位的需求,值得临床推广应用。

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