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影像導航技術與機器人手術室
點擊次數：2648 更新時間：2010-01-01
一、影像導航推動外科醫學的大發展
醫學圖像的功能，從以診斷目的向治療過程轉移，這是革命性的大轉變，它推動外科醫學技術日新月異進步和提高。
1、IGS是數字化手術室的特征
影像導航下的外科手術IGS (Imaging Guided Surgery)問世，促成影像學、放射外科和立體定向技術的有機結合，衍生出多種新型的治療手段。 如：腦血管造影定向技術、磁共振定向技術、內窺鏡立體定向術等。伽瑪刀、高強度聚焦超聲刀（HIFU）、X刀、激光刀、射頻消融技術和質子束放射系統的應用，使外科手術對人體的損傷大大減小，由大創、小創階段進入到微創、無創的階段。微創、無創概念已深入到外科診斷與治療的各個領域。
IGS是數字化手術室的特征，是現代手術部的技術核心。
IGS是利用特殊設計的計算機軟件，將病人術前CT或MRI圖像進行三維重建（3－D－reconstruction），并通過術中定位系統，對手術器械在術野中的位置進行精確定位，術者參照顯示在計算機監視器上的三維影像（水平位、矢狀位、冠狀位）觀察到手術器械的實際位置。
IGS可與具有導航功能的手術顯微鏡或內窺鏡相連同接，將手術視野擴展到顯微鏡及內鏡視野之外，使術者在術野中進行手術操作的同時，能顧及到術野周圍的重要組織結構，如：顱底、眼眶、神經、血管等。并可隨手術的不斷進展，影像導航系統可提供連續的手術器械定位，使手術安全、徹底、減少手術并發癥的發生。如史賽克導航系統測量精度達到0.07毫米，使外科手術更為精確，減少外科手術過程中的人為因素，最大限度地保護正常組織，加快病人傷口痊愈的速度。
2、外科設備發展決定了手術室的多樣性。
工程技術的發展，推動外科醫學技術的發展，手術設備日新月異，千差萬別，則要求建設不同功能的手術室，與手術設備相配套。手術室的建設必須滿足手術設備的功能要求。手術室的多樣性是現代手術部的特點，也是醫院現代手術室發展的方向。按手術設備分類，有開放性手術室、導航手術室、微創手術室、無創手術室、機器人手術室。本文從工程學方向出發，側重于手術室自身建設，作簡要說明。
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二、電磁屏蔽手術室
磁共振介入手術室，簡稱MRI手術室，根據施工技術特點分類，也稱為電磁屏蔽手術室。
圖像引導的出現，可以提高手術治療的安全性，并能節省醫療費用。這種新型的介入外科治療過程，在原有的傳統手術室是不可能完成的，需要對器具和設備進行必要的改造，建立數字化的手術環境。
在手術室安裝開放磁共振成像設備，采用磁共振介入的原理，向手術醫生提供手術過程中動態的、變化的實時信息。實踐證明動態的MRI成功引導，是顱腦神經外科手術有發展前景的科學方法。
MRI手術的基本概念是通過進行術中MRI成像來協助指導進行的外科手術，MRI手術室則是指安置有術中導航功能的MR掃描設備，并可進行全部或部分外科手術的手術室（或指符合外科手術要求并能進行外科手術的MR機房）。MRI手術的目的是通過術中MRI掃描和導航來提高外科手術對病灶的完整切除率和治愈率。
“術中MRI成像”是指手術開始前、手術進行中和手術結束前的MRI成像。完成一次MRI手術，目前一般需術中進行3-4次MRI掃描，手術結束前的最后一次掃描最為重要，平均每次術中MRI掃描時間約為10分鐘左右。這些術中MRI圖象信息又可現場輸入到導航系統作為術中導航的原始資料，實時指導、修正現場手術的進行情況。術中MRI成像序列和成像參數則是為手術而特定的。根據需要也可進行術中MRI增強掃描、術中MRI血管造影（MRA）、術中MRI功能成像分析（fMRI）等。
?? 磁共振介入手術室正處在探索、完善、推廣的階段。電磁屏蔽手術室組成如下。
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1、MRI手術室
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MRI手術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的操作和人員的移動。另外，MRI手術室的面積應該要大于普通MR機房的面積，一般要求在40㎡以上。一種是放置在醫院外科手術室區域內的專用MRI手術室；另一種是將影科的常規MR室改建成能符合手術要求的MRI手術室（如美國辛辛那提大學，平時仍作為日常MRI掃描診斷使用）。
MRI手術室是MRI設備及手術室組合而成的復合體，屬多學科相互交融的邊緣學科，一臺術中核磁共振手術是由手術者、放射科醫生、工程師 、物理師、麻醉及護士共同配合完成，放射科醫生要參與所有手術病歷的術前計劃和術中影像學的處理，為外科醫生提供最佳的手術入路及術中影像的動態變化，成員之間的交流顯得尤為重要。手術室設計必須滿足這些工作要求進行設計和施工。
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2、MR成像設備
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適用于術中MRI在低頻的設備應是掃描功能先進、漏磁區域小、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機特別適合于手術操作,其主要特點是漏磁區域即5高斯線區非常小。
??? 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系統如[圖-1]所示，介入操作區共有三個，即兩側和后方。垂直開放型MR系統超導磁體由兩只分開的線圈組成，且同致冷裝置相連通，成像區域是直徑30cm的球體空產，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構，提供足夠的自由空間。各種線圈設計、線圈的距離和均勻的成像區，采用計算進行了可能的綜合分析和設計，使線圈儲存的能量最優化，使成像區域的均勻度達到最高。
??? 3、手術室配套設備
??? 要完成標準程序的手術過程，手術室內必需配有麻醉機、吸引器、心電監控儀和供氧設備等，由于這些設備擺放的位置可在5高斯線外，且術中移動機會少，所以在MRI手術室內允許使用普通的手術器械設備。而手術中將在5高斯線內使用的手術刀、血管鉗等外科手術器械則要求采用無磁性材料制造。
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4、MR手術室電磁屏蔽處理
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MR手術室的六面，包括MR手術室的自動移動門，同樣需按MR特殊要求進行電磁屏蔽處理，為此MRI手術室的移動門已采用了最新的磁懸浮技術。
MR手術室電磁屏蔽系統由屏蔽殼體、濾波和隔離裝置、通風波導、接地裝置組成。以消除從外部進入MR手術室的各種電纜（包括MR主機和外周設備電纜）的電磁噪聲。
由于采用低場永磁型MR掃描設備（漏磁區域?。?，加之磁場屏蔽處理，MRI手術室周圍區域的其它外科手術室照?？蛇M行各種外科手術（包括心臟起博器安裝手術等），對手術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）必須由具有良好導電導磁性能金屬網或金屬復合材料構成。
所有進入MR手術室的電源線、控制線、信號線和醫用氣體管道必須裝設濾波和隔離裝置?？照{凈化送風口、回風口必須裝通風波導。
MR手術室屏蔽殼體應采用單點接地，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手術室必須符合室內MRI設備的技術文件規定，電磁屏蔽性能應符合相對應的國家標準。
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四、MR導航微創手術室
????? MR導航微創冷凍治療手術室簡稱MR導航微創手術室，它是微創手術室同MRI手術室相結合一種新型手術室。
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1、MR導航微創冷凍治療介紹
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??? 磁共振導航介入治療（Interventional MRI, iMRI）技術是磁共振成像和微創治療這兩項技術的有機結合。該技術采用磁共振獲取患者術中解剖和功能圖像，同時采用一套定位設備探測微創手術器械的精確三維坐標。將手術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室內的屏幕上，為醫生進行微創手術，治療的術前規劃和術中精確導航提供所需信息。該技術在保障手術安全性的基礎上，大幅度提高手術成功率，極大的降低手術給病人帶來的痛苦和傷害。
??? 微創冷凍治療技術是當今世界介入治療的前沿領域，特別是磁共振導航監控下的微創冷凍治療技術，由于磁共振導航監控具有分辨率高、能實時監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點，從而為微創冷凍治療提供了最佳的成像觀察手段。
“MRI圖像導航監控微創冷凍介入治療系統”是實現實時精確導航和實時精確療效監控的微創設備?？蓪Ω?、腎、膀胱、子宮、骨骼等部位的腫瘤進行精確微創介入治療。 該系統由MRI系統、MRI兼容的氬氦刀系統（可由機器人引導）、MRI 兼容的實時視覺監控系統三個分系統和MR導航微創冷凍治療手術室等共同組成。
中美合資新奧博為技術有限公司，所研發的MR導航微創冷凍治療系統，已開展如下多項醫療工作：
★穿刺活檢：穿刺獲取各部位病灶的病理組織學及細胞學結果。
?★ 引流抽吸: 引流、抽吸、內支架放置等。
?★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：導航穿刺下注射臭氧治療椎間盤突出癥。
MR導航微創冷凍治療手術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、手術室布局
??? 根據系統功能要求，房間必須設有磁體室（屏蔽室）、設備間、操作室結合實際場地情況。
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?磁共振系統磁體的強磁場與周圍環境中的大型移動金屬物體可產生相互影響，直接影響圖像質量。因此，必須充分考慮外界干擾源到磁體中心的最小距離，維持磁場的穩定性。
磁共振系統的強磁場與周圍設備會產生相互影響，從而影響圖像質量。若附近有磁共振設備，確保兩臺設備的3G線不交叉。
五、無創手術室
1、無創手術特點
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??? 無創手術即非侵入性手術，是采用“無創手術刀”完成的。這種“無創手術刀”，與傳統的不銹鋼手術刀不同,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、引導下，精確地作用于人體的病變組織，產生一系列物理、生化反應，進而達到殺死病變組織的目的。這種“刀”對正常組織的創傷很小或者沒有創傷，兵不血刃除去病灶。
? 常用“無創手術刀”有伽瑪刀（伽瑪射線立體定向放射治療系統）、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、質子束放射系統，都是無創治療設備，它們工作的環境都屬于無創手術室。
2、射波刀無創手術室
“射波刀”是近年來推廣應用較快的無創手術設備。由美國斯坦福大學醫學中心神經外科教授約翰·安德勒（John Adler）發明的“立體定位射波手術平臺（CyberKnife）”，俗稱為“射波刀”、“網絡刀”。它采用高階計算機立體定位導向，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度的旋轉機械臂將1200條射線光束，自動跟蹤靶區，從多角度照射最終聚焦在腫瘤部位。無須使用創傷型固定頭架，放療精確高、療效好。見[圖-4] 射波刀治療手術室。
??? 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部位的腫瘤和血管畸形治療，對顱底和腦內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家醫療單位安裝了這種設備，接受治療的患者累計超過4萬名。
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3、內窺鏡無創手術室
微創手術也趨向無創化，腹部微創手術，婦科微創手術，通常在腹部打幾個小洞，為微創設備提供通道。由于內窺鏡設備技術的進步，現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，以無創形式完成手術。
4、無創手術室 設計??????????????????????????????
無創手術大量進入臨床，導致產生具有自身特色的無創手術室。無創手術室要充分滿足無創手術設備的安裝和工作條件。無創手術時間短，術中人員少，受術人員不全麻，不住院，它同微創手術室相類似，一般不在手術部內，通常都設置在隸屬科室的辦公區內。無創手術室的空氣潔凈度按“準潔凈度手術室”要求設計，即IV手術室設計，空調凈化較簡單，宜采用紫外線動態殺菌設備。
六、機器人手術室
1、達芬奇手術機器人簡介??????????????????????????
?1998年12月第一臺達芬奇（da Vinci）手術機器人系統問世，在多學科得到了應用。達芬奇手術機器人是醫學、工程學相結合的又一典范，其功能、性能、操作范圍，是目前最好的外科手術機器人系統。
外科手術機器人手術逐漸地成為微創外科手術的主要潮流。目前全世界已有33個國家、800多家醫院成功開展了60多萬例機器人手術,手術種類涵蓋泌尿外科、婦產科、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）手術機器人系統，其高度1．8米，分為三部分：（1）手術醫師操作主控臺見[圖-5] ；（2）移動平臺（機械械臂、攝像臂、手術器械組成） ；（3）三維成像視頻平臺。
??? 主控臺是手術醫師操作平臺，通過兩個操縱桿和一些腳踏板來控制，手術醫師通過主控臺觀察并發出指令，它是手術過程指揮中心。實施手術時，外科醫生不與病人直接接觸，通過主控臺，操作控制系統，醫生的動作通過計算機傳遞給手術臺邊的機械手，手臂前端的各種微創手術器械，模擬外科醫生的手術動作，操控各種不同的手術工具。
??? 主控臺裝有三維視覺系統和動作定標系統，醫生的手臂、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，卻可將患者體內綠豆大小的膽結石精確地取出。
達芬奇手術機器人系統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、右臂是手術臂，進行手術操作，等同于手術醫生的雙手；第三手臂是輔助臂，起牽引、穩定作用。第四手臂是內窺鏡操作臂，臂中的超小型攝像機，可以產生三維立體圖像，醫生通過它看到病人手術部位的詳細情況。手術視野圖像被放大鏡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器械，每種器械都有各自的具體任務，如夾緊、轉動和組織的操作。有七個自由度，模仿外科醫生手和手腕的動作。系統中還具有振動消除功能和動作定標功能?？杀ＷC手術術臂在狹小手術視野內進行精確操作。
??? 由于達芬奇手術機器人，能提供高分辨率三維術中圖像；手術器械關節腕具有七個自度，拓展了手術醫生的操作功能，提高手術精度。使外科手術的精確和技術超越了人類雙手的能力。術者可采取坐姿操作，更適合長時間操作的高難度手術，機器人手術拓寬了微創手術（MIS），是內窺鏡微創手術的一次重大發展和完善，代表了先進的研究趨勢和方向，是醫學同工程學相結合的又一成功范例。
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2、機器人手術室設計基本原則。????????????????????????????
機器人手術過程中，開4個1cm小洞，插入四個機械操作手臂，手術時間比常規開放性手術時間短，屬于微創手術。環境潔凈度要求同微創手術室。??????????????????????????????????????????????????????????????????
??? 手術室布局設計中應充分考慮手術機器人設備昂貴，系統復雜，故障率高，維修保養任務的繁重。為預防手術中突然死機，應配置替代設備和急救通道。醫生與設備的配合需要長時間訓練，要為教學提供方便。
??? 機器人手術進入臨床時短，其手術室設計中專業需求，缺乏成熟的先例可循，更無規范參照。機器人手術是外科手術發展方向，醫用工程的從業人員，應積極學習手術機器人的相關知識，了解手術過程中的需求，調查總結已投入臨床使用的機器人手術室，完成承辦的機器人手術室的設計和施工，并推動國家建立手術機器人相關標準。
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作者簡介：
1、潘兆岳先生，歷任南京軍區總醫院高級工程師，第二軍醫大學聘任教授?，F任中國醫院建設指南專家委員會委員，南京布爾特醫用工程設計中心首席設計師，華中科技大學醫學圖像信息研究中心總工程師。
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2、仲恒平先生，中國醫院建設指南專家委員會委員，南京布爾特醫用工程設計中心主任設計師。