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影像导航技术与机器人手术室
点击次数：2984 更新时间：2010-01-01
一、影像导航推动外科医学的大发展
医学图像的功能，从以诊断目的向治疗过程转移，这是革命性的大转变，它推动外科医学技术日新月异进步和提高。
1、IGS是数字化手术室的特征
影像导航下的外科手术IGS (Imaging Guided Surgery)问世，促成影像学、放射外科和立体定向技术的有机结合，衍生出多种新型的治疗手段。 如：脑血管造影定向技术、磁共振定向技术、内窥镜立体定向术等。伽玛刀、高强度聚焦超声刀（HIFU）、X刀、激光刀、射频消融技术和质子束放射系统的应用，使外科手术对人体的损伤大大减小，由大创、小创阶段进入到微创、无创的阶段。微创、无创概念已深入到外科诊断与治疗的各个领域。
IGS是数字化手术室的特征，是现代手术部的技术核心。
IGS是利用特殊设计的计算机软件，将病人术前CT或MRI图像进行三维重建（3－D－reconstruction），并通过术中定位系统，对手术器械在术野中的位置进行精确定位，术者参照显示在计算机监视器上的三维影像（水平位、矢状位、冠状位）观察到手术器械的实际位置。
IGS可与具有导航功能的手术显微镜或内窥镜相连同接，将手术视野扩展到显微镜及内镜视野之外，使术者在术野中进行手术操作的同时，能顾及到术野周围的重要组织结构，如：颅底、眼眶、神经、血管等。并可随手术的不断进展，影像导航系统可提供连续的手术器械定位，使手术安全、彻底、减少手术并发症的发生。如史赛克导航系统测量精度达到0.07毫米，使外科手术更为精确，减少外科手术过程中的人为因素，最大限度地保护正常组织，加快病人伤口痊愈的速度。
2、外科设备发展决定了手术室的多样性。
工程技术的发展，推动外科医学技术的发展，手术设备日新月异，千差万别，则要求建设不同功能的手术室，与手术设备相配套。手术室的建设必须满足手术设备的功能要求。手术室的多样性是现代手术部的特点，也是医院现代手术室发展的方向。按手术设备分类，有开放性手术室、导航手术室、微创手术室、无创手术室、机器人手术室。本文从工程学方向出发，侧重于手术室自身建设，作简要说明。
二、电磁屏蔽手术室
磁共振介入手术室，简称MRI手术室，根据施工技术特点分类，也称为电磁屏蔽手术室。
图像引导的出现，可以提高手术治疗的安全性，并能节省医疗费用。这种新型的介入外科治疗过程，在原有的传统手术室是不可能完成的，需要对器具和设备进行必要的改造，建立数字化的手术环境。
在手术室安装开放磁共振成像设备，采用磁共振介入的原理，向手术医生提供手术过程中动态的、变化的实时信息。实践证明动态的MRI成功引导，是颅脑神经外科手术有发展前景的科学方法。
MRI手术的基本概念是通过进行术中MRI成像来协助指导进行的外科手术，MRI手术室则是指安置有术中导航功能的MR扫描设备，并可进行全部或部分外科手术的手术室（或指符合外科手术要求并能进行外科手术的MR机房）。MRI手术的目的是通过术中MRI扫描和导航来提高外科手术对病灶的完整切除率和治愈率。
“术中MRI成像”是指手术开始前、手术进行中和手术结束前的MRI成像。完成一次MRI手术，目前一般需术中进行3-4次MRI扫描，手术结束前的最后一次扫描最为重要，平均每次术中MRI扫描时间约为10分钟左右。这些术中MRI图象信息又可现场输入到导航系统作为术中导航的原始资料，实时指导、修正现场手术的进行情况。术中MRI成像序列和成像参数则是为手术而特定的。根据需要也可进行术中MRI增强扫描、术中MRI血管造影（MRA）、术中MRI功能成像分析（fMRI）等。
磁共振介入手术室正处在探索、完善、推广的阶段。电磁屏蔽手术室组成如下。
1、MRI手术室
MRI手术室的布局既要考虑到能进行MRI成像又要考虑到便于外科手术的操作和人员的移动。另外，MRI手术室的面积应该要大于普通MR机房的面积，一般要求在40㎡以上。一种是放置在医院外科手术室区域内的专用MRI手术室；另一种是将影科的常规MR室改建成能符合手术要求的MRI手术室（如美国辛辛那提大学，平时仍作为日常MRI扫描诊断使用）。
MRI手术室是MRI设备及手术室组合而成的复合体，属多学科相互交融的边缘学科，一台术中核磁共振手术是由手术者、放射科医生、工程师 、物理师、麻醉及护士共同配合完成，放射科医生要参与所有手术病历的术前计划和术中影像学的处理，为外科医生提供最佳的手术入路及术中影像的动态变化，成员之间的交流显得尤为重要。手术室设计必须满足这些工作要求进行设计和施工。
2、MR成像设备
适用于术中MRI在低频的设备应是扫描功能先进、漏磁区域小、机架开放程度高的机型，显然目前中低磁场强度的开放式MR机是最适合的。常见的为0.5T以下的开放式永磁型机型.低场永磁型MR机特别适合于手术操作,其主要特点是漏磁区域即5高斯线区非常小。
在磁共振介入中，磁体必须是开放型的，以便于介入过程中的操作。水平开放型的MR系统如[图-1]所示，介入操作区共有三个，即两侧和后方。垂直开放型MR系统超导磁体由两只分开的线圈组成，且同致冷装置相连通，成像区域是直径30cm的球体空产，磁体中央有一56cm宽的豁口，可以在垂直方向靠近病人。磁体中采用六线圈结构，提供足够的自由空间。各种线圈设计、线圈的距离和均匀的成像区，采用计算进行了可能的综合分析和设计，使线圈储存的能量最优化，使成像区域的均匀度达到最高。
3、手术室配套设备
要完成标准程序的手术过程，手术室内必需配有麻醉机、吸引器、心电监控仪和供氧设备等，由于这些设备摆放的位置可在5高斯线外，且术中移动机会少，所以在MRI手术室内允许使用普通的手术器械设备。而手术中将在5高斯线内使用的手术刀、血管钳等外科手术器械则要求采用无磁性材料制造。
4、MR手术室电磁屏蔽处理
MR手术室的六面，包括MR手术室的自动移动门，同样需按MR特殊要求进行电磁屏蔽处理，为此MRI手术室的移动门已采用了最新的磁悬浮技术。
MR手术室电磁屏蔽系统由屏蔽壳体、滤波和隔离装置、通风波导、接地装置组成。以消除从外部进入MR手术室的各种电缆（包括MR主机和外周设备电缆）的电磁噪声。
由于采用低场永磁型MR扫描设备（漏磁区域小），加之磁场屏蔽处理，MRI手术室周围区域的其它外科手术室照常可进行各种外科手术（包括心脏起博器安装手术等），对手术类型和器材并无任何特殊限制和要求。
屏蔽壳体所采用的屏蔽板（包括壁板、顶板、底板）必须由具有良好导电导磁性能金属网或金属复合材料构成。
所有进入MR手术室的电源线、控制线、信号线和医用气体管道必须装设滤波和隔离装置。空调净化送风口、回风口必须装通风波导。
MR手术室屏蔽壳体应采用单点接地，其接地电阻≦4 V，必须小于避雷接地的接地电阻。屏蔽壳体未与地连接时，其与地线间的绝缘电阻/10KV。
MR手术室必须符合室内MRI设备的技术文件规定，电磁屏蔽性能应符合相对应的国家标准。
四、MR导航微创手术室
MR导航微创冷冻治疗手术室简称MR导航微创手术室，它是微创手术室同MRI手术室相结合一种新型手术室。
1、MR导航微创冷冻治疗介绍
磁共振导航介入治疗（Interventional MRI, iMRI）技术是磁共振成像和微创治疗这两项技术的有机结合。该技术采用磁共振获取患者术中解剖和功能图像，同时采用一套定位设备探测微创手术器械的精确三维坐标。将手术器械的方位信息与来自磁共振的患者图像依照其空间相对位置共同显示在手术室内的屏幕上，为医生进行微创手术，治疗的术前规划和术中精确导航提供所需信息。该技术在保障手术安全性的基础上，大幅度提高手术成功率，极大的降低手术给病人带来的痛苦和伤害。
微创冷冻治疗技术是当今世界介入治疗的前沿领域，特别是磁共振导航监控下的微创冷冻治疗技术，由于磁共振导航监控具有分辨率高、能实时监控治疗效果和治疗病变过程、无放射性及无不良影响等诸多优点，从而为微创冷冻治疗提供了最佳的成像观察手段。
“MRI图像导航监控微创冷冻介入治疗系统”是实现实时精确导航和实时精确疗效监控的微创设备。可对肝、肾、膀胱、子宫、骨骼等部位的肿瘤进行精确微创介入治疗。 该系统由MRI系统、MRI兼容的氩氦刀系统（可由机器人引导）、MRI 兼容的实时视觉监控系统三个分系统和MR导航微创冷冻治疗手术室等共同组成。
中美合资新奥博为技术有限公司，所研发的MR导航微创冷冻治疗系统，已开展如下多项医疗工作：
★穿刺活检：穿刺获取各部位病灶的病理组织学及细胞学结果。
★ 引流抽吸: 引流、抽吸、内支架放置等。
★氩氦刀冷冻治疗：氩氦刀治疗全身各部位肿瘤。
★粒子植入治疗： 粒子植入治疗全身各部位肿瘤。
★臭氧治疗：导航穿刺下注射臭氧治疗椎间盘突出症。
MR导航微创冷冻治疗手术室还可以开展如下多项治疗方法：
★激光刀(Lasertherapy)，
★射频 (RF)，
★ 微波 (Microwave)，
★ 伽马刀(γknife)
★ 聚焦超声刀 (FUS)，
2、手术室布局
根据系统功能要求，房间必须设有磁体室（屏蔽室）、设备间、操作室结合实际场地情况。
磁共振系统磁体的强磁场与周围环境中的大型移动金属物体可产生相互影响，直接影响图像质量。因此，必须充分考虑外界干扰源到磁体中心的最小距离，维持磁场的稳定性。
磁共振系统的强磁场与周围设备会产生相互影响，从而影响图像质量。若附近有磁共振设备，确保两台设备的3G线不交叉。
五、无创手术室
1、无创手术特点
无创手术即非侵入性手术，是采用“无创手术刀”完成的。这种“无创手术刀”，与传统的不锈钢手术刀不同,它以对人体具有穿透力的能量(放射线、射频、超声波及高低温等)作为“刀锋”，具有“切割”功能，在CT、磁共振、计算机等的测量、计算、引导下，精确地作用于人体的病变组织，产生一系列物理、生化反应，进而达到杀死病变组织的目的。这种“刀”对正常组织的创伤很小或者没有创伤，兵不血刃除去病灶。
常用“无创手术刀”有伽玛刀（伽玛射线立体定向放射治疗系统）、高强度聚焦超声刀HIFU（High Intensity Focused Ultrasound, HIFU，又称“热切除”或“热消融”）、X刀、激光刀、射频消融系统、质子束放射系统，都是无创治疗设备，它们工作的环境都属于无创手术室。
2、射波刀无创手术室
“射波刀”是近年来推广应用较快的无创手术设备。由美国斯坦福大学医学中心神经外科教授约翰·安德勒（John Adler）发明的“立体定位射波手术平台（CyberKnife）”，俗称为“射波刀”、“网络刀”。它采用高阶计算机立体定位导向，控制带有6个自由度的机器人手臂，对肿瘤病灶实时跟踪，其误差不超过1mm。它利用180度的旋转机械臂将1200条射线光束，自动跟踪靶区，从多角度照射最终聚焦在肿瘤部位。无须使用创伤型固定头架，放疗精确高、疗效好。见[图-4] 射波刀治疗手术室。
射波刀可以用于颅脑、脊髓、肺脏、肝脏、胰腺、前列腺、乳腺及骨骼等全身大多数部位的肿瘤和血管畸形治疗，对颅底和脑内重要功能部位的肿瘤治疗更具有不可替代的作用。虽然价格昂贵，每套价格4000万元左右，治疗癌症的收费约在3万∽5万元。由于疗效独特，仍然受到了医学界的亲睐。射波刀1994年投入临床使用，目前，全球已有118家医疗单位安装了这种设备，接受治疗的患者累计超过4万名。
3、内窥镜无创手术室
微创手术也趋向无创化，腹部微创手术，妇科微创手术，通常在腹部打几个小洞，为微创设备提供通道。由于内窥镜设备技术的进步，现在直接利用人体的自然通道进入，既不用开腹，也不用在腹部打洞，以无创形式完成手术。
4、无创手术室 设计
无创手术大量进入临床，导致产生具有自身特色的无创手术室。无创手术室要充分满足无创手术设备的安装和工作条件。无创手术时间短，术中人员少，受术人员不全麻，不住院，它同微创手术室相类似，一般不在手术部内，通常都设置在隶属科室的办公区内。无创手术室的空气洁净度按“准洁净度手术室”要求设计，即IV手术室设计，空调净化较简单，宜采用紫外线动态杀菌设备。
六、机器人手术室
1、达芬奇手术机器人简介
1998年12月第一台达芬奇（da Vinci）手术机器人系统问世，在多学科得到了应用。达芬奇手术机器人是医学、工程学相结合的又一典范，其功能、性能、操作范围，是目前最好的外科手术机器人系统。
外科手术机器人手术逐渐地成为微创外科手术的主要潮流。目前全世界已有33个国家、800多家医院成功开展了60多万例机器人手术,手术种类涵盖泌尿外科、妇产科、心脏外科、胸外科,肝胆外科、胃肠外科、耳鼻喉科等学科。
达芬奇（da Vinci）手术机器人系统，其高度1．8米，分为三部分：（1）手术医师操作主控台见[图-5] ；（2）移动平台（机械械臂、摄像臂、手术器械组成） ；（3）三维成像视频平台。
主控台是手术医师操作平台，通过两个操纵杆和一些脚踏板来控制，手术医师通过主控台观察并发出指令，它是手术过程指挥中心。实施手术时，外科医生不与病人直接接触，通过主控台，操作控制系统，医生的动作通过计算机传递给手术台边的机械手，手臂前端的各种微创手术器械，模拟外科医生的手术动作，操控各种不同的手术工具。
主控台装有三维视觉系统和动作定标系统，医生的手臂、手腕、手指的运动通过传感器在计算机中记录下来，并同步翻译给机器手臂。
移动平台在病人身边，它伸出4个操作臂，与病人身体接触，虽然它的4条机械手臂很庞大，却可将患者体内绿豆大小的胆结石精确地取出。
达芬奇手术机器人系统中四个机械操作手臂，承担工作各不相同，有明确的分工。左臂、右臂是手术臂，进行手术操作，等同于手术医生的双手；第三手臂是辅助臂，起牵引、稳定作用。第四手臂是内窥镜操作臂，臂中的超小型摄像机，可以产生三维立体图像，医生通过它看到病人手术部位的详细情况。手术视野图像被放大镜10∽15倍，提供16﹕9比例的全景三维图像。
手臂的腕部有可自由活动的手术器械，每种器械都有各自的具体任务，如夹紧、转动和组织的操作。有七个自由度，模仿外科医生手和手腕的动作。系统中还具有振动消除功能和动作定标功能。可保证手术术臂在狭小手术视野内进行精确操作。
由于达芬奇手术机器人，能提供高分辨率三维术中图像；手术器械关节腕具有七个自度，拓展了手术医生的操作功能，提高手术精度。使外科手术的精确和技术超越了人类双手的能力。术者可采取坐姿操作，更适合长时间操作的高难度手术，机器人手术拓宽了微创手术（MIS），是内窥镜微创手术的一次重大发展和完善，代表了先进的研究趋势和方向，是医学同工程学相结合的又一成功范例。
2、机器人手术室设计基本原则。
机器人手术过程中，开4个1cm小洞，插入四个机械操作手臂，手术时间比常规开放性手术时间短，属于微创手术。环境洁净度要求同微创手术室。
手术室布局设计中应充分考虑手术机器人设备昂贵，系统复杂，故障率高，维修保养任务的繁重。为预防手术中突然死机，应配置替代设备和急救通道。医生与设备的配合需要长时间训练，要为教学提供方便。
机器人手术进入临床时短，其手术室设计中专业需求，缺乏成熟的先例可循，更无规范参照。机器人手术是外科手术发展方向，医用工程的从业人员，应积极学习手术机器人的相关知识，了解手术过程中的需求，调查总结已投入临床使用的机器人手术室，完成承办的机器人手术室的设计和施工，并推动国家建立手术机器人相关标准。
作者简介：
1、潘兆岳先生，历任南京军区总医院高级工程师，第二军医大学聘任教授。现任中国医院建设指南专家委员会委员，南京布尔特医用工程设计中心首席设计师，华中科技大学医学图像信息研究中心总工程师。
2、仲恒平先生，中国医院建设指南专家委员会委员，南京布尔特医用工程设计中心主任设计师。