磁共振作為一種重要的成像技術(shù)，在軟組織和功能成像方面有突出的優(yōu)勢(shì)，其時(shí)效性也使得術(shù)中成像成為可能。但是由于強(qiáng)磁場(chǎng)的存在，給與其配套的手術(shù)器材提出了更高的要求。本文為大家盤點(diǎn)了近年來(lái)出現(xiàn)的磁共振兼容的手術(shù)機(jī)器人，一起來(lái)看看吧！

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一、磁共振，更適合術(shù)中實(shí)時(shí)成像應(yīng)用

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在影像引導(dǎo)手術(shù)中，成像技術(shù)覆蓋了手術(shù)全程，影像的質(zhì)量和時(shí)效性往往直接決定了手術(shù)治療和手術(shù)效果。常用的術(shù)中成像技術(shù)包括超聲波成像，磁共振成像，CT等。其中超聲波（如B超）檢查是利用超聲波產(chǎn)生回聲的原理來(lái)檢查；CT是X線計(jì)算機(jī)斷層攝影，是用X線束對(duì)人體某部進(jìn)行斷層掃描磁共振成像；而磁共振成像（MRI）是利用氫原子核在磁場(chǎng)內(nèi)所產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)重建成像的一種影像技術(shù)。三種成像技術(shù)各有長(zhǎng)處，合理使用能夠使手術(shù)獲得更好的效果，如CT成像較超聲波成像清晰，但超聲波成像實(shí)時(shí)性更好。磁共振成像則兼顧二者優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)電離輻射。

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二、淺析磁共振術(shù)中成像的優(yōu)點(diǎn)與缺陷

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磁共振用于術(shù)中成像有以下優(yōu)點(diǎn)：核磁的成像機(jī)制對(duì)人體沒(méi)有電離輻射損傷（與X光相比）；能直接獲得三維圖像；對(duì)軟組織結(jié)構(gòu)顯示清晰，有利于如血管、神經(jīng)系統(tǒng)的手術(shù)過(guò)程。但，磁共振技術(shù)也有一些天然的缺陷，由于磁共振需要利用強(qiáng)磁場(chǎng)進(jìn)行，所以金屬對(duì)于這一過(guò)程影響巨大。在體外的金屬制品可能會(huì)被吸起，造成意外傷害。同樣，體內(nèi)的金屬制品也可能發(fā)生錯(cuò)位、失靈等，給患者造成傷害，例如體內(nèi)的起搏器損壞，固定鋼釘錯(cuò)位等。除金屬部件發(fā)生直接位移外，磁共振成像過(guò)程中，鐵磁性物質(zhì)會(huì)造成顯著偽影，降低動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的圖像的診斷價(jià)值，同時(shí)還可能產(chǎn)生熱效應(yīng)。

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金屬材料在磁共振中產(chǎn)生的偽影，左：假牙，右：脊柱固定螺釘

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另一個(gè)問(wèn)題是磁共振成像系統(tǒng)往往比較狹窄，內(nèi)部空間很小，這限制了大型器械直接介入手術(shù)的可能性。如何在較小的空間里，實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜和精密的手術(shù)是另一個(gè)難點(diǎn)。因此適合小范圍高精度要求的手術(shù)機(jī)器人具有非常好的應(yīng)用前景?？偨Y(jié)一下，設(shè)計(jì)使用核磁兼容的手術(shù)器械時(shí)，需要考慮到手術(shù)器械上涉及的金屬材料是否會(huì)造成影響，盡量使用金屬替代材料，同時(shí)也需要提高小型化與自由度的程度，使得在核磁環(huán)境下能夠進(jìn)行更為復(fù)雜的手術(shù)。

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三、磁共振兼容材料

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由于鐵磁性材料在磁場(chǎng)范圍內(nèi)會(huì)受到強(qiáng)大的感應(yīng)力和力矩，并會(huì)使得磁場(chǎng)產(chǎn)生巨大擾動(dòng)，進(jìn)行材料選擇時(shí)不能選擇這一類材料?，F(xiàn)在常用的材料內(nèi)無(wú)鐵磁性的有非鐵磁性金屬和合金、陶瓷和高分子材料。直接使用貴金屬往往材料強(qiáng)度達(dá)不到，而且價(jià)格高昂，因此目前使用合金和高分子材料進(jìn)行搭配是主流趨勢(shì)。合金如鈦合金和銅合金都可以減少偽影，而高分子材料有尼龍、聚甲醛、聚丙烯等，由于其本身根本不含有金屬成分，因此也有較好的效果?，F(xiàn)在直接針對(duì)核磁環(huán)境的新材料研究較少，但是隨著高分子技術(shù)的進(jìn)步，獲得加工性能和使用性能更好的材料是很有希望的。

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聚甲醛材料

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四、磁共振兼容手術(shù)機(jī)器人盤點(diǎn)

在圖像引導(dǎo)微創(chuàng)手術(shù)中，醫(yī)生需要根據(jù)影像指導(dǎo)手術(shù)全程，這對(duì)醫(yī)護(hù)人員提出較高的要求。同時(shí)核磁設(shè)備內(nèi)部非常狹小，醫(yī)生操作極為困難，因此使用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)很有必要，下面就簡(jiǎn)述一下相關(guān)系統(tǒng)的研究進(jìn)展：

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1、Innomotion機(jī)器人

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Innomotion是一款氣動(dòng)機(jī)器人，完全與磁共振兼容，可在磁共振內(nèi)部提供精確的穿刺。該機(jī)器人有6個(gè)自由度，可以固定在核磁系統(tǒng)上。該裝置經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可用于狹小的磁共振和CT環(huán)境。最初的系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，僅可提供位置引導(dǎo)，即機(jī)器人向醫(yī)生指示穿刺位點(diǎn)和針取向，不能進(jìn)行實(shí)時(shí)引導(dǎo)和進(jìn)針。后續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，增加自由度到7個(gè)，并改善了驅(qū)動(dòng)方式。

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Innomotion機(jī)器人與進(jìn)行的穿刺

2、LPR機(jī)器人

為保證機(jī)器人主體在磁共振下不成像，在CT下對(duì)成像的影響最小，選用的材料是由尼龍、聚甲醛樹脂和環(huán)氧樹脂，該機(jī)器人有5個(gè)自由度，分別為位置自由度兩個(gè)，兩個(gè)位姿自由度；最后一個(gè)為穿刺自由度，采用“鸚鵡嘴”結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)穿刺。LPR定位過(guò)程中使用的算法最初是用CT圖像開發(fā)的。然而，由于制造機(jī)器人所用的材料、緊湊的結(jié)構(gòu)以及用于驅(qū)動(dòng)它的遠(yuǎn)程氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，LPR完全兼容MRI。

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左：在磁共振中的演示，右：CT圖像中的穿刺手術(shù)

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3、Krieger-Susil系統(tǒng)

前列腺癌，是男性癌癥相關(guān)死亡的頭號(hào)殺手。為了實(shí)現(xiàn)更精確的活檢，Krieger和Susil開發(fā)了磁共振圖像引導(dǎo)下的機(jī)器人輔助裝置。到目前為止，該系統(tǒng)已經(jīng)在美國(guó)國(guó)家癌癥研究所的200多個(gè)活檢中使用。與其余系統(tǒng)盡量消除器械的影像不同，該系統(tǒng)引入了成像線圈和定位線圈以提高穿刺準(zhǔn)確性，觀察進(jìn)針位置。

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Krieger-Susil系統(tǒng)中的針頭和線圈設(shè)計(jì)與磁共振影像

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4、NeuroArm系統(tǒng)

神經(jīng)外科手術(shù)對(duì)于病變定位、分離和切除的精確性要求極高。特別是在腦部腫瘤切除過(guò)程中，細(xì)微的差別就可能導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。因此使用手術(shù)機(jī)器人與磁共振進(jìn)行聯(lián)用，能夠減小醫(yī)生的誤差，極大改善手術(shù)效果。NeuroArm就是這樣一個(gè)系統(tǒng)，整體系統(tǒng)對(duì)磁共振成像無(wú)干擾，可以在核磁間進(jìn)行手術(shù)。操作手臂具有多個(gè)關(guān)節(jié)，可完成多維動(dòng)作，共有雙臂8個(gè)自由度。壓力感受器能夠給術(shù)者提供實(shí)時(shí)觸覺(jué)反饋，且能過(guò)濾掉術(shù)者手的輕微顫抖，使機(jī)械臂前端連接的手術(shù)器械如雙極電凝和吸引器更加穩(wěn)定。

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由于其出色的性能，現(xiàn)已進(jìn)入臨床。但是該系統(tǒng)較大導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)入核磁檢測(cè)內(nèi)部，所以無(wú)法進(jìn)行磁共振監(jiān)控下的實(shí)時(shí)手術(shù)。需要將患者的頭部固定進(jìn)行磁共振成像后平移至手術(shù)機(jī)器人下方，再進(jìn)行手術(shù)。如果未來(lái)能夠?qū)⒃撎紫到y(tǒng)小型化，使得其能夠在磁共振成像內(nèi)部進(jìn)行操作，將是一個(gè)重大的突破。

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NeuroArm系統(tǒng)與操作醫(yī)生（注意手術(shù)是在核磁系統(tǒng)外進(jìn)行）

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5、Master-Slave 手術(shù)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由馬里蘭大學(xué)的Jaydev P. Desai課題組開發(fā)用以進(jìn)行乳腺癌活檢，目前尚無(wú)官方命名，已經(jīng)在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中證明了有效性。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是具有主仆結(jié)構(gòu)，即醫(yī)生可以在核磁室外操作一個(gè)主系統(tǒng)，而在核磁室內(nèi)具有相似結(jié)構(gòu)的仆從系統(tǒng)（磁共振兼容）可以對(duì)患者進(jìn)行同步操作，完成穿刺檢測(cè)。而主系統(tǒng)和仆從系統(tǒng)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，因此無(wú)需全部處于同一環(huán)境中。這種主仆結(jié)構(gòu)可以將較為復(fù)雜的計(jì)算、模擬、顯示等手術(shù)非必須結(jié)構(gòu)放置在核磁室外，而核磁環(huán)境內(nèi)的結(jié)構(gòu)較少，對(duì)于材料要求、需求量和復(fù)雜程度要求都較低，更利于設(shè)計(jì)和制造。

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以網(wǎng)絡(luò)連接的Master-Slave 手術(shù)系統(tǒng)

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結(jié)語(yǔ)

磁共振作為重要的醫(yī)學(xué)影像技術(shù)之一，目前已經(jīng)參與了很多醫(yī)療決策與手術(shù)過(guò)程。如果能在手術(shù)過(guò)程中兼容磁共振成像，則能夠極大提高手術(shù)精確度和效果，因此這一領(lǐng)域非常值得關(guān)注。雖然目前在磁共振下能進(jìn)行的手術(shù)還比較簡(jiǎn)單（以穿刺類為主）。但相信隨著醫(yī)療機(jī)器人的進(jìn)步和新材料的進(jìn)步，未來(lái)在磁共振環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜手術(shù)也會(huì)成為可能。

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