低劑量CT透視遙控穿刺機(jī)器人系統(tǒng)引導(dǎo)穿刺體模的可行性

何曉鋒，肖越勇，張 肖，張嘯波，張 欣，魏穎恬，張忠亮，薛曉東，張師聞

(中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心放射診斷科，北京 100853)

CT引導(dǎo)下介入微創(chuàng)治療指在CT設(shè)備引導(dǎo)和監(jiān)測(cè)下進(jìn)行經(jīng)皮穿刺治療，廣泛用于腫瘤穿刺活檢和原位滅活[1-3]。目前臨床穿刺多為徒手盲穿或以各種導(dǎo)航設(shè)備[4-5]輔助穿刺，均存在誤差。本研究觀察自行研發(fā)的低劑量CT透視遙控穿刺機(jī)器人系統(tǒng)穿刺靶點(diǎn)的準(zhǔn)確性、精確性和輻射劑量，并與常規(guī)CT引導(dǎo)穿刺比較慢，評(píng)價(jià)其應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 材料 半身仿真人體模型(匡特人體模型0210，材料為硅膠)，包括模擬皮膚、肝臟及肝臟腫瘤；17G穿刺套管針(日本TSK株式會(huì)社)，長9.5 cm。

1.2 儀器與方法 采用Philips Brilliance TM Big Bore 16排大孔徑螺旋CT，孔徑85 cm，具有透視功能，將透視腳踏板線延長至CT操作室。

1.2.1 機(jī)器人穿刺系統(tǒng) 自主研發(fā)的機(jī)器人穿刺系統(tǒng)由遙控操作臺(tái)、速度控制面板、機(jī)械臂、持針器及場(chǎng)景顯示系統(tǒng)組成(圖1～3)。①遙控操作臺(tái)：用于發(fā)出操作指令，包括進(jìn)針，平移(頭側(cè)、足側(cè)/左右)，旋轉(zhuǎn)(頭側(cè)、足側(cè)/左右)及急停；②速度控制面板：通過觸摸平板調(diào)整操作指令速度；③機(jī)械臂：改良后的Universal Robots公司UR5e機(jī)械臂，具有6個(gè)自由度，固定于自制穩(wěn)定底座；④持針器：用于夾持和固定穿刺針，包括夾持臂和固定夾；夾持臂由具有高透射性材料加工而成；固定夾由尼龍材料通過3D打印制成，無X線偽影；⑤場(chǎng)景顯示系統(tǒng)：機(jī)器人周圍配備4個(gè)攝像頭，以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人及受檢者，實(shí)現(xiàn)醫(yī)師近臺(tái)穿刺場(chǎng)景。

圖1 操作間布局 1.掃描室內(nèi)機(jī)器人機(jī)械臂及底座； 2.CT控制室內(nèi)監(jiān)視器； 3.手術(shù)場(chǎng)景顯示器； 4.遙控操作臺(tái)； 5.速度控制面板 圖2 機(jī)器人主體 1.可升降機(jī)械臂底座； 2.機(jī)械臂； 3.持針器

圖3 場(chǎng)景顯示器從不同方位顯示機(jī)械臂與CT機(jī)架的位置關(guān)系 A.頭側(cè)位； B.左足側(cè)位； C.右足側(cè)位； D.足正中位

1.2.2 分組及穿刺 將體模置于CT掃描孔徑內(nèi)行常規(guī)掃描，確認(rèn)并記錄待穿刺靶點(diǎn)位置。采用A、B、C三種引導(dǎo)方法，相應(yīng)行A、B、C 3組穿刺，穿刺靶點(diǎn)相同，每組各對(duì)同一體模的5個(gè)靶點(diǎn)(模擬肝臟病灶)進(jìn)行10次穿刺，共計(jì)完成30次穿刺。

A組由具有10年以上工作經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師在CT引導(dǎo)下進(jìn)行徒手穿刺，F(xiàn)OV 350 mm×350 mm，管電壓120 kV，管電流50 mAs，層厚5 mm；B組設(shè)定掃描參數(shù)為FOV 350 mm×350 mm，管電壓120 kV，管電流30 mAs，層厚5 mm；2組Z軸掃描范圍均為4 cm，定位靶點(diǎn)后，選擇適當(dāng)路徑進(jìn)行穿刺。C組為該醫(yī)師在CT透視遙控機(jī)器人引導(dǎo)下穿刺。將掃描床位置定位于靶點(diǎn)處，設(shè)置透視掃描參數(shù)，F(xiàn)OV 350 mm×350 mm，管電壓120 kV，管電流30 mAs，準(zhǔn)直器寬度6 mm，選定有效輻射劑量為66%的透視模式后，將機(jī)械臂移動(dòng)至CT掃描層面，穿刺針固定于機(jī)器人持針器；在控制室進(jìn)行點(diǎn)踩踏板模式透視，調(diào)整穿刺針尖和靶點(diǎn)的位置關(guān)系，同時(shí)進(jìn)針，持續(xù)踩腳踏板進(jìn)行低劑量透視，以顯示穿刺針與穿刺靶點(diǎn)的空間位置關(guān)系，通過穿刺針尖低密度金屬偽影形成的“瞄準(zhǔn)線”來瞄準(zhǔn)靶點(diǎn)，以操縱桿控制持針器穿刺(圖4、5)；于透視模式下實(shí)時(shí)顯示穿刺針持續(xù)穩(wěn)定穿刺至靶點(diǎn)(圖6、7)。發(fā)現(xiàn)“瞄準(zhǔn)線”偏離靶點(diǎn)中央時(shí)，采用調(diào)節(jié)操縱桿微調(diào)進(jìn)針方向。

圖4 CT透視引導(dǎo)下穿刺模擬肝內(nèi)病灶(病灶直徑15 mm)，穿刺針在接近病灶過程中始終沿直線進(jìn)針，無偏移 圖5 CT透視引導(dǎo)下穿刺位置較深的肝內(nèi)模擬病灶(直徑8 mm)，沿模擬胸骨邊緣穿刺，因穿刺針在接近靶點(diǎn)過程中穿刺到不同密度組織而引發(fā)組織形變(箭)，導(dǎo)致穿刺針方向發(fā)生偏移，瞄準(zhǔn)線偏離靶點(diǎn)正中

圖6 CT透視引導(dǎo)下穿刺針尖正中靶點(diǎn)中央 圖7 通過操控遙控操作桿緩慢調(diào)整穿刺針方向，最終穿刺針尖正中靶點(diǎn)中央

記錄每次穿刺靶點(diǎn)的調(diào)針次數(shù)、穿刺進(jìn)針時(shí)間(穿刺針尖刺入皮層至拔出穿刺針)、操作時(shí)間(準(zhǔn)備穿刺至拔出穿刺針)、輻射劑量，穿刺靶點(diǎn)準(zhǔn)確率和穿刺針尖與靶點(diǎn)中央的距離(即穿刺精確度)。采用劑量長度乘積(dose length product， DLP)計(jì)算輻射劑量。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料，采用方差分析對(duì)3組進(jìn)行總體比較，以LSD-t檢驗(yàn)行兩兩比較。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

3組共計(jì)完成30次穿刺，穿刺準(zhǔn)確率均為100%。A、B組操作時(shí)間、調(diào)針次數(shù)、穿刺時(shí)間及穿刺針尖與靶點(diǎn)中央的距離均大于C組(P均<0.05)，A、B組間上述指標(biāo)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；B、C組輻射劑量低于A組(P<0.05)，B、C組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

表1 3種不同方法穿刺體模各指標(biāo)比較(±s)

表1 3種不同方法穿刺體模各指標(biāo)比較(±s)

組別操作時(shí)間(s)調(diào)針次數(shù)穿刺時(shí)間(s)輻射劑量(mGy)穿刺針尖至靶點(diǎn)中央的距離(mm)A組455.00±16.533.90±0.23333.50±15.3699.84±5.971.40±0.16B組454.00±16.963.90±0.23335.50±16.4060.06±3.59*1.40±0.12C組142.30±2.56*#1*#14.90±0.75*#61.84±2.82*0.10±0.07*#F值171.7377.24201.9326.7929.25P值<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01

注：*：與A組比較，P<0.05；#：與B組比較，P<0.05

3 討論

傳統(tǒng)CT引導(dǎo)經(jīng)皮穿刺過程中，醫(yī)師借助CT掃描獲取靜止圖像，憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)穿刺角度進(jìn)行步進(jìn)式穿刺，根據(jù)病灶位置，一般需要進(jìn)行3～5次CT掃描以顯示穿刺針路徑，逐漸糾正穿刺針方向，直至成功穿刺靶點(diǎn)[6]；穿刺過程中穿刺針和病灶均不可見，屬于盲穿。為提高穿刺精確性及可重復(fù)性，減少穿刺對(duì)醫(yī)師經(jīng)驗(yàn)的依賴，導(dǎo)航設(shè)備逐漸出現(xiàn)并不斷發(fā)展，可根據(jù)工作原理分為電磁、紅外線和計(jì)算機(jī)輔助定位系統(tǒng)，其代表產(chǎn)品分別為Veran ig4、紅外導(dǎo)航儀(新博醫(yī)療技術(shù)有限公司)及Perfint Maxio[7-9]。以上導(dǎo)航設(shè)備均以術(shù)前CT圖像引導(dǎo)穿刺，難以糾正生理運(yùn)動(dòng)和組織形變所致病灶移位，更無法觀察穿刺針行進(jìn)引起的病理性改變?nèi)绯鲅蜌庑氐取?/p>

CT透視可實(shí)時(shí)觀察穿刺針進(jìn)針方向和穿刺引起的各種變化，顯著提高穿刺準(zhǔn)確性和安全性[10]，但CT透視所致輻射劑量為臨床所關(guān)注。既往文獻(xiàn)[11]報(bào)道，常規(guī)劑量透視引導(dǎo)穿刺輻射劑量較高。為降低輻射劑量，應(yīng)盡量對(duì)掃描參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以低于常規(guī)掃描的輻射劑量進(jìn)行透視下穿刺。本課題組自行研發(fā)的低劑量CT透視遙控穿刺機(jī)器人系統(tǒng)可通過遙控操作進(jìn)行穿刺進(jìn)針，實(shí)時(shí)顯示穿刺針進(jìn)針路徑及針尖與靶點(diǎn)的位置關(guān)系，及時(shí)調(diào)整穿刺針位置和方向；醫(yī)師在CT操作室觀察CT透視圖像，同時(shí)操縱機(jī)器人實(shí)現(xiàn)其預(yù)想動(dòng)作而完成操作。

本研究對(duì)比觀察常規(guī)CT引導(dǎo)徒手穿刺與CT透視遙控穿刺機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)仿真模型中靶點(diǎn)的穿刺結(jié)果，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)無需反復(fù)調(diào)針，僅通過一次安裝穿刺針并進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控進(jìn)針即可準(zhǔn)確穿刺靶點(diǎn)，在保證穿刺準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上大幅縮短了穿刺時(shí)間，減少了穿刺調(diào)整次數(shù)，并提高了穿刺精確度。實(shí)際工作中，穿刺前已獲得高清晰度CT圖像，以CT透視引導(dǎo)穿刺時(shí)，僅需關(guān)注針尖和靶點(diǎn)的位置關(guān)系及周圍組織形態(tài)改變，無須顯示細(xì)微組織結(jié)構(gòu)，故可通過降低管電流，以降低輻射劑量。本研究3組穿刺準(zhǔn)確率均為100%，B、C組輻射劑量均低于A組，表明低劑量掃描可降低輻射劑量。

為降低輻射劑量，還可采用以下方法：①適當(dāng)調(diào)整探測(cè)器寬度，透視模式下，探測(cè)器寬度不同，則有效輻射劑量不同；6 mm探測(cè)器寬度的有效輻射劑量為66%，相對(duì)常規(guī)螺旋掃描范圍(5～10 cm)明顯減少；②采用“點(diǎn)踩-查看”模式，穿刺到體模表面前不持續(xù)踩腳踏板進(jìn)行曝光，而以“點(diǎn)踩-查看”模式獲得圖像，以校正穿刺針方向，而后采用持續(xù)曝光模式快速進(jìn)針。

遙控穿刺模型時(shí)，同樣的穿刺進(jìn)針?biāo)俣柔槍?duì)不同組織器官可引發(fā)不同程度的組織形變而造成組織偏移，導(dǎo)致穿刺針“瞄準(zhǔn)線”偏離靶點(diǎn)正中，甚至針尖偏移超出透視層面。準(zhǔn)直器寬度6 mm較為適宜。另外，隨穿刺深度增加，針尖處的組織亦會(huì)發(fā)生壓縮、形變，導(dǎo)致靶點(diǎn)沿進(jìn)針方向推移。穿刺過程中采用較快的進(jìn)針?biāo)俣龋勾┐提樠杆俅┩附M織，可減少組織形變。如發(fā)生位置偏移，可通過操縱桿調(diào)整針尖方向。

低劑量CT透視遙控穿刺機(jī)器人系統(tǒng)固定在CT掃描床旁邊，穿刺過程中嚴(yán)禁移動(dòng)掃描床，否則將造成穿刺針與體膜之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)甚至碰撞；如掃描層面發(fā)生移動(dòng)，需要重新定位。

綜上，采用低劑量CT透視遙控穿刺機(jī)器人系統(tǒng)可增加穿刺精確度，減少調(diào)針次數(shù)，縮短穿刺進(jìn)針時(shí)間和操作時(shí)間，且明顯降低輻射劑量。