近年来，随着先进机器人技术（包括计算机控制技术、检测技术、图像处理技术、多媒体和信息网络技术、人机接口技术、机械电子技术等）、微侵袭外科技术、神经影像技术的飞速进步，数字机器人神经外科的概念正逐渐形成，实现外科手术中所必须的精确微小定位、微小操作、手术空间的形状监测和图像显示等各种功能成为可能。颅内手术需要精确定位与精细操作，而颅面部有相对固定的解剖标志，这使神经外科成为机器人外科最早涉及的领域之一。Motionscalers 技术和震颤过滤技术的发展使机器人操作手术器械变得十分精确。目前，神经外科手术机器人系统已从立体定向手术发展到显微外科手术，甚至远程手术[1]。
1 神经外科机器人辅助手术的优点
机器人辅助神经外科手术具有以下优点：①机器人具有灵巧的结构和装置，可实现精确的定位和保持稳定的手术姿态，从而能进行精确的手术。②先进的机器人控制技术和友好的人机接口技术，使手术的精度和灵巧性大为提高（可消除人手的震颤，提高医生的技能），且手术更加微创。③机器人可以连续工作，术中不会疲劳，工作稳定、可靠。④可进行远程手术。⑤可提供一个适合人体力学的操作环境，使术者的疲劳程度降到最低，从而提高了手术的安全度[2]。
2 神经外科机器人系统
2 0 世纪80 年代中期，PUMA （ProgrammableUniversal Machine for Assembly Industrial Robot）机器人最先用于神经外科。外科医师根据颅内病变的术前影像，将病变的坐标输入机器人，应用机器人引导穿刺针进行活检等操作。机器人系统最早是与立体定向手术框架结合的，如美国的Cartesian 机器人系统（Compass International，Rochester，MN）。NeuroMate（Integrated Surgical Systems，Sacramento，CA）是最早被美国FDA 批准用于临床的神经外科手术机器人，可进行立体定向手术。手术医师根据术前影像进行手术规划，然后与被动的机械臂一起完成手术。它能锁定关节，把穿刺针、电极等器械准确送到预定靶点，引导手术医师完成活检、取异物、囊肿抽吸等操作[3]。NeuroMate 采用术前影像资料进行定位，如果发生脑组织移位，则系统误差会明显增加。目前其新的版本已在临床应用，它将手术器械被动送到手术部位，为半自动机器人[4]。
Minerva （University of Lausanne ，Lausanne ，Switzerland）是最早能提供实时影像引导的系统，可进行无框架立体定向手术。它安装在CT 机下，利用术中扫描来克服脑组织移位问题。该系统虽然提高了精确性，但由于病人需在CT 机下手术，利用率不高，因而其问世2 年后即停止研究[2]。
早期的神经外科手术机器人系统均用于立体定向手术或手术定位。20 世纪90 年代中期，由美国国家航空航天局（NASA）开发的RAMS （Robot- AssistedMicrosurgery System）是最早兼容核磁图像的机器人，系统基于6 个自由度的主动- 被动（master- slave）控制，可进行三维操作，因而不仅限于立体定向手术。RAMS 进行了震颤过滤和梯度运行，手术精确性、灵巧性明显提高[5]。Le Roux 等[6]应用RAMS 成功进行了大鼠颈动脉吻合手术，但手术时间较人工手术长。Joskowicz 等[7]介绍了一种能够在锁孔手术中精确自动定位的影像引导系统，即多智能体机器人系统（Multi- ageng robert system，MARS），其适合穿刺针、探针和导管的机械引导。术中机器人直接固定到头皮夹或颅骨上。它能根据术前CT、MRI 的解剖注册和术中三维面部扫描注册，自动定位，达到预先确定的靶点。应用本系统进行的注册试验，误差仅（1.7 ±0.7）mm。
3 远程操作的神经外科机器人系统
近十几年来，由于多媒体和信息网络技术的迅速发展，建立在有效的计算机图形学基础上的高速网络和虚拟现实系统为远程人机通信提供了技术保障，使得远距离手术逐步成为现实，手术可由外科医师在异地通过遥控操作系统控制手术现场的机器人完成。远程操作外科机器人系统涉及广泛的高新技术领域，如在远程医疗中需要传送数据、文字、视频、音频和图像等大量的医学信息，实时性、可靠性要求高，对通信网络有很高的要求，特别是需要对遥控操作环境中的通信延迟进行分析和补偿，以克服通信的延时性。国外目前还在研究的可远程操作的神经外科机器人系统主要有如下几种[8]。
3.1 NeuRobot （Shinshu University School ofMedicine，Matsumoto, Japan）
这是由日本开发的远程显微神经外科手术机器人。NeuRobot 主要包括四个部分：显微操纵器（被动slave 操纵器）、操纵器支持装置、手术操作装置（主动master 操纵器）和三维显示器。显微操纵器上安装有3 个末端为1 mm 的镊子和一个三维内镜。每个器械均有3 个自由度（旋转、曲伸、前后运动），并能远程控制。术者无需直接接触病人即可进行精确手术操作[9]。应用这套系统，在尸头上成功模拟了手术打开外侧裂及第三脑室切开的过程。并成功为1 例54 岁男性复发性非典型脑膜瘤进行了手术，切除了肿瘤，没有与机器人相关的并发症发生，病人术后恢复顺利[10]；本例为机器人应用于临床的首次报告。在完成了NeuRobot 手术的基本实验后，远程（40 km外）对大鼠进行了精确的模拟手术[11]。近年来，虽然研制了多种神经外科手术机器人，但能远程控制并进行多种手术操作的机器人系统在临床上的应用并不多见。
3.2 Socrates机器人远程协作系统（Santa Barbara，CA）
Socrates 机器人是最早被美国FDA 批准的远程协作系统。应用Socrates 系统，能从遥远的手术室控制机械臂的动作，处理双通道视频、语音交流和传送神经导航数据。该系统具有4 个整合服务数字网络，传输速度为512 kb/s。其基础研究在一所大学学院和一个400 km 外的社区中心之间进行长途通讯，指导者可以根据实时神经导航数据直接控制内镜，与手术现场进行声音和视频交流，并直接控制机械臂（AESOP）进行手术。采用该系统对6 例手术进行远程指导，其中开颅脑肿瘤切除术3 例，动静脉畸形切除术1 例，颈动脉内膜切除1 例，腰椎间盘摘除1 例；病人术后均恢复顺利，无手术并发症发生。被指导的神经外科医师认为：远程指导在所有病例中均有益处，特别是在切除颞叶内侧胶质瘤和枕叶动静脉畸形时，指导很关键。实践结果表明：机器人远程指导可行、可靠、安全。远程指导在提高手术护理和手术操作训练方面很有潜力，能把高水平的神经外科服务送到全世界[12]。
3.3 NeuroArm （University of Calgary，Canada）
工程由加拿大投资三千万美金研发的NeuroArm 系统能实施神经外科医师在颅内需要进行的所有操作。它基于生物模拟设计，手部动作可被持有手术器械的机械臂模拟。NeuroArm 包括2 个机械臂，每个均有7 个自由度；另外，第3 个臂有2 个摄像头，可以提供立体影像。NeuroArm 可以进行显微外科操作，包括活检、显微切开、剪开、钝性分离、钳夹、电凝、烧灼、牵引、清洁器械、吸引、缝合等，还可向术者提供触觉压力反馈。NeuroArm 工作站也很独特，能复制手术场面，提供听觉、视觉和触觉方面的感受。NeuroArm 可在术前计划出手术边界，材料均能兼容核磁，机械臂由钛合金和聚合塑料制造，能进行术中MRI 扫描，且MRI 图像扭曲很小。NeuroArm 可进行立体定向手术，通过线性驱动装置，精确到达靶点。其图像引导系统可虚拟现实，在术前模拟手术过程。安全方面，NeuroArm 滤除了手部颤动，有安全开关，可防止意外动作发生。目前这套机器人正在进行测试，计划在2 年内用于临床[13]。
