《Japanese Journal of Radiology》：A novel robot for CT-guided bone needle insertion with a rotational drilling and force-feedback speed control mechanism: preliminary evaluation in swine
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目的：评估采用具备旋转钻削功能的新型机器人系统进行计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）引导下猪骨穿刺针置入的可行性与准确性。材料与方法：本研究为使用3头猪的动物实验。研发了一种配备旋转钻削及力反馈进针速度控制机构的遥控机器人，用于骨
目的：评估采用具备旋转钻削功能的新型机器人系统进行计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）引导下猪骨穿刺针置入的可行性与准确性。材料与方法：本研究为使用3头猪的动物实验。研发了一种配备旋转钻削及力反馈进针速度控制机构的遥控机器人，用于骨穿刺针置入。使用该机器人，在腰椎、髂骨及股骨各尝试CT引导下10 Gauge骨通路穿刺针置入6次（共18次）。通过轴位及矢状位CT图像上预定针道角度与术后针道角度之差定义角度误差（angle error）来评估穿刺准确性。记录穿刺所需时间，并使用Kruskal–Wallis检验比较不同骨骼间的角度误差与穿刺时间，同时评估不良事件。结果：机器人骨穿刺在所有尝试中均获成功。腰椎、髂骨及股骨的中位轴位/矢状位角度误差分别为0.21°/0.21°、0.32°/0.13°、0.65°/0.25°；轴位角度误差在不同骨类型间差异有统计学意义（p＝0.038）。腰椎、髂骨及股骨的中位穿刺时间分别为23.6 s、21.3 s及59.7 s，不同骨类型间时间差异有统计学意义（p＝0.017）。未观察到不良事件。结论：配备旋转钻削及力反馈进针速度控制机构的机器人在猪体内实现CT引导下骨穿刺针置入是可行且准确的。
论文解读：CT引导下带旋转钻削与力反馈速度控制的骨穿刺机器人系统——猪体内初步评价
研究背景与立题依据
计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）引导下穿刺针置入广泛应用于活检与肿瘤消融等介入放射学（Interventional Radiology, IR）操作，但存在操作者辐射暴露及复杂轨迹穿刺困难等问题。现有机器人/导航系统多仅负责对准针道而需术者手动进针，尤其骨穿刺因骨质坚硬常需旋转钻削，手动进针费力耗时，且在硬化性病变中更为困难。既往骨活检机器人多为导航型，真正能自动旋转钻入并进针的机器人尚缺乏在体（in vivo）骨内的可行性验证。由于骨组织不受呼吸运动影响且形变小，理论上更适合全自动机器人穿刺。因此，研究人员开展此项研究，旨在评估一种新开发的、具备旋转钻削及力反馈（force-feedback）进针速度控制机制的CT引导机器人，在猪腰椎、髂骨及股骨中进行骨穿刺针自动置入的可行性与准确性。该论文发表于《Japanese Journal of Radiology》。
主要关键技术方法
研究人员在已开发的软组织CT引导穿刺机器人Zerobot（Medicalnet Okayama, Japan）基础上，改装集成新设计的骨穿刺专用机械臂（end effector为塑料材质以避免CT伪影），夹持商用Arrow? OnControl?动力骨通路穿刺针（10 Gauge），臂上装有力传感器监测阻力。机器人具六自由度（6-DOF）：2个旋转DOF调针向、3个平动DOF定位及进针、1个旋转DOF驱动针沿长轴旋转（转速恒定为6 rps）。进针速度采用力反馈控制机制——初速2 mm/s，当阻力超阈值时线性减速，达限值暂停进针（旋转不停），设低/中/高三档预设阈值与限值（低：阈值/限值＝20/30 N；中：25/35 N；高：30/50 N），术者可手动切换或待阻力降后自动恢复。动物实验使用3头雄性猪（35.5–37.5 kg），全麻俯卧位，在腰椎、髂骨、股骨各穿刺6次（共18次），CT动态模式实时监控；以轴位及矢状位CT测得预定与实测针道夹角之角度误差（angle error）为主要精度指标，记录穿刺时间及不良事件，统计学采用Kruskal–Wallis检验。
研究结果
Purpose（目的）
研究人员旨在通过猪体内实验，评价具备旋转钻削能力的新型机器人系统进行CT引导下骨穿刺针置入的可行性与准确性。
Materials and methods（材料与方法）
如上所述，使用改装Zerobot机器人及力反馈进针控制，在3头猪的腰椎、髂骨、股骨各穿刺6次。所有穿刺由一名经验丰富介入放射科医师遥控操作，针道与骨面呈90°±30°，骨内针道长10–30 mm。成功标准定义为无针尖滑脱、无明显偏斜及机器人故障。精度评估采用轴位与矢状位CT图像上的角度误差，时间单独记录，用Kruskal–Wallis检验比较组间差异。
Results（结果）
18次机器人骨穿刺全部成功。腰椎与髂骨穿刺全程只用低档预设；股骨穿刺中2次只用低档，2次切换至中档，2次进一步切换至高档。中位骨内针道长度：腰椎10.6 mm、髂骨17.7 mm、股骨16.7 mm。中位轴位/矢状位角度误差：腰椎0.21°/0.21°，髂骨0.32°/0.13°，股骨0.65°/0.25°；轴位角度误差组间差异有统计学意义（p＝0.038），腰-股骨组间有显著差异（p＝0.033），矢状位无显著差异（p＝0.751）。据此估算中位靶心距离误差：腰椎0.05 mm、髂骨0.13 mm、股骨0.24 mm（最大＜0.5 mm）。中位穿刺时间：腰椎23.6 s、髂骨21.3 s、股骨59.7 s，组间差异有统计学意义（p＝0.017），髂骨-股骨组间有显著差异（p＝0.021）。未见不良事件。
Discussion（讨论总结）
研究人员指出，本系统实现了轴位角度误差远小于1°的高精度骨穿刺，因骨穿刺一旦穿透皮质针角即固定，角度误差较距离误差更稳健；估算最大距离误差＜0.5 mm，满足临床骨病变靶区（如≥5 mm容差）需求，有望用于活检、消融、椎体成形术（vertebroplasty）、球囊后凸成形术（balloon kyphoplasty）及螺钉固定。与仅导航而对骨仍需手动钻入的已有系统不同，本机器人可由术者坐位按键完成全自动旋转钻入与进针，减轻体力负荷并减少人为偏差。力反馈速度控制有效避免了恒定速进针导致的针尖滑脱或伺服错误（servo error）；股骨角度误差稍大可能与下肢固定不如躯干牢固致微位移有关，穿刺时间延长与股骨皮质厚硬需升档预设有关，后续拟开发自动档位切换。优势包括远程操作避免术者受照、学习曲线短、重复性好；局限性含动物样本少、猪骨与人骨差异、未设骨内物理标记、仅短针道及近垂直轨迹、未评估取骨标本质量、未与手动穿刺直接对照，临床推广前需进一步研究患者移动对策及考虑增设温度监测以防摩擦产热。
Conclusion（结论译文）
研究人员开发出一种可用于CT引导下介入操作的骨穿刺针自动置入新型机器人。配备旋转钻削及力反馈进针速度控制机构的机器人在猪骨穿刺针置入中是可行且准确的。
