背景和目的:神经外科常见的疾病包括脑外伤、脑肿瘤、脑血管病等,而这些疾病最基本、最有效的治疗方法就是外科手术,而其最常规的手术操作就是开颅手术。传统的开颅手术均为人来完成,根据术前病变的位置设计骨窗的形状和大小,然后通过电动开颅钻和铣刀切开颅骨。这个过程费时费力,且需要集中精力保持手持颅钻时的稳定性,避免造成硬膜撕裂、静脉窦破裂、神经或者血管的损伤等。随着机器人和人工智能的发展,其越来越多应用于神经外科领域,机器人辅助立体定向神经外科已经广泛应用于临床,而机器人应用于开颅手术则鲜有报道。本研究研发了智能人机协同开颅手术机器人系统Cranibot,提出人机协同交互控制理念,旨在提高颅骨钻孔和铣削的精确性,减少硬脑膜撕裂等组织损伤的发生率,缩短开颅手术的时间和医生的劳动体力消耗。方法:将UR5机器人、控制主机、双六维力传感器末端、医用开颅钻和动力系统和NDI公司的Plorias红外光学导航仪、自行设计的导航定位程序以及可视化的图形用户界面整合为一个开颅机器人系统Cranibot,使得机器人的机械臂能够在导航的指引下与医生实现协同交互控制。结合术前头颅CT数据和术前计划钻孔的选点,能将机械臂的运动锁定在精确的安全范围内,并能在医生的引导下精准、安全的进行开颅手术的钻孔和铣削。分别用三种不同的实验对象(PVC头颅模型、离体猪头和巴马小型猪)对开颅机器人系统进行了实验验证,以验证其真实性能、效率、精确性、安全性和实用性。由于颅骨是双侧对称的,每组开颅手术都对颅骨进行双侧对称开颅。实验组的模型或猪头由开颅机器人系统在一侧进行钻孔和铣削,对照组由同一个神经外科医生在另一侧对称位置进行钻孔和铣削。以最终铣下一个方形骨瓣为一次实验结束,分别统计实验组和对照组的力反馈数据、位置误差、开颅花费时间及硬膜等组织损伤的发生率。通过统计学分析,比较实验组和对照组的差别。结果:针对三种不同的实验对象头颅模型、离体猪头和在体小型猪,所研发的开颅手术机器人系统均能够顺利完成开颅手术任务,且机械臂、导航系统、控制主机、力觉传感器、开颅钻和铣刀的连接稳定、工作流畅,没有异常启停,性能较好。力觉反馈结果显示三种实验对象钻孔的给进力分别为60N、100N、50N,铣削时的接触力均在-2N左右。三种实验对象的实验组的平均位置误差分别为1.87mm,3.13mm,3.26mm,开颅时间分别为6.64min,7.79min,11.83min,总的组织损伤发生率为5.6%。三种实验对象对照组的平均位置误差分别为3.14mm,3.83mm,4.49mm,开颅时间分别为8.06min,9.05min,26.10min,总的组织损伤发生率为16.7%。结论:作为自主研发的首台开颅手术机器人系统,Cranibot在体内外的实验研究中完全能够胜任开颅手术的任务,提高开颅手术的精确性和效率,同时减少硬膜等组织损伤发生率。但统计分析认为在避免组织损伤方面,机器人系统同人工开颅并无差别,这是由于样本量有限。在力觉反馈方面,机器人系统能够精确给予医生力的感知,并根据反馈力相应调整机械臂和人手的施加力,给予开颅过程中一个安全稳定的力量控制。