李盛林，沈杰，言勇華，陳大國(guó)

1上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所，上海市，200240

2 解放軍第四五五醫(yī)院，上海市，200052

血管介入手術(shù)是指醫(yī)生在數(shù)字減影血管造影機(jī)(DSA) 的導(dǎo)引下，操縱導(dǎo)管在人體血管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)管從病人穿刺部位送至靶血管，對(duì)病灶進(jìn)行治療。微創(chuàng)介入手術(shù)在臨床中有著廣泛的應(yīng)用，但隨著手術(shù)患者的不斷增多，傳統(tǒng)的微創(chuàng)介入手術(shù)也逐漸暴露出醫(yī)生長(zhǎng)期受到X射線(xiàn)輻射、醫(yī)生培訓(xùn)周期長(zhǎng)、手術(shù)準(zhǔn)確度低等缺點(diǎn)[1]。這些缺點(diǎn)限制了血管介入手術(shù)的應(yīng)用。

由于手工操作介入手術(shù)的上述缺點(diǎn)，利用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)導(dǎo)絲插入成了熱門(mén)的研究課題。由外科醫(yī)生遙控操作的介入手術(shù)機(jī)器人可以將導(dǎo)絲送進(jìn)人體內(nèi)，在手術(shù)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)管的推進(jìn)、后退和旋轉(zhuǎn)，手術(shù)完成后能將導(dǎo)管拉離人體等功能，大大降低了醫(yī)務(wù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也在一定程度上減少了手術(shù)對(duì)醫(yī)生個(gè)人技術(shù)熟練程度的依賴(lài)，能顯著提高手術(shù)成功率，減輕病人痛苦。由于介入過(guò)程醫(yī)生在隔離室操作，避免了醫(yī)生遭受手術(shù)時(shí)的X射線(xiàn)輻射[2-3]。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

與其它手術(shù)機(jī)器人在神經(jīng)外科和骨科的應(yīng)用相比，血管介入手術(shù)機(jī)器人的研究起步比較晚，從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始興起。

1.1 介入手術(shù)中的磁導(dǎo)航系統(tǒng)

研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出了幾種類(lèi)型的血管介入手術(shù)機(jī)器人。心血管介入手術(shù)采用了立體定向磁導(dǎo)航系統(tǒng)（見(jiàn)圖1），外科醫(yī)生能夠更有效地操作導(dǎo)絲、導(dǎo)管和其他磁性介入設(shè)備。在這個(gè)系統(tǒng)中，導(dǎo)管是特制的磁導(dǎo)管,一塊非常小的磁鐵被包埋在導(dǎo)管的尖端,這樣導(dǎo)管的方向就能被體外的磁場(chǎng)所控制。當(dāng)兩側(cè)的磁體旋轉(zhuǎn)時(shí)，在磁場(chǎng)范圍內(nèi)可產(chǎn)生不同強(qiáng)度和方向的磁場(chǎng)力，使得磁導(dǎo)管在不同的磁矩的作用下,改變尖端的方向[4]。導(dǎo)絲的前進(jìn)和后退由機(jī)器人控制。該系統(tǒng)通過(guò)磁場(chǎng)非接觸方式定位導(dǎo)絲遠(yuǎn)端，操作精度高；導(dǎo)絲頭部除了植入磁體外其它部分都十分柔軟，所以沒(méi)有血管穿孔的危險(xiǎn)。立體定向磁導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用代表著心血管介入手術(shù)治療在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化中取得了重要的進(jìn)步。

圖1 立體定向磁導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.1 Stereotactic magnetic navigation system

1.2 心臟介入治療系統(tǒng)

以色列的海法心血管疾病研究所設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于心臟介入治療遠(yuǎn)程控制的機(jī)器人系統(tǒng)[5]（見(jiàn)圖2），該系統(tǒng)包括一個(gè)床邊裝置和操作控制單元。床邊裝置安裝在手術(shù)臺(tái)，控制導(dǎo)絲前進(jìn)、后退和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)絲的運(yùn)動(dòng)是由一對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾輪實(shí)現(xiàn)的。安裝在電機(jī)后面的一對(duì)被動(dòng)輪用來(lái)監(jiān)視滾輪傳送導(dǎo)絲的情況。如果滾輪設(shè)備遇到障礙或者產(chǎn)生打滑，滾輪運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置會(huì)報(bào)告故障，同時(shí)系統(tǒng)將暫時(shí)停止工作。操作控制單元遠(yuǎn)離病床，由電腦觸摸屏控制臺(tái)和操縱桿組成。該系統(tǒng)用于治療冠狀動(dòng)脈狹窄，對(duì)患者來(lái)說(shuō)安全、可靠，對(duì)外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)完全避免了X射線(xiàn)輻射，且大大提高了手術(shù)的精度。

圖2 遠(yuǎn)程控制心血管介入手術(shù)Fig.2 Remote control vascular interventional surgery

1.3 用于神經(jīng)外科的導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)

香川大學(xué)研制了用于治療血管神經(jīng)外科的導(dǎo)管操作機(jī)器人系統(tǒng)[6]（見(jiàn)圖3）。導(dǎo)管操作機(jī)器人系統(tǒng)采用主從式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)含有用于測(cè)量導(dǎo)管和血管之間接觸力的力傳感器，接觸力通過(guò)觸覺(jué)顯示裝置傳送給外科醫(yī)生。觸覺(jué)反饋可以保護(hù)血管免受損壞。

圖3 導(dǎo)管機(jī)器人系統(tǒng)Fig.3 Catheter operating robot system

1.4 用于腫瘤化療的介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)了用于腫瘤化療和心血管疾病的介入手術(shù)機(jī)器人。介入手術(shù)機(jī)器人模型示意圖如圖4所示。外科醫(yī)生坐在監(jiān)控室，向機(jī)器人發(fā)送控制指令，機(jī)器人根據(jù)這些指令來(lái)控制導(dǎo)絲和導(dǎo)管的運(yùn)動(dòng)。介入手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)絲導(dǎo)管的夾緊距離可調(diào)，所以可以控制多種規(guī)格的導(dǎo)絲和導(dǎo)管[7]?，F(xiàn)在大多數(shù)商業(yè)化的觸覺(jué)顯示設(shè)備是點(diǎn)顯示設(shè)備，因此觸覺(jué)反饋僅限于一些特定的類(lèi)別，如穿刺、導(dǎo)管縫合等。但由于血管和導(dǎo)絲之間有許多接觸點(diǎn)，所以很難檢測(cè)出導(dǎo)絲和血管之間的所有的接觸力[8]。北京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了碰撞檢測(cè)響應(yīng)模型，它將所有的接觸力都傳遞到頭部，從而可以使用現(xiàn)有的觸覺(jué)顯示設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。

圖4 血管介入手術(shù)機(jī)器人模型Fig.4 Model of vascular interventional robot

2 血管介入機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

介入手術(shù)機(jī)器人包括機(jī)械裝置與控制系統(tǒng)、圖像導(dǎo)航系統(tǒng)和力反饋系統(tǒng)等。

2.1 機(jī)械裝置與控制系統(tǒng)

為了保護(hù)醫(yī)生避免受X射線(xiàn)照射，介入手術(shù)機(jī)器人機(jī)械裝置及控制系統(tǒng)通常采用主從式結(jié)構(gòu)[8]，如上面提到的血管介入機(jī)器人。主控制臺(tái)位于遠(yuǎn)離病人的監(jiān)控室，從動(dòng)裝置位于病床的手術(shù)臺(tái)[9]。

由于介入手術(shù)高精確度的要求，一般采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置。在熒光圖像的指導(dǎo)下，外科醫(yī)生在主控制臺(tái)控制操縱桿，介入手術(shù)機(jī)器人檢測(cè)到醫(yī)生的這些動(dòng)作，并復(fù)現(xiàn)醫(yī)生的動(dòng)作，從而控制導(dǎo)絲的軸向（前進(jìn)或后退）和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[10]。軸向運(yùn)動(dòng)允許導(dǎo)絲沿血管前進(jìn)或后退，當(dāng)導(dǎo)絲要進(jìn)入血管的分支時(shí)，就需要旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作，機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)應(yīng)符合下列要求[11]：

(1)介入手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械裝置需要靈活地控制導(dǎo)絲運(yùn)動(dòng)，為了平穩(wěn)地移動(dòng)，該機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較小的慣性。

(2) 介入手術(shù)機(jī)器人可以精確地控制導(dǎo)絲的運(yùn)動(dòng)。

(3) 血管介入手術(shù)是很柔和的，導(dǎo)絲的運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)該是可調(diào)節(jié)的，即當(dāng)導(dǎo)絲在比較厚的血管中運(yùn)動(dòng)時(shí)可以比較快速地移動(dòng)，當(dāng)在比較薄的血管中運(yùn)動(dòng)時(shí)需要降低速度。

(4) 當(dāng)介入手術(shù)機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)絲和導(dǎo)管必須很容易地拆除。在這種情況下，外科醫(yī)生將會(huì)進(jìn)行人工手術(shù)。

(5) 介入手術(shù)機(jī)器人可以方便地進(jìn)行消毒。

圖5 導(dǎo)絲插入機(jī)構(gòu)Fig.5 Device for insert wire

2.2 圖像導(dǎo)航系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的血管介入手術(shù)，外科醫(yī)生在二維數(shù)字減影血管造影（DSA）的指導(dǎo)下操縱導(dǎo)絲[12]。然而，由于血管重疊和透視，二維投影圖像會(huì)丟失三維血管的重要信息[13-14]。很多時(shí)候根據(jù)幾個(gè)二維投影圖像并不能準(zhǔn)確確定血管系統(tǒng)的分布。外科醫(yī)生只有在解剖學(xué)為基礎(chǔ)的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)上重建三維血管，這會(huì)延長(zhǎng)手術(shù)時(shí)間，增加患者和醫(yī)務(wù)人員接觸X射線(xiàn)的時(shí)間。因此，需要能夠集成顯示導(dǎo)絲和血管并確保手術(shù)安全性的三維血管模型[15]。

近年來(lái)針對(duì)血管的三維血管模型進(jìn)行了很多研究。磁共振血管造影(MRA)和計(jì)算機(jī)斷層掃描血管造影(CTA)可用于三維血管重建。Movassaghi[16]通過(guò)二維DSA血管圖像來(lái)重建三維血管圖像，該方法包括三個(gè)步驟：(1)校準(zhǔn)DSA機(jī)，從而確定投影圖像的幾何形狀，并糾正失真圖像；(2)在血管介入手術(shù)之前從不同方位采取一系列二維血管造影，然后確定血管中心線(xiàn)、血管直徑和分叉點(diǎn)的特征，并在每個(gè)選定的突起構(gòu)建血管層次結(jié)構(gòu)；(3)根據(jù)二維血管造影圖像得到的中心線(xiàn)和血管直徑來(lái)重建三維血管圖像。把投影視圖之間的夾角作為函數(shù)進(jìn)行定量分析來(lái)檢驗(yàn)三維血管模型的準(zhǔn)確性，并討論如何確定最佳視圖來(lái)最大限度地減小血管重疊和透視。

導(dǎo)絲的位置相當(dāng)于血管中心線(xiàn)，對(duì)導(dǎo)絲的調(diào)整也被映射到重建的三維血管系統(tǒng)中[17]。這種方法實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)絲和三維血管系統(tǒng)的綜合顯示。因此，外科醫(yī)生可以比較容易地控制介入手術(shù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

2.3 力反饋系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的微創(chuàng)介入手術(shù)中，醫(yī)生根據(jù)圖像用手來(lái)操作導(dǎo)絲，可以準(zhǔn)確地感覺(jué)到導(dǎo)絲在血管中的受力情況，能在引導(dǎo)圖像不夠直觀(guān)的情況下保證導(dǎo)絲的安全介入。目前研究的主從式介入手術(shù)系統(tǒng)中，醫(yī)生脫離手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)，借助主手手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)絲介入，不能很好地感知導(dǎo)絲在血管中的受力情況[18]。所以需要將導(dǎo)絲在介入過(guò)程中的受力情況反饋回來(lái)，作為參考信息提供給控制室內(nèi)的醫(yī)生，輔助其進(jìn)行更加安全的導(dǎo)絲介入操作。

一些研究者利用固定在導(dǎo)絲頭部微力傳感器來(lái)測(cè)量血管和導(dǎo)絲頭部之間的接觸力[19]。然而，導(dǎo)絲和血管之間有許多接觸點(diǎn)，很難找到合適的位置來(lái)固定測(cè)量摩擦的微力傳感器。香川大學(xué)將微傳感器固定到導(dǎo)管的一側(cè)，仍不能完整準(zhǔn)確的計(jì)算出導(dǎo)管和血管之間所有的摩擦。

力反饋要傳遞到醫(yī)生手中，必須采用觸覺(jué)接口設(shè)備[20]。商業(yè)觸覺(jué)界面有很多種，但力反饋技術(shù)卻沒(méi)有廣泛應(yīng)用在臨床介入手術(shù)機(jī)器人中，這限制了介入手術(shù)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。所以，構(gòu)建一個(gè)能夠綜合各種影響血管阻力因素的模型是迫切需要解決的問(wèn)題。

3 結(jié)論

介入手術(shù)機(jī)器人相比傳統(tǒng)的介入手術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)。然而，機(jī)器人手術(shù)往往比對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)介入手術(shù)更昂貴，且大多缺乏力反饋的信息。介入手術(shù)機(jī)器人應(yīng)該著重在以下幾個(gè)方面加以改進(jìn)：(1)介入手術(shù)裝置應(yīng)更靈敏、更緊湊、更容易控制；(2)影像導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)該提供更多的血管信息，從而能夠更方便地進(jìn)行手術(shù)，縮短手術(shù)時(shí)間；(3) 在手術(shù)過(guò)程中應(yīng)該提供可靠的力反饋系統(tǒng)，以便外科醫(yī)生能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地接收到反饋力的信息，從而精確、安全地完成手術(shù)。

遠(yuǎn)程外科手術(shù)是一種很有前途的新領(lǐng)域，能夠打破地域限制使更多人都能享受到最先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)。未來(lái)的介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)可集成先進(jìn)的成像系統(tǒng)和力反饋系統(tǒng)。術(shù)前和術(shù)中X射線(xiàn)圖像可以提供給外科醫(yī)生大量的信息，甚至可能讓機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行部分選定的手術(shù)過(guò)程。

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