劉達(dá) 倪自強(qiáng)

血管介入機(jī)器人系統(tǒng)的手術(shù)評估

劉達(dá) 倪自強(qiáng)

目的評估血管介入機(jī)器人手術(shù)的可行性。方法選擇20只成年雄性雜犬，開展左側(cè)腎動(dòng)脈和左側(cè)椎動(dòng)脈血管介入手術(shù)，對機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的重要參數(shù)和指標(biāo)進(jìn)行記錄、分析和評估。結(jié)果左側(cè)腎動(dòng)脈與左側(cè)椎動(dòng)脈造影均成功進(jìn)行。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程用時(shí)30~60 min，平均（35±4）min，操作者未暴露在X射線下，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程安全可靠。結(jié)論血管介入機(jī)器人系統(tǒng)可有效輔助完成介入手術(shù)，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)評估

血管介入手術(shù)已被應(yīng)用到多種外科手術(shù)中，如心血管外科、神經(jīng)外科、婦產(chǎn)科、腫瘤科、血管外科、耳鼻喉科等[1]。但是，血管介入手術(shù)也存在明顯弊端：①操作者在X射線環(huán)境下工作，長期操作對身體傷害很大；②現(xiàn)有手術(shù)方法技巧性強(qiáng)，風(fēng)險(xiǎn)性高，?？漆t(yī)生手術(shù)培訓(xùn)時(shí)間長，限制了這項(xiàng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用；③由于操作復(fù)雜、手術(shù)時(shí)間長，疲勞和人手操作不穩(wěn)定等因素會(huì)直接影響手術(shù)質(zhì)量，進(jìn)而影響患者生存質(zhì)量。上述缺點(diǎn)限制了血管介入手術(shù)的廣泛應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)與血管介入技術(shù)有機(jī)結(jié)合是解決上述問題的重要途徑[2-4]，機(jī)器人操縱手術(shù)器械的優(yōu)點(diǎn)很多，如可以按照醫(yī)療圖像精確定位，可以沒有顫抖地執(zhí)行持續(xù)動(dòng)作，可以在X射線環(huán)境下工作，可以快速、準(zhǔn)確地通過復(fù)雜的軌跡重新定位。

本研究將機(jī)器人技術(shù)引入血管介入手術(shù)，通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證血管介入機(jī)器人手術(shù)的流程、安全性、可行性等，為進(jìn)一步臨床應(yīng)用提供依據(jù)和參考。

1 材料和方法

1.1 腦血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)

腦血管介入機(jī)器人系統(tǒng)由圖像導(dǎo)航系統(tǒng)、主端控制器（圖1）、從端推進(jìn)機(jī)構(gòu)（圖2）組成。圖像導(dǎo)航系統(tǒng)完成血管的三維重建、術(shù)中血管的2D/3D配準(zhǔn)、C形臂圖像的校準(zhǔn)、導(dǎo)航路徑的規(guī)劃和模擬、推進(jìn)機(jī)構(gòu)與主端控制器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等。主端控制器為六自由度的力覺交互設(shè)備，能輸出三維空間下角度、位移信息。從端推進(jìn)機(jī)構(gòu)通過對導(dǎo)管的給進(jìn)和旋轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程中對導(dǎo)管的路徑控制。

1.2 體外預(yù)實(shí)驗(yàn)

玻璃血管模型試驗(yàn)：為驗(yàn)證機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能，在完成整機(jī)設(shè)計(jì)的情況下，完成了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)前的預(yù)實(shí)驗(yàn)，包括：機(jī)器人自動(dòng)控制導(dǎo)管在玻璃血管內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，腦血管介入機(jī)器人與導(dǎo)管手術(shù)室的環(huán)境融合。

圖2 從端推進(jìn)機(jī)構(gòu)Fig.2Slave feed mechanism

1.3 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

成年健康雄性雜種犬20只，體質(zhì)量16～20 Kg（北京大學(xué)醫(yī)學(xué)部動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心），室溫（20±2）℃，自然光線，自由飲水和進(jìn)食。予氯胺酮和速眠新肌肉注射，麻醉后固定于平板上；右側(cè)股部備皮，消毒后于右側(cè)股部動(dòng)脈搏動(dòng)最明顯處，切開皮膚與皮下組織，顯露右側(cè)股動(dòng)脈，人工用Sedinger法將4～5 F鞘插入實(shí)驗(yàn)犬股動(dòng)脈內(nèi)，引入腦血管介入機(jī)器人機(jī)構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)，固定造影管，用機(jī)械臂固定機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)并調(diào)整好位置，同時(shí)連接高壓注射器和肝素鹽水滴注系統(tǒng)。

左腎動(dòng)脈造影：操作者在透視下通過操縱桿操縱機(jī)構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)，控制造影管的運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過左右旋轉(zhuǎn)和前后推進(jìn)，及兩種運(yùn)動(dòng)方式的組合，造影管經(jīng)過股動(dòng)脈后到達(dá)腹主動(dòng)脈上端，左前斜30°和右前斜30°造影后進(jìn)行腹主動(dòng)脈與腎動(dòng)脈的血管三維重建，確認(rèn)左腎動(dòng)脈開口方向位置及動(dòng)脈走行后，在圖像導(dǎo)航下將血管放入左腎動(dòng)脈近端并行造影。

顱內(nèi)血管造影檢查：在透視下通過腦血管介入機(jī)器人機(jī)構(gòu)控制器將造影管向前推進(jìn)，經(jīng)過左右旋轉(zhuǎn)和前后推進(jìn)，及兩種運(yùn)動(dòng)方式的組合，經(jīng)過股動(dòng)脈、腹主動(dòng)脈、胸主動(dòng)脈、降主動(dòng)脈后到達(dá)升主動(dòng)脈并行左前斜30°和右前斜30°造影，進(jìn)行主動(dòng)脈弓的血管三維重建，確認(rèn)左側(cè)椎動(dòng)脈開口及動(dòng)脈走行后，在圖像導(dǎo)航下將血管放入左側(cè)椎動(dòng)脈近端并行造影。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

定位機(jī)器人末端承重能力4 Kg，導(dǎo)管推進(jìn)機(jī)構(gòu)重量2 Kg，空間靈活度大，導(dǎo)管軸向進(jìn)給的允許誤差不超過l%，周向能夠?qū)崿F(xiàn)±1 080°旋轉(zhuǎn)。同時(shí)利用兩張投影圖像完成血管三維圖像重建，實(shí)現(xiàn)術(shù)中二維圖像和術(shù)前三維圖像配準(zhǔn)，C形臂圖像校正精度在0.5 mm以內(nèi)。

玻璃血管模型預(yù)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，操作者通過機(jī)器人操控導(dǎo)管可流暢、快速、選擇性地到達(dá)各個(gè)模擬血管分支。操作桿與推進(jìn)系統(tǒng)在實(shí)施過程中沒有出現(xiàn)延遲和失控等現(xiàn)象，定位誤差＜1 mm。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)過程均順利，機(jī)器人可操控多種型號的造影管完成手術(shù)，左側(cè)腎動(dòng)脈（圖3）與左側(cè)椎動(dòng)脈（圖4）造影均成功進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)用時(shí)30～60 min，平均（35±4）min，操作者未暴露在X射線下，除血管鞘導(dǎo)入股動(dòng)脈操作需操作者參與外，其他手術(shù)操作均由操作者控制機(jī)器人完成，實(shí)驗(yàn)過程安全可靠。術(shù)后l～2 h，實(shí)驗(yàn)犬恢復(fù)正?；顒?dòng)，無手術(shù)并發(fā)癥。

圖3 左側(cè)腎動(dòng)脈造影Fig.3Left renal arteriography

圖4 左側(cè)椎動(dòng)脈造影Fig.4Left vertebral angiography

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了機(jī)器人血管介入手術(shù)的安全性和可行性，為下一步臨床應(yīng)用和推廣提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

4 討論

本實(shí)驗(yàn)中，血管介入機(jī)器人系統(tǒng)采用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，是具有冗余度的機(jī)器人新構(gòu)型，同時(shí)引入的姿態(tài)調(diào)整機(jī)器人主要為機(jī)器人新構(gòu)型提供一個(gè)平臺(tái)，在較大范圍上進(jìn)行空間位置的定位。在滿足上述任務(wù)工作空間要求的同時(shí)，提高機(jī)器人的剛度和靈活性，從而適合腦血管介入外科手術(shù)復(fù)雜操作的需求。在圖像導(dǎo)航技術(shù)上，三維血管影像可多角度顯示病變，國內(nèi)外已展開了一些三維血管影像方法的研究，如螺旋CT血管造影（SCTA）、電子束CT血管造影、三維MRA、三維B超、旋轉(zhuǎn)DSA和3D重建等方法。本研究主要采用基于多角度DSA圖像的三維血管重建，大多數(shù)2個(gè)角度就可達(dá)到目的，結(jié)合路圖技術(shù)較好地實(shí)現(xiàn)了圖像導(dǎo)航作用，提高了手術(shù)質(zhì)量。

從整個(gè)系統(tǒng)上看，本系統(tǒng)基本上達(dá)到了減少操作者接受輻射的初步目的，同時(shí)通過操縱手可完全掌控導(dǎo)管運(yùn)動(dòng)，減少了人手震顫的影響，同時(shí)在圖像導(dǎo)航加強(qiáng)的基礎(chǔ)上方便了介入操作，縮短手術(shù)時(shí)間，為提高手術(shù)質(zhì)量創(chuàng)下有利條件。

[1]Da L,Liu D.Accuracy experimental study of the vascular interventional surgical robot propulsive mechanism[C]//Complex Medical Engineering(CME),2011 IEEE/ICME International Conference.Heilongjiang:IEEE,2011:412-416.

[2]Antoniou GA,Riga CV,Mayer EK,et al.Clinical applications of robotic technology in vascular and endovascular surgery[J].J Vasc Surg,2011,53(2):493-499.

[3]Zhao D,Liu D.Clinical training technology for vascular interventional surgery robot system based on master-slave expansion[C]// MechatronicsandAutomation(ICMA),2012International Conference.Chengdu:IEEE,2012:604-610.

[4]Zhou W,Lin PH,Bush RL.Lumsden.Endovascular training of vascular surgeons:have we made progress[J]?Semin Vasc Surg, 2006,19(2):122-126.（收稿日期：2013年11月20日；修回日期：2014年1月5日）

Evaluation of Vascular Interventional Robot System

ObjectiveTo evaluate the feasibility of vascular interventional robot system.MethodsTwenty adult male dogs were operated on the left renal artery and the left vertebral artery with vascular interventional robot system.The important data and parameters were recorded,analyzed and evaluated.ResultsThe renal arteriography and vertebral angiography were performed successfully.The whole process took 30-60 minutes,35±4 minutes on average.The surgeons were not exposed to X-ray.The whole surgery was safe and reliable.ConclusionThe robot could effectively assist the surgeons to fulfill the endovascular interventional surgery,and the purpose of the robot system could be achieved.

Vascular interventional surgery;Robot system;Evaluation

R319

A

1673－0364（2014）01－0019－03

LIU Da,NI Ziqiang.
Robotics Institute,Beihang University,Beijing 100191,China.Corresponding author:LIU Da(E-mail:drliuda@buaa.edu.cn).

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.006

100191北京市北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所。

劉達(dá)（E-mail：drliuda@buaa.edu.cn）。