豐 蕊，陸清聲

(1.海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院血管外科，上海 200433；2.上海理工大學(xué)健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人于2008年首次出現(xiàn)并被用于遠(yuǎn)程導(dǎo)管消融術(shù)，隨后被引入經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療及外周血管介入治療并獲成功[1]。機(jī)器人能遠(yuǎn)程控制手術(shù)操作，使手術(shù)醫(yī)師免于輻射，且對(duì)介入儀器控制精度更高，使器具尖端的穩(wěn)定性更好，并可縮短手術(shù)時(shí)長(zhǎng)和曝光時(shí)間?，F(xiàn)有機(jī)器人系統(tǒng)并非真正意義上的機(jī)器人，而是末端執(zhí)行器或儀器遠(yuǎn)程執(zhí)行器，即主從式機(jī)器人[2]；其操控完全依賴于手術(shù)醫(yī)師，自主性和智能化程度較低3]。遠(yuǎn)程控制機(jī)器人手術(shù)打破了傳統(tǒng)外科醫(yī)師手眼配合的操作模式，對(duì)操作者的要求較高。在當(dāng)前階段，如何完善觸覺(jué)反饋及發(fā)展手術(shù)導(dǎo)航是機(jī)器人領(lǐng)域研究熱點(diǎn)[4]，如機(jī)器人Magellan所附帶的工作站可生成虛擬導(dǎo)管圖像并覆蓋于主動(dòng)脈透視圖像上[5-6]，CorPath 200 System[7]及CorPath GRX工作站以血管造影圖像和血流動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)引導(dǎo)手術(shù)[8]。為現(xiàn)有主從式機(jī)器人添加導(dǎo)航功能將使其實(shí)現(xiàn)真正自動(dòng)化，使手術(shù)更精準(zhǔn)，進(jìn)一步縮短手術(shù)時(shí)間，減少甚至避免使用對(duì)比劑。本文對(duì)現(xiàn)階段血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)研究及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 圖像融合三維導(dǎo)航

傳統(tǒng)血管腔內(nèi)介入操作中，醫(yī)師主要依靠二維數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography， DSA)圖像引導(dǎo)手術(shù)，缺乏三維解剖細(xì)節(jié)而使手術(shù)難度較大。JONES等[9]在主動(dòng)脈開窗介入治療中應(yīng)用圖像融合技術(shù)。KOBEITER等[10]在胸主動(dòng)脈腔內(nèi)修復(fù)術(shù)中應(yīng)用圖像融合三維導(dǎo)航技術(shù)，且未使用對(duì)比劑。將動(dòng)態(tài)CT血管造影與術(shù)中DSA圖像融合，能夠發(fā)現(xiàn)血管造影未顯示的內(nèi)漏，有助于診斷及治療內(nèi)漏[11]。CHINNADURAI等[12]以圖像融合技術(shù)引導(dǎo)Magellan機(jī)器人進(jìn)行血管腔內(nèi)介入手術(shù)，根據(jù)術(shù)前CTA圖像構(gòu)建三維血管模型，標(biāo)記血管中心線，并在血管分支處放置環(huán)形標(biāo)志；根據(jù)鈣化和骨性標(biāo)志將術(shù)中DynaCT圖像與術(shù)前三維主動(dòng)脈圖像進(jìn)行配準(zhǔn)融合，所獲三維血管影像可配合DSA設(shè)備位置移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)角度變換及縮放，實(shí)時(shí)引導(dǎo)機(jī)器人手術(shù)。圖像融合可彌補(bǔ)機(jī)器人遠(yuǎn)程操作在血管腔內(nèi)介入手術(shù)中無(wú)方位感知的缺陷，幫助確定C臂投射角度，減少手術(shù)曝光時(shí)間及對(duì)比劑用量[13]。

目前主要依靠血管造影設(shè)備附帶的融合成像軟件，如Siemens Syngo融合成像包、GE Vessel Assist平臺(tái)及Philips Vessel Navigator融合成像包進(jìn)行圖像融合，均存在配準(zhǔn)誤差，主要原因在于置入相關(guān)器械所引起的血管形狀改變等[14]。針對(duì)這一問(wèn)題，Cydar EV(Cydar Medical，英國(guó)劍橋)智能融合成像平臺(tái)通過(guò)控制軟件內(nèi)的虛擬導(dǎo)絲、觀察導(dǎo)絲進(jìn)入前后血管的形狀變化而精確定位手術(shù)器械；已有研究[15]結(jié)果顯示，應(yīng)用Cydar EV可降低復(fù)雜血管內(nèi)動(dòng)脈瘤修復(fù)術(shù)的平均透視時(shí)間及手術(shù)時(shí)間。EndoNaut是Therenva公司推出的圖像融合系統(tǒng)，以其特有的二維/三維圖像融合功能解決了因下肢血管過(guò)長(zhǎng)而難以進(jìn)行圖像融合的問(wèn)題[16]，且能減少術(shù)中對(duì)比劑使用量[17]。目前雖然已有多款圖像融合系統(tǒng)用于引導(dǎo)機(jī)器人介入手術(shù)，但尚無(wú)可集成于機(jī)器人上的圖像融合軟件出現(xiàn)，此為未來(lái)的努力方向。

2 電磁跟蹤導(dǎo)航

磁場(chǎng)發(fā)生器可產(chǎn)生穩(wěn)定磁場(chǎng)，傳感器在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，發(fā)生器可精準(zhǔn)捕捉電磁信號(hào)的位置和方向。SCHWEIN等[18]在導(dǎo)管內(nèi)壁中安裝一個(gè)由感應(yīng)線圈組成的電磁傳感器，醫(yī)師使用Magellan機(jī)器人及帶有傳感器的導(dǎo)管對(duì)主動(dòng)脈瘤體模進(jìn)行左腎動(dòng)脈插管，術(shù)中依靠旋轉(zhuǎn)DSA技術(shù)生成的血管三維體模圖像與可實(shí)時(shí)顯示位置的電磁跟蹤導(dǎo)管即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確插管而無(wú)需透視。血管腔內(nèi)手術(shù)機(jī)器人與電磁感應(yīng)跟蹤相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了無(wú)射線導(dǎo)管定位和半自動(dòng)血管插管，能為手術(shù)提供更好的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航[19]；但利用電磁跟蹤技術(shù)雖可實(shí)時(shí)顯示導(dǎo)管位置，卻難以觀察導(dǎo)管在血管內(nèi)的形狀變化。JACKLE等[20-21]將具有光纖布拉格光柵(一種用于形狀傳感的精確的光學(xué)裝置和電磁傳感器的多芯光纖)集成到支架移植系統(tǒng)中，通過(guò)將光纖傳感與電磁跟蹤技術(shù)相結(jié)合，不僅能實(shí)時(shí)跟蹤支架位置，且可實(shí)時(shí)觀察支架在血管中的形狀，使手術(shù)更為精確。電磁導(dǎo)航術(shù)中定位系統(tǒng)(intra-operative positioning system, IOPS)是一種利用電磁感應(yīng)原理的三維類全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)，已獲得美國(guó)食品藥物管理局(food and drug administration, FDA)批準(zhǔn)在美國(guó)境內(nèi)使用；其在手術(shù)室內(nèi)占用空間相對(duì)較小，且不依賴于血管造影機(jī)中的特定成像系統(tǒng)，啟動(dòng)磁場(chǎng)發(fā)生器后，在3D解剖圖像中可實(shí)時(shí)顯示帶有傳感器的導(dǎo)管或?qū)Ыz的形態(tài)和位置，提高導(dǎo)航效率[22]。

電磁跟蹤與血管腔內(nèi)手術(shù)機(jī)器人相結(jié)合，不需透視即可實(shí)時(shí)跟蹤介入器械在血管及心臟中的位置，為血管腔內(nèi)介入機(jī)器人自動(dòng)化、無(wú)透視手術(shù)提供了解決方案。另一方面，電磁感應(yīng)跟蹤導(dǎo)航技術(shù)尚存在一些缺陷有待解決，如電磁跟蹤設(shè)備易受附近醫(yī)療設(shè)備的影響而致磁場(chǎng)失真，進(jìn)而影響電磁感應(yīng)跟蹤的精度；使用跟蹤系統(tǒng)需附加磁場(chǎng)發(fā)生器等硬件組件，用于臨床不僅增加手術(shù)成本，且影響手術(shù)流程[23]等。

3 血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)輔助導(dǎo)航

血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)指在冠狀動(dòng)脈存在狹窄的情況下,其所供心肌區(qū)域可獲最大血流與理論上同區(qū)域正常情況下所能獲得的最大血流之比[24]。測(cè)量血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)的傳統(tǒng)方法是將海波微導(dǎo)管置入冠狀動(dòng)脈進(jìn)行有創(chuàng)測(cè)量，因扭矩較小，操作困難，亦增加冠狀動(dòng)脈夾層風(fēng)險(xiǎn)?；趬毫?流體動(dòng)力學(xué)原理、結(jié)合心肌梗死溶栓幀計(jì)數(shù)開發(fā)的FlashAngio輔助診療軟件(蘇州潤(rùn)邁德醫(yī)療)可用于冠狀動(dòng)脈造影并實(shí)時(shí)測(cè)量血流儲(chǔ)備分?jǐn)?shù)，避免置入導(dǎo)絲及其對(duì)血管的刺激，測(cè)量所需時(shí)間與傳統(tǒng)方式相比縮短約5 min[25]。景三科技基于血管影像和血流動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)研發(fā)的“病灶形態(tài)、組分和炎癥和力學(xué)載荷”分析平臺(tái)可自動(dòng)定位、定性、定量分析血管狹窄，評(píng)估管腔內(nèi)斑塊分布范圍、斑塊性質(zhì)，輔助分析冠狀動(dòng)脈起源異常、心肌橋、彌漫性斑塊等復(fù)雜病例[26]。

4 基于圖像引導(dǎo)的血管腔內(nèi)手術(shù)機(jī)器人自主導(dǎo)航

現(xiàn)今基于圖像引導(dǎo)的機(jī)器人自主導(dǎo)航還在起步階段，主要改進(jìn)途徑包括圖像處理傳統(tǒng)算法及深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)。2008年，JAYENDER等[27]基于血管模型圖像建立導(dǎo)航路線圖，開發(fā)了一種運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法用于跟蹤導(dǎo)管尖端位置，并將生成的位置信號(hào)實(shí)時(shí)反饋到自主制導(dǎo)算法中，通過(guò)控制器控制導(dǎo)管尖端運(yùn)動(dòng)：當(dāng)導(dǎo)管靠近血管分叉處時(shí)，通過(guò)控制導(dǎo)管插入速度，并經(jīng)圖像處理算法發(fā)出命令使導(dǎo)管沿適當(dāng)方向彎曲，以確保導(dǎo)管進(jìn)入路徑正確并完成自主插管。CHO等[28]開發(fā)了一種基于傳統(tǒng)圖像處理的經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療導(dǎo)絲自主導(dǎo)航算法，無(wú)需在導(dǎo)絲上添加任何傳感器即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航，并將患者的血管數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬器測(cè)試臺(tái)對(duì)該算法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示模擬器中的插管成功率達(dá)100%。

馮蘇湘[29]利用Alex Net深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模擬手術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并將訓(xùn)練好的模型輸出到上位機(jī)，后者根據(jù)訓(xùn)練模型對(duì)輸入圖像進(jìn)行處理并分析，并輸出控制指令至從端控制器，以進(jìn)行自主手術(shù)操作。NORUZI-GHAZBI等[30]開發(fā)了一款專為心血管插管的機(jī)器人輔助導(dǎo)管插入系統(tǒng)，為適應(yīng)復(fù)雜、不確定的手術(shù)環(huán)境，在系統(tǒng)上配備了間接視覺(jué)反饋單元，如超聲、MRI和透視成像模塊，其導(dǎo)航精度高達(dá)90%。JIN等[31]以經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出命令驅(qū)動(dòng)導(dǎo)絲操縱器，通過(guò)人為監(jiān)督52 500次訓(xùn)練后，導(dǎo)航系統(tǒng)在低級(jí)控制任務(wù)方面表現(xiàn)良好，導(dǎo)絲插入成功率最高達(dá)96%。

基于圖像引導(dǎo)的血管腔內(nèi)手術(shù)機(jī)器人自主導(dǎo)航無(wú)需增加額外設(shè)備，可與傳統(tǒng)介入手術(shù)無(wú)縫銜接，是血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航的主要發(fā)展方向；其主要缺點(diǎn)為使用場(chǎng)景的有限性算法運(yùn)行反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，而以深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)導(dǎo)航系統(tǒng)需要大量數(shù)據(jù)加以訓(xùn)練，且存在不穩(wěn)定性。

5 小結(jié)與展望

當(dāng)前血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人應(yīng)用尚不廣泛，其導(dǎo)航系統(tǒng)的研發(fā)亦處于起步階段；手術(shù)機(jī)器人的感知是其應(yīng)用難點(diǎn)之一。JIN等[31]采用自主研發(fā)的力傳感器來(lái)反饋導(dǎo)管尖端與血管壁之間的碰撞力，使機(jī)械手產(chǎn)生更強(qiáng)的觸感，以增強(qiáng)機(jī)器人輔助系統(tǒng)的安全性。導(dǎo)航功能將使機(jī)器人從主從概念轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲淖詣?dòng)化并邁向智能化，進(jìn)而促進(jìn)精準(zhǔn)智能微創(chuàng)診治血管疾病[32]，使更多患者受益。