血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人

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與手術(shù)機(jī)器人在操作器具和機(jī)械手方面存在顯著差異。血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人的研究經(jīng)歷了從使用專用血管腔內(nèi)器具到商品化通用血管腔內(nèi)器具的發(fā)展過程。只有可以應(yīng)用更多商品化血管腔內(nèi)器具，才能完成更多的手術(shù)程序，才能適用更多種類的血管腔內(nèi)介入手術(shù)。未來的血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人將具有一定的力反饋和視覺反饋功能，并具備半自動和導(dǎo)航功能。

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)需要在X射線下進(jìn)行操作，手術(shù)者必須穿戴鉛衣等防護(hù)設(shè)備進(jìn)行操作。長時(shí)間暴露于X射線下，必然會給手術(shù)者帶來損傷。因此，十分迫切需要血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人來替代人操作。但是，血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人與其它外科手術(shù)機(jī)器人相比十分特殊，研發(fā)難度大，其臨床應(yīng)用落后于其它外科手術(shù)機(jī)器人[1，2]。

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人與外科手術(shù)機(jī)器人的異同

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1. 操作器具的差異：?以達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人為代表的外科手術(shù)機(jī)器人主要用于腔鏡手術(shù)。其頭端的機(jī)械手主要為分離鉗、切割鉗、結(jié)扎鉗等，與機(jī)器人連為一體，種類相對較少。機(jī)器人在設(shè)計(jì)、研發(fā)中，機(jī)械臂與機(jī)械手整體研發(fā)。而血管腔內(nèi)介入手術(shù)是通過手術(shù)者操控導(dǎo)絲、導(dǎo)管、球囊、支架等一系列血管腔內(nèi)器具完成。手術(shù)治療范圍廣，包括心血管、腦血管、外周血管、主動脈、腫瘤血管等。治療用的導(dǎo)絲、導(dǎo)管、球囊、支架有成百上千種，粗細(xì)、長短、軟硬不一，如果只研發(fā)機(jī)器人專用的腔內(nèi)器具，應(yīng)用局限性大。因此，血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人必須研發(fā)能操控這些已經(jīng)商品化的血管腔內(nèi)器具，才能達(dá)到可以完成所有血管腔內(nèi)手術(shù)步驟，并適用多種血管腔內(nèi)介入手術(shù)的目標(biāo)，才能符合臨床與市場需求[3]。

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2. 機(jī)械手臂的差異：外科手術(shù)機(jī)器人在胸腔、腹腔、盆腔內(nèi)操作，機(jī)械臂在前、后、左、右、上、下的空間中自由移動，設(shè)計(jì)時(shí)對機(jī)械臂的動作方向性及自由度要求高，機(jī)械關(guān)節(jié)多。而血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念不同，它通過手術(shù)者操控機(jī)械手，由機(jī)械手操控不同粗細(xì)和長度1至3米的導(dǎo)絲、導(dǎo)管、球囊、支架在血管腔內(nèi)前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)。其動作的方向性相對簡單，但距離長[3] [4]。因此，機(jī)械手臂中需要有“軌道”特性，并且能夠持控不同粗細(xì)的腔內(nèi)器具。

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人發(fā)展歷史

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一. 操控特殊血管腔內(nèi)介入器具時(shí)代：最初的設(shè)計(jì)理念是機(jī)器人控制自帶的特殊血管腔內(nèi)介入器具實(shí)施手術(shù)。

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如1951年開始設(shè)想通過磁導(dǎo)航控制帶有磁性的特殊導(dǎo)絲導(dǎo)管進(jìn)行運(yùn)動，直到1991年才應(yīng)用[5]。具有磁性頭端的特殊導(dǎo)絲和導(dǎo)管，可以產(chǎn)生可控制電磁場的大型設(shè)備，通過磁場的變換來控制磁性導(dǎo)絲導(dǎo)管的前進(jìn)、后退及方向變換 [5]。但是其顯著缺點(diǎn)是：1.必須使用特殊導(dǎo)絲、導(dǎo)管，應(yīng)用范圍局限；2.只能進(jìn)行對磁性特殊導(dǎo)絲導(dǎo)管的操作步驟，無法進(jìn)行普通球囊、支架等各類腔內(nèi)操作，完成度差，血管腔內(nèi)介入手術(shù)的大部分操作仍然需要人手完成；3. 操作的力量和距離十分有限，成功率低；4. 對于環(huán)境設(shè)施的要求較高，設(shè)備龐大，移動能力差。因此，雖然德國 Siemens 公司與美國 Stereotaxis公司都進(jìn)行了產(chǎn)品開發(fā)，但實(shí)際臨床使用者少。2005年Beyar等人開始使用NaviCath機(jī)器人系統(tǒng)在人體上進(jìn)行導(dǎo)管介入消融治療 [6]。隨后，Hansen Medical公司的Sensei X1系統(tǒng)開始用于冠脈介入及消融治療 [7, 8]。其設(shè)計(jì)原理均為電機(jī)械原理，即通過電動的機(jī)械手來操控頭端可彎曲的特制導(dǎo)管及導(dǎo)管鞘，通過牽拉操控其尾端并埋藏連接于導(dǎo)管或?qū)Ч芮仕闹艿倪B接線，從而調(diào)控導(dǎo)管及鞘的彎曲方向。Sensei X2系統(tǒng)在Sensei X1系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了視覺和觸覺力反饋，但需要特殊頭端裝置。Magellan系統(tǒng)在Sensei系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，除應(yīng)用于冠狀動脈外，更注重于輔助治療外周血管疾病，增加了導(dǎo)管的彎曲度，并且通過串聯(lián)式的夾持滾輪設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)絲導(dǎo)管的前進(jìn)與后退動作[9]。但無論是Sensei X系列還是Magellan系統(tǒng)，都不能使用常規(guī)的腔內(nèi)器具，必須使用為其特別開發(fā)的導(dǎo)管及導(dǎo)鞘，且只能完成導(dǎo)絲、導(dǎo)管動作。因此無法廣泛應(yīng)用。

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二. 操控商品化通用血管腔內(nèi)介入器具時(shí)代：由于以上設(shè)計(jì)理念臨床應(yīng)用的局限性，為適應(yīng)血管腔內(nèi)介入手術(shù)的特點(diǎn)，開始研發(fā)機(jī)器人操控商品化的血管腔內(nèi)器具實(shí)施手術(shù)。

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Catheter Precision 公司的Amigo 系統(tǒng)于2012年通過FDA批準(zhǔn)。Amigo 系統(tǒng)的外套管可以把持內(nèi)部的導(dǎo)管進(jìn)行軌道式的前后移動及旋轉(zhuǎn)動作，從而使導(dǎo)管前進(jìn)、后推及左右旋轉(zhuǎn)。由于采用了開放式設(shè)計(jì)，能夠使用部分粗細(xì)范圍的商品化導(dǎo)管，但無法進(jìn)行釋放支架及完成更為復(fù)雜的血管腔內(nèi)介入操作[10]。Corindus Vascular Robotics公司研發(fā)的CorPath機(jī)器人系統(tǒng)為目前經(jīng)FDA批準(zhǔn)的主要應(yīng)用于冠脈，也可應(yīng)用于外周動脈的開放式系統(tǒng)平臺。其原理是通過夾持導(dǎo)絲導(dǎo)管的滾輪進(jìn)行前進(jìn)與后退動作，同時(shí)滾輪本身的旋轉(zhuǎn)控制導(dǎo)絲導(dǎo)管的旋轉(zhuǎn)。能使用0.014導(dǎo)絲、快速交換球囊導(dǎo)管及球擴(kuò)式支架導(dǎo)管，床旁操作部分安裝有單用操縱盒，其內(nèi)即包含了滾輪，消毒后可以裝載導(dǎo)絲、導(dǎo)管、球囊等相關(guān)器具[11-13]。但是，以上兩種產(chǎn)品所使用的商品化血管腔內(nèi)器械規(guī)格有限，不能使用鞘管、導(dǎo)引導(dǎo)管、自膨式支架輸送系統(tǒng)等。其完成的功能局限于導(dǎo)絲、導(dǎo)管的前進(jìn)后退以及小角度旋轉(zhuǎn)，不能完成復(fù)雜的血管腔內(nèi)介入動作。不能同時(shí)完成一個(gè)以上的導(dǎo)絲、球囊導(dǎo)管或支架的操作，也無相應(yīng)的力觸覺反饋機(jī)制。因此，實(shí)際臨床應(yīng)用中對手術(shù)者的幫助有限。

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國內(nèi)亦于十余年前開始了血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)，但部分研發(fā)團(tuán)隊(duì)的仍然是仿制與改良國外產(chǎn)品，目前距離臨床應(yīng)用還較早。由于思路相同，因此會遇到相同的臨床應(yīng)用瓶頸[14-17]。基于此觀察，奧朋醫(yī)療在國內(nèi)最早開始研發(fā)血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人，用于幫助醫(yī)生提高介入手術(shù)質(zhì)量，引領(lǐng)血管介入臨床手術(shù)步入精準(zhǔn)時(shí)代。

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人研發(fā)新思路

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能夠成功廣泛應(yīng)用的血管腔內(nèi)介入機(jī)器人必須具備以下要求：1. 適用于大多數(shù)已商品化的血管腔內(nèi)介入器械；2. 能完成大部分手術(shù)動作，包括導(dǎo)絲、導(dǎo)管及導(dǎo)鞘的前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)，球囊的前進(jìn)、后退、收放，支架的輸送與釋放；3. 通用包括心血管、腦血管、外周血管、主動脈、腫瘤血管等各類血管腔內(nèi)介入手術(shù)；4. 具備一定的力觸覺與視覺反饋功能；5. 部分動作的半自動化功能；6. 有一定的導(dǎo)航功能。而要具備以上功能，就必須在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中進(jìn)行創(chuàng)新，要打破原有設(shè)計(jì)思路和應(yīng)用瓶頸[3]。

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能適用于大多數(shù)已商品化的血管腔內(nèi)介入器械，就要求機(jī)器人的“手”采用開放式設(shè)計(jì)，并模擬人手的夾持功能，其夾持范圍要從0.014"至24F，而原先封閉式的滾輪式設(shè)計(jì)很難做到。能完成大部分手術(shù)動作，就要求機(jī)器人的“手”要有靈巧的旋轉(zhuǎn)功能，模仿人手的“捻”和“轉(zhuǎn)”，但同時(shí)機(jī)器人的“手臂”可以進(jìn)行導(dǎo)軌式的前推和后拉，模擬人手臂的“進(jìn)”和“退”，動作之間要能靈活地重疊和轉(zhuǎn)換。而如果達(dá)到以上要求，就能完成各類血管腔內(nèi)介入手術(shù)的通用化要求，因?yàn)楦黝愂中g(shù)的動作及器具有其相通性[3]。

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上海長海醫(yī)院陸清聲團(tuán)隊(duì)與上海交通大學(xué)王坤東團(tuán)隊(duì)聯(lián)合奧朋醫(yī)療研發(fā)團(tuán)隊(duì)，采用全新的開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)一款通用型血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人。機(jī)械手采用V型抓手夾持替代摩擦輪擠壓，抓手張開時(shí)，可沿夾持孔引入各種類型的導(dǎo)絲、導(dǎo)管、鞘、球囊及支架輸送系統(tǒng)等，抓手夾持時(shí)，能夠提供足夠的夾持力，把持各類血管腔內(nèi)介入器具。機(jī)械手可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，模擬人手的旋轉(zhuǎn)，并且可以沿導(dǎo)軌執(zhí)行前進(jìn)與后退動作。系統(tǒng)采用十二自由度多機(jī)械臂協(xié)同技術(shù)方案，能夠模擬主刀及助手的操作，相對于單機(jī)械臂血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更穩(wěn)定、更復(fù)雜的操作。采用懸掛式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)部件可以通過拆卸、組裝便于在DSA手術(shù)室使用，空間占用率較低，使得應(yīng)用更加靈活、機(jī)動[18]。

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在陸清聲、王坤東教授帶領(lǐng)下，奧朋醫(yī)療積極促進(jìn)多項(xiàng)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。2020年間，血管介入用變通道和順位的操作機(jī)械手及手術(shù)機(jī)器人、血管介入用電磁阻尼旋進(jìn)力反饋操作手柄等多項(xiàng)專利獲得國家授權(quán)。

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人未來的發(fā)展方向

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要適應(yīng)商品化的血管腔內(nèi)器具，同時(shí)，血管腔內(nèi)器具的再開發(fā)也要適應(yīng)機(jī)器人的特性。目前，所有商品化的血管腔內(nèi)器具都是按人手操作而設(shè)計(jì)，尤其是支架的釋放手柄。隨著血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人研發(fā)的進(jìn)步和臨床應(yīng)用的開展，適合機(jī)器人釋放的手柄也會應(yīng)運(yùn)而生，兩者的趨近會使操作更為合理。

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人手在操作導(dǎo)絲、導(dǎo)管等前進(jìn)與后退時(shí)，可以感受到阻力，這會幫助手術(shù)者判斷病變性質(zhì)或問題所在，這就是所謂的“手感”。在血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)中，要通過“力反饋”來獲得這種“手感”[3]，這有助于操作的敏感性和手術(shù)的安全性。

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)的操作動作具有一定的規(guī)律和重復(fù)性，如導(dǎo)絲的前進(jìn)是通過抓持、前進(jìn)、松開、后退、再抓持等反復(fù)進(jìn)行。這使機(jī)器人在程序編輯后進(jìn)行半自動操作成為可能。

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血管腔內(nèi)介入手術(shù)的操作是基于屏幕上的視覺反饋，包括X線透視下的導(dǎo)絲、導(dǎo)管的運(yùn)行軌跡，造影顯示的血管圖像，術(shù)前CT的血管圖像等。影像識別、影像分解與融合、影像跟蹤等技術(shù)可以有效應(yīng)用這些視覺信息，并與手術(shù)規(guī)劃及機(jī)器人的動作編程相結(jié)合，可以達(dá)到一定導(dǎo)航功能。

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雖然基于具有自我學(xué)習(xí)能力的人工智能距離實(shí)際手術(shù)應(yīng)用為時(shí)尚早，但在導(dǎo)航與半自動化的基礎(chǔ)上，血管腔內(nèi)介入機(jī)器人的不斷完善給完全自動化完成血管介入手術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

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總之，臨床對血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人的需求十分迫切，血管腔內(nèi)介入手術(shù)量的增長十分迅速，血管腔內(nèi)介入手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用前景十分廣泛。未來，相信我國的研發(fā)團(tuán)隊(duì)能有所突破，滿足臨床需要。奧朋醫(yī)療也會在發(fā)展過程中會不斷攻堅(jiān)克難，為心血管介入手術(shù)貢獻(xiàn)智慧。

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參考文獻(xiàn)（略）