機器人輔助導管插入系統(tǒng)技術(shù)進展

【作者】陳大國，沈杰 ，言勇華

1 上海交通大學機器人研究所，上海，200240

2 解放軍第四五五醫(yī)院，上海，200052

近年來，微創(chuàng)手術(shù)（Minimally Invasive Surgery，MIS）由于其手術(shù)操作相對簡單、傷口小、患者痛苦小、術(shù)后恢復快和風險較小的特點迅速為醫(yī)生、病人所接受。微創(chuàng)手術(shù)有一種重要的應(yīng)用，用針頭在皮膚（一般為股動脈處）上穿刺后，將導絲插入血管，在圖像引導下進給到指定位置，再將導管沿導絲送入，接著抽出導絲。這個過程稱為導管插入（簡稱插管），其中最重要的步驟為將導絲在圖像引導下進給到指定位置。插管操作有多種用途，如肝癌的微創(chuàng)療法——經(jīng)導管肝動脈化療栓塞（Transcatheter Arterial ChemoEmbolization , TACE），是將導管送至肝臟癌變部位的血管附近，再將化療藥物或栓塞劑通過導管內(nèi)腔送到病灶附近。目前實施方法是醫(yī)生在圖像引導下手動操作，但這種操作主要有以下幾個不足：

(1) 插管操作過程中需要X射線成像，使術(shù)者受到輻射的危害；

(2) 插管操作過程中沒有導管三維位置信息，僅憑術(shù)者的經(jīng)驗和解剖學知識，操作是試探性的，使手術(shù)時間較長，輻射累積傷害較大；

(3) 人工插管操作準確度低，有時很難或無法將導管精確定位到病灶，使得治療效果欠佳。

機器人輔助插管系統(tǒng)能較好地解決這些問題。利用遠程操作技術(shù)并加入力檢測與力反饋裝置，可實現(xiàn)術(shù)者在手術(shù)室外或更遠距離對手術(shù)室內(nèi)的執(zhí)行裝置進行控制，并仍能感受力的信息。同時，也能縮短手術(shù)時間，減少術(shù)者和病人的輻射劑量。利用虛擬/增強現(xiàn)實技術(shù)將術(shù)前的病灶三維模型和術(shù)中的二維圖像進行圖像匹配、融合，提供三維圖像導航信息給術(shù)者，使其操作更加精確。此外，利用機械執(zhí)行裝置的高精度復現(xiàn)術(shù)者的操作，將導管準確送到病灶處，可改善療效。機器人輔助插管系統(tǒng)根據(jù)導管的不同而有較大的差別，分為主動和被動兩類。主動導管頭部有附加自由度，且一般直徑較大而中空，可輸送液體，多采用復雜的控制系統(tǒng)[1,2]。被動導管由導絲和套管組成，僅能從末端控制。當前國內(nèi)醫(yī)院進行此類手術(shù)時多采用被動導管，故本文僅討論后者。

目前對于機器人輔助插管系統(tǒng)尚無普遍認可的定義，但至少包含以下內(nèi)容：一個主從控制的或自動控制的機電裝置，在兩維或三維圖像的引導下，以較高精度將導管送至指定的位置，在這過程中能實時反饋導管的位置以及導管所受的力。

1 系統(tǒng)組成

根據(jù)前面的定義，一個典型的機器人輔助插管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure

它至少應(yīng)當包括以下部分：(1)導絲進給、檢測裝置；(2)力反饋裝置；(3)成像設(shè)備及圖像處理裝置；(4)監(jiān)控及顯示設(shè)備；(5)計算機。

系統(tǒng)分為放射室內(nèi)和放射室外兩部分，使用網(wǎng)絡(luò)進行通信。放射室內(nèi)布置了成像、監(jiān)控設(shè)備及導絲進給和檢測裝置，從控計算機起總體控制作用；放射室外布置了顯示設(shè)備和導絲檢測裝置，主控計算機進行統(tǒng)籌。前面三部分將在后面詳細討論，監(jiān)控設(shè)備用于醫(yī)生在手術(shù)過程中保證患者安全，包括視頻監(jiān)控、記錄心跳、血壓等參數(shù)的裝置；計算機用于處理檢測數(shù)據(jù)，進行圖像處理，控制進給裝置等。

2 監(jiān)控的檢測與顯示

2.1 導絲進給、檢測

導絲要能在分支復雜、形狀多變的血管里運動，至少需要兩個自由度：沿血管進退以進入、退出血管，繞自身旋轉(zhuǎn)以在分支處找準要進入的血管。

導絲的頭部是彎曲的，進入分支血管的方式，是轉(zhuǎn)動導絲使導絲頭部彎曲方向?qū)誓繕搜?，再將導絲往前送，這兩個自由度通常由同一個裝置實現(xiàn)。進退運動的實現(xiàn)的基本方式是利用摩擦力，用電機驅(qū)動滾輪使導絲運動。Ikuta等人提出了多種驅(qū)動方式，如摩擦輪驅(qū)動[3]，差動齒輪驅(qū)動[4]和無干涉球型驅(qū)動[5]等。不過，它們與所有利用滾動摩擦的機構(gòu)一樣，有一個共同的缺點：當接觸表面摩擦系數(shù)下降時，會產(chǎn)生打滑。F.Arai與T.Fukuda等人提出了一種稱為線性步進機構(gòu)（Linear Stepping Mechanism）的裝置，它的原理與自動鉛筆相似[6]。這種機構(gòu)利用鎖死來改善摩擦力的影響，但也有其固有的缺陷，它推進導絲的速度較慢，并且步進的距離是固定的，不能準確到達指定位置。旋轉(zhuǎn)運動一般由將實現(xiàn)進退運動的機構(gòu)進行繞其軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，或者反過來將實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)整體做成可沿軸線運動的形式。這兩種結(jié)構(gòu)體積較大，在實際應(yīng)用中價值不大。

實現(xiàn)遠程操作需要檢測主動端（術(shù)者操作部分）的導絲的旋轉(zhuǎn)、進退量。在從動端（病人受控部分）進行閉環(huán)控制時，也需要檢測實際的運動量。當前用來檢測導絲運動量的手段主要為編碼器。Y.Thakur等人提出的系統(tǒng)中使用編碼器來檢測線性和旋轉(zhuǎn)兩個運動量，最小分辨率分別為0.02 mm和0.18°[7]。在后續(xù)研究中，將會使用光學傳感器作為檢測運動量的手段，可大大減小檢測機構(gòu)的體積和復雜程度。

2.2 力反饋

由于血管形狀的復雜性和血液的粘性等原因，導絲在血管內(nèi)運動時會受到阻力。這些阻力主要有1）導絲頭部與血管壁的接觸力，2）導絲在整個長度上與血管壁的摩擦力， 3）血液對導絲的粘性阻力等。檢測這些力并提供給術(shù)者，不僅可以幫助操作者判斷導絲的位置和狀態(tài)，決定下一步是前進、后退還是旋轉(zhuǎn)，更重要的是限制了力的大小，保護病人不受傷害。

前面提到的三種力中，其中力3）相對前兩種力很小，此處不作討論。而當力1）出現(xiàn)時，導絲頭部與血管相抵觸使其暫時卡住，當阻力突然消失時會造成導絲前沖，有可能損傷血管。力2）是正常情況下導絲前進需要克服的阻力。力1）和力2）都通過導絲傳遞到操作者的手上，操作者無法區(qū)分它們，因此有必要分別檢測這兩種力。關(guān)于觸覺傳感器的布置形式，有附加在導絲上和安裝在夾持導絲的手腕上兩種。J.Jayender 等人曾報道過，在他們使用的7自由度東芝機器人的手腕上安裝6維力/力矩傳感器，檢測插絲過程中力和力矩[8]。

安裝在導絲上的力傳感器，根據(jù)所應(yīng)用的物理原理，大致分為壓電效應(yīng)[9]、應(yīng)力應(yīng)變[10]和光學原理[11]三種。壓電效應(yīng)中使用最多的材料是聚偏氟乙烯（PVDF），基本原理是PVDF受到載荷時（壓力）,薄膜的兩側(cè)積聚電荷形成電壓，電壓與壓力大小有關(guān)。在制作完成傳感器并標定后，測量的電壓即可知壓力[12]。導絲上的傳感器，包括頭部的傳感器和導絲壁的感器，檢測力時都不需要準確獲得力的方向。這一方面是因為根據(jù)經(jīng)驗，在插絲操作中導絲的運動并不能準確地響應(yīng)醫(yī)生的操作，只要知道阻力的存在及其大小，就能判斷下一步該執(zhí)行什么樣的操作（旋轉(zhuǎn)，進退）；另一方面，由于血管的復雜性和柔性，要測量力的方向也比較復雜。

2.3 成像及圖像處理

傳統(tǒng)的開放式手術(shù)操作者可看到手術(shù)區(qū)域，可做到相當程度的手眼協(xié)調(diào)。而在微創(chuàng)手術(shù)中，操作者通?？床坏绞中g(shù)區(qū)域或視野比較狹窄，因此必須借助于其他方法。目前，常用醫(yī)學成像方法用作圖像導航手段，如超聲波、X射線（包括計算機斷層掃描CT，數(shù)字減影血管造影DSA等）及MRI等[13]。

超聲波（Ultrasound）成像是靠人體組織彈性和密度的不同對超聲波的反射也不同原理成像的，對病人的損傷小，比較安全，常用于心臟、腹部成像[14,15]。X射線成像的原理是人體不同組織對X射線的吸收不同，常用于檢測腫瘤。數(shù)字減影血管造影（Digital Subtraction Angiography, DSA）是往目標區(qū)域的血管里注入造影劑，將造影前后的圖像相減，可得到清晰的二維血管圖像，是經(jīng)血管栓塞、化療的重要手段[16]；磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）是通過探測人體組織的原子與電磁波的共振幅度獲得組織的信息的，常用于檢查腦腫瘤、關(guān)節(jié)病變等。磁共振成像用于微創(chuàng)介入手術(shù)具有安全和病人損傷小等特點，不過由于鐵磁性物體會對成像效果有很大影響，微創(chuàng)介入器械必須由非鐵磁性材料制成[17]。在實際的微創(chuàng)介入手術(shù)中，經(jīng)常使用多種成像手段，用信息融合加以處理以獲得更好的效果，如R.Fahrig等人報道用X射線/MR混合成像，作為介入手術(shù)導航方法[18]。

在微創(chuàng)介入手術(shù)中，為獲得導管/導絲頭部的環(huán)境情況，發(fā)展了多種特殊的圖像導航方法。例如，在治療心房顫動消融（Atrial Fibrillation Ablation）中，M.P.Fronheiser等人提出了在電消融導管頭頂部及四周安裝小型超聲波傳送陣列，探測心房內(nèi)部空間[19]；在C.Pappone等人報道了Stereotaxis公司的Niobe系統(tǒng)，采用磁場來控制導管頭，因而也可以得到導管頭的準確位置信息。不過，他們?nèi)孕枰褂肅T或MRI技術(shù)獲得體內(nèi)組織的信息，才能獲得導管相對人體的位置[20]。

在微創(chuàng)手術(shù)的圖像導航中，如果使用普通的CT、DSA或超聲波成像，只能得到治療區(qū)域的二維圖像，深度信息的丟失會降低手術(shù)的準確率，延長手術(shù)時間。目前的解決方案大致有兩種。一種是使用可獲得三維圖像的成像技術(shù)，如三維超聲波成像，雖然實時性較好，但其空間分辨率低，不適合用于精細操作[21]；又如螺旋CT和MRI，雖然能得到高質(zhì)量的三維圖像，但數(shù)據(jù)處理花費的時間較長，不適合實時性要求較高的圖像導航。另一種方法是術(shù)前通過螺旋CT或MRI，獲得手術(shù)區(qū)域的高分辨率的三維圖像，又在手術(shù)過程中，通過DSA或X射線機獲得實時高分辨率二維圖像，然后通過圖像配準等方法得到手術(shù)器械在體內(nèi)的位置。這種方法涉及二、三維圖像匹配、圖像融合及虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是當前研究的熱點[22,23]。

3 插管系統(tǒng)介紹

目前已比較成熟的插管系統(tǒng)多為主動導管系統(tǒng)。Hansen Medical公司的產(chǎn)品Sensei控制臺和Artisan插管裝置，醫(yī)生操作布置在手術(shù)室外，其控制臺上有三維操縱桿，控制臺的屏幕可顯示實時的X射線和超聲波圖像，并通過3D可視化模塊Cohesion實時顯示心臟及導管的三維圖像[24]；插管裝置在手術(shù)室內(nèi)，控制SMA主動導管執(zhí)行動作。Stereotaxis公司的Niobe系統(tǒng)，由布置在手術(shù)臺兩側(cè)的位于保護罩內(nèi)的可俯仰、旋轉(zhuǎn)運動的強永磁體，在手術(shù)室外的遠程控制、顯示臺，以及布置在手術(shù)臺一側(cè)的插管機構(gòu)組成。它的頭部帶有磁環(huán)的專用導管，通過旋轉(zhuǎn)、俯仰永磁體來控制方向，由導輪控制進或退[25]。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學對主動導管使用的形狀記憶合金(SMA)[26]和機器人輔助穿刺等[27]，也有研究的報道。此外，清華大學、北京航空航天大學等高校在微創(chuàng)機器人上也有相關(guān)的研究。

圖2 插管機構(gòu)Fig.2 Device for insert catheter

被動導管系統(tǒng)相對主動導管系統(tǒng)來說比較少，發(fā)展也欠成熟。Corindus公司的CorPath系統(tǒng)，由安裝在手術(shù)臺旁邊的插絲機構(gòu)（圖2）和布置在與手術(shù)臺不遠處的有較好防護的控制臺組成。它的插絲機構(gòu)在控制臺上的操縱桿的控制下，實現(xiàn)與人工插管類似的前進、后退或旋轉(zhuǎn)操作。使用操縱桿可實現(xiàn)連續(xù)運動，在距離目標點較遠時使用；點按控制臺的觸摸屏上的按鈕，可實現(xiàn)微小的步進運動，用于目標點附近的微調(diào)[28]。

Y.Thakur等人提出了一種與現(xiàn)有的插管手術(shù)類似的系統(tǒng)[7]、[29]。該系統(tǒng)有一個稱為導管傳感器（Catheter Sensor）的裝置，用來檢測術(shù)者對導管的旋轉(zhuǎn)、進退操作；另外有一個導管操縱(Catheter Manipulator)的裝置，可復現(xiàn)導管傳感器檢測到的動作(圖3)。這個系統(tǒng)的特點是不需要特殊的導管，操作方式與當前常用的手動操作導管相似，可以充分利用介入醫(yī)生的熟練技術(shù)。該裝置也可以作為訓練工具培養(yǎng)新醫(yī)生。當前國內(nèi)進行此類介入手術(shù)的醫(yī)院多采用此種方法，不過該系統(tǒng)并沒有提供力反饋。Y.Thakur認為導管的柔性變形會將力儲存起來，不會造成破壞性影響。但是在不知道導管的彎曲情況下能感受到阻力，會讓介入醫(yī)生操作更加謹慎，如放慢速度，操作導管旋轉(zhuǎn)、后退等。這些都是當前醫(yī)生所具有的經(jīng)驗，不應(yīng)當拋棄。

圖3 導管傳感器與導管操縱器Fig.3 Catheter Sensor and Catheter Manipulator

4 結(jié)論

微創(chuàng)介入手術(shù)由于其多種優(yōu)點迅速被人們所接受，但手動進行介入手術(shù)有效率低、對操作者有損傷等缺點，而且隨著手術(shù)例數(shù)的增多，介入操作者的輻射累積損傷較為嚴重，限制了微創(chuàng)介入手術(shù)的發(fā)展。利用機器人輔助插管，在解決一系列關(guān)鍵技術(shù)后，可以提高手術(shù)效率，降低輻射損傷，具有光明的前景。

機器人輔助插管系統(tǒng)的發(fā)展方向，主要有以下幾個方面：

(1) 三維圖像導航軟件。提供基于虛擬/增強現(xiàn)實的術(shù)前規(guī)劃、術(shù)中導航的圖形用戶接口（GUI），實現(xiàn)多種成像設(shè)備的支持，使得醫(yī)院在使用機器人輔助插管裝置時可利用已有的設(shè)備。

(2) 插管機構(gòu)的小型化、模塊化。應(yīng)當巧妙設(shè)計機械、電氣結(jié)構(gòu)，使得裝置便于安裝、拆卸以及消毒等。

(3) 插管的智能化、自動化、遠程化。解決手術(shù)的自動規(guī)劃、過程控制的時延以及設(shè)備的可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，提高治療效率。遠程醫(yī)療和實現(xiàn)插管自動化將使醫(yī)療資源讓更多的人受惠。

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