血管介入機器人系統的手術評估

劉達 倪自強

血管介入機器人系統的手術評估

劉達 倪自強

目的評估血管介入機器人手術的可行性。方法選擇20只成年雄性雜犬，開展左側腎動脈和左側椎動脈血管介入手術，對機器人手術系統的重要參數和指標進行記錄、分析和評估。結果左側腎動脈與左側椎動脈造影均成功進行。整個實驗過程用時30~60 min，平均（35±4）min，操作者未暴露在X射線下，整個實驗過程安全可靠。結論血管介入機器人系統可有效輔助完成介入手術，達到了設計目的。

血管介入手術機器人系統評估

血管介入手術已被應用到多種外科手術中，如心血管外科、神經外科、婦產科、腫瘤科、血管外科、耳鼻喉科等[1]。但是，血管介入手術也存在明顯弊端：①操作者在X射線環境下工作，長期操作對身體傷害很大；②現有手術方法技巧性強，風險性高，專科醫生手術培訓時間長，限制了這項技術的廣泛應用；③由于操作復雜、手術時間長，疲勞和人手操作不穩定等因素會直接影響手術質量，進而影響患者生存質量。上述缺點限制了血管介入手術的廣泛應用。機器人技術與血管介入技術有機結合是解決上述問題的重要途徑[2-4]，機器人操縱手術器械的優點很多，如可以按照醫療圖像精確定位，可以沒有顫抖地執行持續動作，可以在X射線環境下工作，可以快速、準確地通過復雜的軌跡重新定位。

本研究將機器人技術引入血管介入手術，通過動物實驗來驗證血管介入機器人手術的流程、安全性、可行性等，為進一步臨床應用提供依據和參考。

1 材料和方法

1.1 腦血管介入手術機器人系統

腦血管介入機器人系統由圖像導航系統、主端控制器（圖1）、從端推進機構（圖2）組成。圖像導航系統完成血管的三維重建、術中血管的2D/3D配準、C形臂圖像的校準、導航路徑的規劃和模擬、推進機構與主端控制器運動狀態的實時監控等。主端控制器為六自由度的力覺交互設備，能輸出三維空間下角度、位移信息。從端推進機構通過對導管的給進和旋轉控制實現手術過程中對導管的路徑控制。

1.2 體外預實驗

玻璃血管模型試驗：為驗證機器人機構的運動功能，在完成整機設計的情況下，完成了動物實驗前的預實驗，包括：機器人自動控制導管在玻璃血管內的實驗，腦血管介入機器人與導管手術室的環境融合。

圖2 從端推進機構Fig.2Slave feed mechanism

1.3 動物實驗

成年健康雄性雜種犬20只，體質量16～20 Kg（北京大學醫學部動物實驗中心），室溫（20±2）℃，自然光線，自由飲水和進食。予氯胺酮和速眠新肌肉注射，麻醉后固定于平板上；右側股部備皮，消毒后于右側股部動脈搏動最明顯處，切開皮膚與皮下組織，顯露右側股動脈，人工用Sedinger法將4～5 F鞘插入實驗犬股動脈內，引入腦血管介入機器人機構推進系統，固定造影管，用機械臂固定機械推進系統并調整好位置，同時連接高壓注射器和肝素鹽水滴注系統。

左腎動脈造影：操作者在透視下通過操縱桿操縱機構推進系統，控制造影管的運動，經過左右旋轉和前后推進，及兩種運動方式的組合，造影管經過股動脈后到達腹主動脈上端，左前斜30°和右前斜30°造影后進行腹主動脈與腎動脈的血管三維重建，確認左腎動脈開口方向位置及動脈走行后，在圖像導航下將血管放入左腎動脈近端并行造影。

顱內血管造影檢查：在透視下通過腦血管介入機器人機構控制器將造影管向前推進，經過左右旋轉和前后推進，及兩種運動方式的組合，經過股動脈、腹主動脈、胸主動脈、降主動脈后到達升主動脈并行左前斜30°和右前斜30°造影，進行主動脈弓的血管三維重建，確認左側椎動脈開口及動脈走行后，在圖像導航下將血管放入左側椎動脈近端并行造影。

2 實驗結果

定位機器人末端承重能力4 Kg，導管推進機構重量2 Kg，空間靈活度大，導管軸向進給的允許誤差不超過l%，周向能夠實現±1 080°旋轉。同時利用兩張投影圖像完成血管三維圖像重建，實現術中二維圖像和術前三維圖像配準，C形臂圖像校正精度在0.5 mm以內。

玻璃血管模型預實驗順利進行，操作者通過機器人操控導管可流暢、快速、選擇性地到達各個模擬血管分支。操作桿與推進系統在實施過程中沒有出現延遲和失控等現象，定位誤差＜1 mm。

動物實驗過程均順利，機器人可操控多種型號的造影管完成手術，左側腎動脈（圖3）與左側椎動脈（圖4）造影均成功進行。實驗用時30～60 min，平均（35±4）min，操作者未暴露在X射線下，除血管鞘導入股動脈操作需操作者參與外，其他手術操作均由操作者控制機器人完成，實驗過程安全可靠。術后l～2 h，實驗犬恢復正常活動，無手術并發癥。

圖3 左側腎動脈造影Fig.3Left renal arteriography

圖4 左側椎動脈造影Fig.4Left vertebral angiography

3 實驗結論

通過動物實驗，證實了機器人血管介入手術的安全性和可行性，為下一步臨床應用和推廣提供了重要的數據支持。

4 討論

本實驗中，血管介入機器人系統采用的機械結構，是具有冗余度的機器人新構型，同時引入的姿態調整機器人主要為機器人新構型提供一個平臺，在較大范圍上進行空間位置的定位。在滿足上述任務工作空間要求的同時，提高機器人的剛度和靈活性，從而適合腦血管介入外科手術復雜操作的需求。在圖像導航技術上，三維血管影像可多角度顯示病變，國內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2個角度就可達到目的，結合路圖技術較好地實現了圖像導航作用，提高了手術質量。

從整個系統上看，本系統基本上達到了減少操作者接受輻射的初步目的，同時通過操縱手可完全掌控導管運動，減少了人手震顫的影響，同時在圖像導航加強的基礎上方便了介入操作，縮短手術時間，為提高手術質量創下有利條件。

[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機器人研究所。

劉達（E-mail：drliuda@buaa.edu.cn）。