血管介入手術力反饋導管設計與驗證

夏田，歐芳亮，孫姝彤

陜西科技大學機電工程學院 (陜西西安 710021)

根據世界衛生組織的報道，中國因心腦血管疾病死亡的人數每年高達300萬。由于心血管疾病患者日益增多，心血管介入手術得到了廣泛的臨床應用。經皮冠狀動脈介入是心內科最常見的心血管介入治療方法。目前涉及人工干預、人工操作等程序，弊端較多，主要包括：患者和臨床醫師長時間受X線輻射；精確控制導管近端較為困難[1]。將機器人技術應用到醫學領域產生的輔助導管導航系統，相比較于傳統的手動送導管有很大優勢。該導管導航系統可以提高系統穩定性和舒適型，消除醫師的生理性顫抖，且減少了醫師受到的輻射[2-3]。不足之處，許多機器人導航系統都沒有力反饋系統。

目前，市場上商業化的導管遙控系統實現了更精確的導管控制，同時減小臨床醫師和患者暴露于X線的程度。Sensei實現了一個高自由度(DOF)機器人鉸接導管鞘，遠程導管操縱系統提供主/從控制平臺，常規導管被簡單地裝載和控制到該主/從控制平臺上[4]。然而，在Sensei系統中，機器人導管鞘比普通導管更堅硬，可能導致血管組織穿孔或損傷。

綜上，為了實現手術過程中的力感知，使醫師更好地在手術中操作導管，我們設計了能檢測手術中導管與血管壁接觸力的力反饋導管。

1 血管介入機器人控制系統設計

1.1 控制系統平臺搭建

本系統采用PC機和電機控制器實現人機交互功能、電機控制和相關數據處理、顯示與保存。本項目選用的是以色列的ELMO公司的產品，用于電機控制的產品：驅動器和控制器，控制器的型號是Gold Maestro，驅動器的型號G-Solo Whistle。

控制器的連接口有：EtnerCAT、CAN和USB。EtherCAT(以太網控制自動化技術)是一個開放架構，以以太網為基礎的現場總線系統，其特點應用廣泛、通信效率高，所以控制器和PC數據傳輸選用EtnerCAT。本系統需要實現三個動作：推送、加緊和旋轉。這三個動作的執行元件都選用瑞士Maxon公司生產的電機，本實驗采用帶有霍爾傳感器和MR光電編碼的電機，電機型號分別是RE-25、EC-16、EC-max-16。電機本身的輸出轉速過高，選擇行星輪減速器。上位機PC采用的是DELL的Optiplex 7040主機。硬件平臺如圖1所示。

圖1 硬件平臺

1.2 系統軟件設計

本系統軟件要實現數據采集、發送、讀取和保存，還要實現實時監控。我們采用C++編程語言在Visual Studio 2013(VS2013)中編寫控制程序，使用其中的MFC模塊中編寫監控界面軟件，實現對電機參數的設置，而且電機運動過中能監控電機的運動速度和移動距離。主程序流程圖，如圖2所示。

1.3 力反饋導管設計

文獻[5]采用了兩個應變片來測量導管與血管壁的接觸力，這個設計不能完全測量導管頭部與血管的接觸力，只能測量某一位置的接觸力。為了準確測量導管頭部和血管壁的接觸力，我們設計了力反饋導管，如圖3所示，通過測量導管頭部的變形量來測量這個接觸力。為了測量這一小段變形，我們選擇應變片測量導管的變形，通過測量應變片的變形量獲得導管的變形，從而計算導管與血管壁接觸力的大小，并把數據繪制圖形，預測接觸力的變化趨勢，給醫師精準操作導絲/導管提供理論依據。

圖2 主程序流程圖

為了應變片能準確測量導管的變形，我們采用兩組應變片，每組應變片兩個，兩個應變片采用半橋的接線方法。通過測量應變片的電阻變化，測量導管的變形量。我們選用的測量儀器是一洋應變測試儀，型號是YSV8310。

四個應變片的黏貼位置是導管周圍的四個方向，如圖4所示，應變片的四個方位的位置情況。圖5所示，應變片的前后位置。當導管和血管壁的接觸在如圖4所示的a、b、c、d四個位置中的任意一個位置時，有兩組應變片工作，除這四個位置的任何位置兩組應變片都參與工作，這樣任何位置都能準確測量導管的應變。

圖4 導管的主視圖示意圖

2 力反饋導管的驗證

為了驗證力反饋導管的性能，我們設計了如圖6所示的實驗平臺。實驗平臺由DELL的Optiplex 7040主機、聯想的顯示器、血管介入機器人、力反饋導管和靜態應變儀測試裝置組成。這個平臺可操作機器人以恒定速度運行，并檢測速度和導管頭部的力變化，并保存數據。

為了能更準確地反映導管與血管壁接觸時產生的接觸力大小，實驗采用人體血管仿真模型。獲得人體血管數據，制作了人體血管模型。為了制作容易，將血管按比例縮放，制作的血管體模如圖7所示。體模有三個與外界相通的接口。

圖6 實驗平臺

本實驗設計為二組。一組實驗，為了排除外界環境對檢測的影響，在空氣中推力反饋導管。結果表明，數據基本穩定，說明受環境的影響不大。圖8所示是空氣中推進實驗所得數據中的一組數據繪制的曲線。另外一組實驗，從體模的一個血管路徑推進力反饋導管。實驗以恒定速度向前推進，使得導管通過血管拐彎的地方，程序將獲得的力信號檢測并保存。將實驗數據進行處理并繪制其圖像。結果表明，力反饋導管在血管任何彎曲的地方都能檢測到力的變化，并且能準確反映大小。圖9所示是體膜推進實驗所得數據的中一組數據繪制的曲線。

1、2是靠近頭部位置的傳感器，3、4是遠離頭部位置的傳感器

1、2是靠近頭部位置的傳感器，3、4是遠離頭部位置的傳感器

3 結論

在機構的基礎上，完成了血管介入機器人控制系統的軟硬件設計，實驗結果表明，我們設計的力反饋導管可以很好地反饋導管和血管壁接觸時接觸力的大小，為血管介入機器人的準確操控提供了有利的幫助和預警；同時，力反饋導管和監控系統也為醫師提供了更加準確的操控。該設計為遙操作血管介入手術提供了力反饋的基礎，使得醫師遠程操作介入手術時具有臨場感，提高了遠程手術操作的成功率。