触感式心血管介入术机器人系统
作者：李谟然齐鹏
背景介绍
心血管介入手术是从周围血管插入导管、送至心脏及大血管各处的技术，来实现临床电生理检查以及某些心脏疾病（如动脉粥样硬化，循环系统血液栓塞等）的微创手术的治疗措施。
在手术中，导管的插入和运送一直是无数心内科医生难以避免的难题。人体血管走行路径的复杂曲折难以想象且个体差异广泛存在，传统临床导管在血管中的传送过程以及心脏病灶点的治疗操作上又都需要医生在眼手不能直接配合的模式下进行操作，从而心内介入插管的效率及其低下，而且一旦疏忽一丝一毫，就容易导致误操作：刺穿血管或者损伤心脏组织。后果及其严重。虽然经验丰富的医生则有凭借“手感”操作的经验技巧，但经验的学习和锻炼需要技术人员大量的练习时间和资金投入，且收效甚微，根本无法大规模应用。
另外，在手术中，医生将会长时间暴露在辐射环境中，危害医务人员健康。并且血管造影的X射线2D图像对血管组织的分辨率欠佳，也缺乏3D信息，对医生的判断造成影响。
医疗机器人技术是医学与工程技术发展相结合的产物。同济大学电信学院控制科学与工程系齐鹏老师团队在交叉学科研究中，融合临床医学与现代机器人技术，探索智能化手术操作变革所做出的的努力，这项工作将进一步促进医/工基础研究的交叉融合。
系统组成
为了解决上述心血管介入手术中的导管导航和运送问题，我们设计了以下几个模块共同组成了我们的体感式心血管介入手术机器人系统。
（一）手持操作系统
我们采用了传统手术介入的导管操作手柄的大致形态而对内部传感装置进行了个性化的设计，更加有利于将导管前段的触觉信息传导到手柄上，方便手术操作、符合医生传统手术习惯。
（二）触觉传感反馈系统
我们除了通过对导管的个性化设计，采用多线牵引方式以配合手持导管系统的自由操作外，还集成了自主研发的光纤传感器，通过信息融合数字化重建导管形态、扭转以及各点受力情况。
（三）3D可视化血管内视野AR模块
我们通过使用智能眼镜作为显示载体，将增强现实技术应用于心血管介入手术操作中，给医生提供一个将现实和虚拟结合的新视角。我们将血管内视野采集后传输到智能眼镜设备中，在医生进行介入手术操作时，通过头戴式智能眼镜将血管的信息与面前的不可视的导管传送通道结合起来以辅助手术（如图）。同时，前面提到的触觉认知结果（导管形变与受力情况，血管结构）将在医生手动传输过程中通过智能眼镜提供给医生作为参考。
上图文献出处：JannickP.RollandandHenryFuchs,“OpticalVersusVideoSee-ThroughHead-MountedDisplaysinMedicalVisualization”,Presence:TeleoperatorsandVirtualEnvironments9.3():-.
（四）基于经验“手感”的手术学习模块
我们通过借助专家医生的手术操作经验，对机器人系统进行了机器学习层面的探索。基于触觉反馈和影像（手术中即为CT或者X光片），我们利用形变数学模型进行训练、学习，研究导管在模拟环境下手动传送过程中与血管相互接触时的应变模型（如图），来进行验证和应用，我们力图将经验数据化，将手感科学化。
产品的创新优势
1.将经验数据化，将手感科学化
任何经验都是人类自身无意识的数据归纳和总结的结果。心血管介入手术的手感经验也不例外。我们通过对导管前段的传感器设计与机器学习方法，提出形变数学模型来进行训练、学习，研究导管在模拟环境下手动传送过程中与血管相互接触时的应变模型，从而为心内介入人才的培养提供较完备的科学知识和软硬件基础。
2.将虚觉实感化，将术野临场化
不同于现在市场和研发领域的大多数心血管介入机器人系统，我们探索了通过对导管的个性化传感设计和实时模型分析，提出了导管的个性化设计方法，以及集成光纤传感器的基本形式。通过设计手柄的触觉交互界面，对系统集成进行探索研究。通过触觉和增强现实等方式弥补了主从操作模式的机器人系统所缺乏的临场感。
3.“机器是人类器官的延伸”
不同于现在国际上主流的主从操作模式，我们模仿了传统的导管手持操作模式，并加以改进创新。我们力图通过多感觉的传导，加强术者与导管的联系，增强手术的临场感和操作性。让人的能动性和机械的精准性相互紧密结合，让每个医生都能更好更自由地发挥个人的手术技艺，让手术器械也能圆满完成它治病救人的本职。
未来前景
1.更为安全的急性脑卒中的取栓手术
大脑血管复杂弯曲，分支多，变异大，传统造影图像过于抽象，导管插入运输困难。但通过我们体感式且多自由度牵引设计的导管机器人系统，可方便、安全、高效地到达梗死灶进行取栓操作。
2.更为便捷的动脉粥样硬化的支架搭建
通过我们多自由度的牵引设计导管，可便捷高效地操作导管通过体内血管到达狭窄动脉安放支架，减少手术时间，减少医生的辐射损伤。
3.更为精确的心血管操作手术
通过我们多自由度的牵引设计导管和触觉传导反馈系统和AR技术和影像的结合运用，冠状动脉造影术、PTCA+支架术、二尖瓣球囊扩张术、射频消融术、起搏器植入术、先天性心脏病介入治疗等心血管操作手术将变得更加精确，失误率将进一步下降。
编辑
郑昊
责编
王凯文