血管介入机器人系统的手术评估

刘达 倪自强

血管介入机器人系统的手术评估

刘达 倪自强

目的评估血管介入机器人手术的可行性。方法选择20只成年雄性杂犬，开展左侧肾动脉和左侧椎动脉血管介入手术，对机器人手术系统的重要参数和指标进行记录、分析和评估。结果左侧肾动脉与左侧椎动脉造影均成功进行。整个实验过程用时30~60 min，平均（35±4）min，操作者未暴露在X射线下，整个实验过程安全可靠。结论血管介入机器人系统可有效辅助完成介入手术，达到了设计目的。

血管介入手术机器人系统评估

血管介入手术已被应用到多种外科手术中，如心血管外科、神经外科、妇产科、肿瘤科、血管外科、耳鼻喉科等[1]。但是，血管介入手术也存在明显弊端：①操作者在X射线环境下工作，长期操作对身体伤害很大；②现有手术方法技巧性强，风险性高，专科医生手术培训时间长，限制了这项技术的广泛应用；③由于操作复杂、手术时间长，疲劳和人手操作不稳定等因素会直接影响手术质量，进而影响患者生存质量。上述缺点限制了血管介入手术的广泛应用。机器人技术与血管介入技术有机结合是解决上述问题的重要途径[2-4]，机器人操纵手术器械的优点很多，如可以按照医疗图像精确定位，可以没有颤抖地执行持续动作，可以在X射线环境下工作，可以快速、准确地通过复杂的轨迹重新定位。

本研究将机器人技术引入血管介入手术，通过动物实验来验证血管介入机器人手术的流程、安全性、可行性等，为进一步临床应用提供依据和参考。

1 材料和方法

1.1 脑血管介入手术机器人系统

脑血管介入机器人系统由图像导航系统、主端控制器（图1）、从端推进机构（图2）组成。图像导航系统完成血管的三维重建、术中血管的2D/3D配准、C形臂图像的校准、导航路径的规划和模拟、推进机构与主端控制器运动状态的实时监控等。主端控制器为六自由度的力觉交互设备，能输出三维空间下角度、位移信息。从端推进机构通过对导管的给进和旋转控制实现手术过程中对导管的路径控制。

1.2 体外预实验

玻璃血管模型试验：为验证机器人机构的运动功能，在完成整机设计的情况下，完成了动物实验前的预实验，包括：机器人自动控制导管在玻璃血管内的实验，脑血管介入机器人与导管手术室的环境融合。

图2 从端推进机构Fig.2Slave feed mechanism

1.3 动物实验

成年健康雄性杂种犬20只，体质量16～20 Kg（北京大学医学部动物实验中心），室温（20±2）℃，自然光线，自由饮水和进食。予氯胺酮和速眠新肌肉注射，麻醉后固定于平板上；右侧股部备皮，消毒后于右侧股部动脉搏动最明显处，切开皮肤与皮下组织，显露右侧股动脉，人工用Sedinger法将4～5 F鞘插入实验犬股动脉内，引入脑血管介入机器人机构推进系统，固定造影管，用机械臂固定机械推进系统并调整好位置，同时连接高压注射器和肝素盐水滴注系统。

左肾动脉造影：操作者在透视下通过操纵杆操纵机构推进系统，控制造影管的运动，经过左右旋转和前后推进，及两种运动方式的组合，造影管经过股动脉后到达腹主动脉上端，左前斜30°和右前斜30°造影后进行腹主动脉与肾动脉的血管三维重建，确认左肾动脉开口方向位置及动脉走行后，在图像导航下将血管放入左肾动脉近端并行造影。

颅内血管造影检查：在透视下通过脑血管介入机器人机构控制器将造影管向前推进，经过左右旋转和前后推进，及两种运动方式的组合，经过股动脉、腹主动脉、胸主动脉、降主动脉后到达升主动脉并行左前斜30°和右前斜30°造影，进行主动脉弓的血管三维重建，确认左侧椎动脉开口及动脉走行后，在图像导航下将血管放入左侧椎动脉近端并行造影。

2 实验结果

定位机器人末端承重能力4 Kg，导管推进机构重量2 Kg，空间灵活度大，导管轴向进给的允许误差不超过l%，周向能够实现±1 080°旋转。同时利用两张投影图像完成血管三维图像重建，实现术中二维图像和术前三维图像配准，C形臂图像校正精度在0.5 mm以内。

玻璃血管模型预实验顺利进行，操作者通过机器人操控导管可流畅、快速、选择性地到达各个模拟血管分支。操作杆与推进系统在实施过程中没有出现延迟和失控等现象，定位误差＜1 mm。

动物实验过程均顺利，机器人可操控多种型号的造影管完成手术，左侧肾动脉（图3）与左侧椎动脉（图4）造影均成功进行。实验用时30～60 min，平均（35±4）min，操作者未暴露在X射线下，除血管鞘导入股动脉操作需操作者参与外，其他手术操作均由操作者控制机器人完成，实验过程安全可靠。术后l～2 h，实验犬恢复正常活动，无手术并发症。

图3 左侧肾动脉造影Fig.3Left renal arteriography

图4 左侧椎动脉造影Fig.4Left vertebral angiography

3 实验结论

通过动物实验，证实了机器人血管介入手术的安全性和可行性，为下一步临床应用和推广提供了重要的数据支持。

4 讨论

本实验中，血管介入机器人系统采用的机械结构，是具有冗余度的机器人新构型，同时引入的姿态调整机器人主要为机器人新构型提供一个平台，在较大范围上进行空间位置的定位。在满足上述任务工作空间要求的同时，提高机器人的刚度和灵活性，从而适合脑血管介入外科手术复杂操作的需求。在图像导航技术上，三维血管影像可多角度显示病变，国内外已展开了一些三维血管影像方法的研究，如螺旋CT血管造影（SCTA）、电子束CT血管造影、三维MRA、三维B超、旋转DSA和3D重建等方法。本研究主要采用基于多角度DSA图像的三维血管重建，大多数2个角度就可达到目的，结合路图技术较好地实现了图像导航作用，提高了手术质量。

从整个系统上看，本系统基本上达到了减少操作者接受辐射的初步目的，同时通过操纵手可完全掌控导管运动，减少了人手震颤的影响，同时在图像导航加强的基础上方便了介入操作，缩短手术时间，为提高手术质量创下有利条件。

[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学机器人研究所。

刘达（E-mail：drliuda@buaa.edu.cn）。