前言
血管資訊 vascular news
科技的飛速發展不停地引領著血管外科的技術創新，這其中血管腔內介入機器人無疑是近年來血管外科醫療器械中最具科技感的器械之一。為了更好地讓大家瞭解血管腔內介入手術機器人的發展歷程，血管資訊特別為大家帶來由
海軍軍醫大學附屬長海醫院血管外科科主任陸清聲教授
發表於《機器人外科學雜誌》的精彩內容，歡迎閱讀~
摘要
血管腔內介入手術機器人與手術機器人在操作器具和機械手方面存在顯著差異。血管腔內介入手術機器人的研究經歷了從使用專用血管腔內器具到商品化通用血管腔內器具的發展過程。只有可以應用更多商品化血管腔內器具，才能完成更多的手術程式，才能適用更多種類的血管腔內介入手術。未來的血管腔內介入手術機器人將具有一定的力反饋和視覺反饋功能，並具備半自動和導航功能。
血管腔內介入手術需要在X射線下進行操作，手術者必須穿戴鉛衣等防護裝置進行操作。長時間暴露於X射線下，必然會給手術者帶來損傷。因此，十分迫切需要血管腔內介入手術機器人來替代人操作。但是，血管腔內介入手術機器人與其它外科手術機器人相比十分特殊，研發難度大，其臨床應用落後於其它外科手術機器人［1，2］。
1
血管腔內介入手術機器人與外科手術機器人的異同
1. 操作器具的差異
：
以達芬奇手術機器人為代表的外科手術機器人主要用於腔鏡手術。其頭端的機械手主要為分離鉗、切割鉗、結紮鉗等，與機器人連為一體，種類相對較少。機器人在設計、研發中，機械臂與機械手整體研發。而血管腔內介入手術是透過手術者操控導絲、導管、球囊、支架等一系列血管腔內器具完成。手術治療範圍廣，包括心血管、腦血管、外周血管、主動脈、腫瘤血管等。治療用的導絲、導管、球囊、支架有成百上千種，粗細、長短、軟硬不一，如果只研發機器人專用的腔內器具，應用侷限性大。因此，血管腔內介入手術機器人必須研發能操控這些已經商品化的血管腔內器具，才能達到可以完成所有血管腔內手術步驟，並適用多種血管腔內介入手術的目標，才能符合臨床與市場需求［3］。
2. 機械手臂的差異
：
外科手術機器人在胸腔、腹腔、盆腔內操作，機械臂在前、後、左、右、上、下的空間中自由移動，設計時對機械臂的動作方向性及自由度要求高，機械關節多。而血管腔內介入手術機器人設計理念不同，它透過手術者操控機械手，由機械手操控不同粗細和長度1至3米的導絲、導管、球囊、支架在血管腔內前進、後退、旋轉。其動作的方向性相對簡單，但距離長［3，4］。因此，機械手臂中需要有“軌道”特性，並且能夠持控不同粗細的腔內器具。
2
血管腔內介入手術機器人發展歷史
1。 操控特殊血管腔內介入器具時代：最初的設計理念是機器人控制自帶的特殊血管腔內介入器具實施手術。
如1951年開始設想透過磁導航控制帶有磁性的特殊導絲導管進行運動，直到1991年才應用［5］。具有磁性頭端的特殊導絲和導管，可以產生可控制電磁場的大型裝置，透過磁場的變換來控制磁性導絲導管的前進、後退及方向變換［5］。但是其顯著缺點是：1。必須使用特殊導絲、導管，應用範圍侷限；2。只能進行對磁性特殊導絲導管的操作步驟，無法進行普通球囊、支架等各類腔內操作，完成度差，血管腔內介入手術的大部分操作仍然需要人手完成；3。 操作的力量和距離十分有限，成功率低；4。 對於環境設施的要求較高，裝置龐大，移動能力差。因此，雖然德國 Siemens公司與美國 Stereotaxis公司都進行了產品開發，但實際臨床使用者少。2005年Beyar等人開始使用NaviCath機器人系統在人體上進行導管介入消融治療［6］。隨後，Hansen Medical公司的Sensei X1系統開始用於冠脈介入及消融治療［7，8］。其設計原理均為電機械原理，即透過電動的機械手來操控頭端可彎曲的特製導管及導管鞘，透過牽拉操控其尾端並埋藏連線於導管或導管鞘四周的連線線，從而調控導管及鞘的彎曲方向。Sensei X2系統在Sensei X1系統的基礎上增加了視覺和觸覺力反饋，但需要特殊頭端裝置。Magellan系統在Sensei系統的基礎上，除應用於冠狀動脈外，更注重於輔助治療外周血管疾病，增加了導管的彎曲度，並且透過串聯式的夾持滾輪設計可以實現導絲導管的前進與後退動作［9］。但無論是Sensei X系列還是Magellan系統，都不能使用常規的腔內器具，必須使用為其特別開發的導管及導鞘，且只能完成導絲、導管動作。因此無法廣泛應用。
2。 操控商品化通用血管腔內介入器具時代：由於以上設計理念臨床應用的侷限性，為適應血管腔內介入手術的特點，開始研發機器人操控商品化的血管腔內器具實施手術。
Catheter Precision公司的Amigo系統於2012年透過FDA批准。Amigo系統的外套管可以把持內部的導管進行軌道式的前後移動及旋轉動作，從而使導管前進、後推及左右旋轉。由於採用了開放式設計，能夠使用部分粗細範圍的商品化導管，但無法進行釋放支架及完成更為複雜的血管腔內介入操作［10］。Corindus Vascular Robotics公司研發的CorPath機器人系統為目前經FDA批准的主要應用於冠脈，也可應用於外周動脈的開放式系統平臺。其原理是透過夾持導絲導管的滾輪進行前進與後退動作，同時滾輪本身的旋轉控制導絲導管的旋轉。能使用0。014導絲、快速交換球囊導管及球擴式支架導管，床旁操作部分安裝有單用操縱盒，其內即包含了滾輪，消毒後可以裝載導絲、導管、球囊等相關器具［11-13］。但是，以上兩種產品所使用的商品化血管腔內器械規格有限，不能使用鞘管、導引導管、自膨式支架輸送系統等。其完成的功能侷限於導絲、導管的前進後退以及小角度旋轉，不能完成複雜的血管腔內介入動作。不能同時完成一個以上的導絲、球囊導管或支架的操作，也無相應的力觸覺反饋機制。因此，實際臨床應用中對手術者的幫助有限。
國內亦於十餘年前開始了血管腔內介入手術機器人的研發，但部分研發團隊仍然是仿製與改良國外產品，目前距離臨床應用還較早。由於思路相同，因此會遇到相同的臨床應用瓶頸［14-17］。
3
血管腔內介入手術機器人研發新思路
能夠成功廣泛應用的血管腔內介入機器人必須具備以下要求：1。 適用於大多數已商品化的血管腔內介入器械；2。 能完成大部分手術動作，包括導絲、導管及導鞘的前進、後退、旋轉，球囊的前進、後退、收放，支架的輸送與釋放；3。 通用包括心血管、腦血管、外周血管、主動脈、腫瘤血管等各類血管腔內介入手術；4。 具備一定的力觸覺與視覺反饋功能；5。 部分動作的半自動化功能；6。 有一定的導航功能。而要具備以上功能，就必須在機器人的設計中進行創新，要打破原有設計思路和應用瓶頸［3］。
能適用於大多數已商品化的血管腔內介入器械，就要求機器人的“手”採用開放式設計，並模擬人手的夾持功能，其夾持範圍要從0。014“至24F，而原先封閉式的滾輪式設計很難做到。能完成大部分手術動作，就要求機器人的“手”要有靈巧的旋轉功能，模仿人手的“捻”和“轉”，但同時機器人的“手臂”可以進行導軌式的前推和後拉，模擬人手臂的“進”和“退”，動作之間要能靈活地重疊和轉換。而如果達到以上要求，就能完成各類血管腔內介入手術的通用化要求，因為各類手術的動作及器具有其相通性［3］。
上海長海醫院陸清聲團隊與上海交通大學王坤東團隊採用了全新的開放式結構設計，開發一款通用型血管腔內介入手術機器人。機械手採用V型抓手夾持替代摩擦輪擠壓，抓手張開時，可沿夾持孔引入各種型別的導絲、導管、鞘、球囊及支架輸送系統等，抓手夾持時，能夠提供足夠的夾持力，把持各類血管腔內介入器具。機械手可旋轉運動，模擬人手的旋轉，並且可以沿導軌執行前進與後退動作。系統採用十二自由度多機械臂協同技術方案，能夠模擬主刀及助手的操作，相對於單機械臂血管腔內介入手術機器人能夠實現更穩定、更復雜的操作。採用懸掛式結構設計，各個部件可以透過拆卸、組裝便於在DSA手術室使用，空間佔用率較低，使得應用更加靈活、機動［18］。
4
血管腔內介入手術機器人未來的發展方向
血管腔內介入手術機器人的設計要適應商品化的血管腔內器具，同時，血管腔內器具的再開發也要適應機器人的特性。目前，所有商品化的血管腔內器具都是按人手操作而設計，尤其是支架的釋放手柄。隨著血管腔內介入手術機器人研發的進步和臨床應用的開展，適合機器人釋放的手柄也會應運而生，兩者的趨近會使操作更為合理。
人手在操作導絲、導管等前進與後退時，可以感受到阻力，這會幫助手術者判斷病變性質或問題所在，這就是所謂的“手感”。在血管腔內介入手術機器人的研發中，要透過“力反饋”來獲得這種“手感”［3］，這有助於操作的敏感性和手術的安全性。
血管腔內介入手術的操作動作具有一定的規律和重複性，如導絲的前進是透過抓持、前進、鬆開、後退、再抓持等反覆進行。這使機器人在程式編輯後進行半自動操作成為可能。
血管腔內介入手術的操作是基於螢幕上的視覺反饋，包括X線透視下的導絲、導管的執行軌跡，造影顯示的血管影象，術前CT的血管影象等。影像識別、影像分解與融合、影像跟蹤等技術可以有效應用這些視覺資訊，並與手術規劃及機器人的動作程式設計相結合，可以達到一定導航功能。
雖然基於具有自我學習能力的人工智慧距離實際手術應用為時尚早，但在導航與半自動化的基礎上，血管腔內介入機器人的不斷完善給完全自動化完成血管介入手術奠定了基礎。
總之，臨床對血管腔內介入手術機器人的需求十分迫切，血管腔內介入手術量的增長十分迅速，血管腔內介入手術機器人的應用前景十分廣泛。相信我國的研發團隊能有所突破，滿足臨床需要。
專家簡介
陸清聲，醫學博士，教授，主任醫師， 博士生導師。現任長海醫院血管外科主任。
上海市醫學領軍人才，國際血管聯盟青年委員會主席，中國醫師協會腔內血管學專業委員會總幹事、常委，中國醫師協會血管外科分會青年委員會副主任委員，國際腔內血管專家協會委員，美國血管外科協會國際委員，國家自然科學基金評委，中國外科年鑑血管外科專業主編，介入放射雜誌（英文）副主編，臨床誤診誤治雜誌編委會委員，中國血管外科雜誌編委，中國介入影像與治療學雜誌編委。美國克利夫蘭醫院訪問學者。上海市青年科技啟明星，上海市浦江人才，獲個人三等功1次，集體二等功1次，獲首屆國之名醫“優秀風範獎”，獲中華人民共和國成立70週年紀念章。
從事臨床一線工作20餘年，以血管外科為專業，以主動脈疾病的診治、VTE防治、血管腔內介入機器人研發應用為專業方向。擅長複雜主動脈瘤及主動脈夾層的微創腔內治療，開展下肢深靜脈血栓、下肢動脈、頸動脈疾病及其它複雜性血管疾病診治。
第一申請人承擔國家自然科學基金4項，國家重點研發計劃科技創新重大專案1項，負責實施國家“863”“十一五”專題專案1項。第一或通訊作者發表SCI論著45篇，總影響因子156。5，包括第一作者發表於JACC及Circulation雜誌。發表中文論著268篇。主編專著7部，參編專著16部。獲國家科技進步二等獎，中華醫學科技一等獎，中華外科青年學者獎，吳孟超醫學青年基金獎，中國國際專利與名牌博覽會金獎、教育部科技進步一等獎，全軍醫療成果一等獎，上海市科技進步一等獎，上海市優秀髮明二等獎，上海市醫學會醫學科技二等獎。獲國家發明專利25項，Castor分支支架的共同發明者。
參考文獻
［1］ Kalan S， Chauhan S， Coelho RF， et al。 History of robotic surgery。 J Robot Surg。 2010；4（3）：141-7。
［2］ Kettenbach J， Kronreif G。 Robotic systems for percutaneous needle-guided interventions。 Minim Invasive Ther Allied Technol。 2015 Feb；24（1）：45-53。
［3］陸清聲。血管腔內介入手術機器人的探討。中國血管外科雜誌。2018；10（4）：5-7
［4］Au S， Ko K， Tsang J， et al。 Robotic endovascular surgery。 Asian Cardiovasc Thorac Ann。 2014 Jan；22（1）：110-4。
［5］Ram W， Meyer H。 Heart catheterization in a neonate by interacting magnetic fields： a new and simple method of catheter guidance［J］。 Cathet Cardiovasc Diagn。 1991；22（4）：317-9。
［6］Beyar R， Gruberg L， Deleanu D， et al。 Remote-control percutaneous coronary interventions： concept， validation， and first-in-humans pilot clinical trial［J］。 J Am Coll Cardiol。 2006；47（2）：296-300。
［7］Al-Ahmad A， Grossman JD， Wang PJ。 Early experience with a computerized robotically controlled catheter system［J］。 J Interv Card Electrophysiol。 2005；12（3）：199-202。
［8］Saliba W， Cummings JE， Oh S， et al。 Novel robotic catheter remote control system： feasibility and safety of transseptal puncture and endocardial catheter navigation［J］。 J Cardiovasc Electrophysiol。 2006；17（10）：1102-5。
［9］Bismuth J， Duran C， Stankovic M， et al。 A first-in-man study of the role of flexible robotics in overcoming navigation challenges in the iliofemoral arteries［J］。 Journal of Vascular Surgery。 2013；57（2）：14S-9S。
［10］ Khan EM， Frumkin W， Ng GA， et al。First experience with a novel robotic remote catheter system： Amigo mapping trial。J Interv Card Electrophysiol。 2013；37（2）：121-9。
［11］ Granada JF， Delgado JA， Uribe MP， et al。 First-in-human evaluation of a novel robotic-assisted coronary angioplasty system［J］。 JACC Cardiovasc Interv。 2011；4（4）：460-5。
［12］Carrozza JP， Jr。 Robotic-assisted percutaneous coronary intervention——filling an unmet need［J］。 J Cardiovasc Transl Res。 2012；5（1）：62-6。
［13］Mahmud E， Naghi J， Ang L， et al。 Demonstration of the Safety and Feasibility of Robotically Assisted Percutaneous Coronary Intervention in Complex Coronary Lesions： Results of the CORA-PCI Study （Complex Robotically Assisted Percutaneous Coronary Intervention）［J］。 JACC Cardiovasc Interv。 2017；10（13）：1320-1327。
［14］ 盧旺盛，劉達，田增民，等。血管介入手術機器人的關鍵技術分析［J］。生物醫學工程研究。2009；28（4）：303-306。
［15］ 郭書祥。機器人輔助血管腔內介入技術現狀分析［J］。 生命科學儀器。 2013 ； 5 ：3-12
［16］ 奉振球，侯增廣，邊桂彬，等。微創血管介入手術機器人主從互動控制方法與實現。自動化學報。2016；42（5）：696-705。
［17］ 陳政，沈毓，陸清聲。機器人輔助血管介入治療研究進展。介入放射學雜誌。2018；27（1）：1-4
［18］Wang K， Lu Q， Chen B， et al。 Endovascular intervention robot with multi-manipulators for surgical procedures： Dexterity， adaptability， and practicability。［J］。 Robotics and Computer Integrated Manufacturing。 2019；56：75-84。