豐 蕊，陸清聲

(1.海軍軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院血管外科，上海 200433；2.上海理工大學健康科學與工程學院，上海 200093)

血管腔內(nèi)介入手術(shù)機器人于2008年首次出現(xiàn)并被用于遠程導管消融術(shù)，隨后被引入經(jīng)皮冠狀動脈介入治療及外周血管介入治療并獲成功[1]。機器人能遠程控制手術(shù)操作，使手術(shù)醫(yī)師免于輻射，且對介入儀器控制精度更高，使器具尖端的穩(wěn)定性更好，并可縮短手術(shù)時長和曝光時間?，F(xiàn)有機器人系統(tǒng)并非真正意義上的機器人，而是末端執(zhí)行器或儀器遠程執(zhí)行器，即主從式機器人[2]；其操控完全依賴于手術(shù)醫(yī)師，自主性和智能化程度較低3]。遠程控制機器人手術(shù)打破了傳統(tǒng)外科醫(yī)師手眼配合的操作模式，對操作者的要求較高。在當前階段，如何完善觸覺反饋及發(fā)展手術(shù)導航是機器人領域研究熱點[4]，如機器人Magellan所附帶的工作站可生成虛擬導管圖像并覆蓋于主動脈透視圖像上[5-6]，CorPath 200 System[7]及CorPath GRX工作站以血管造影圖像和血流動力學數(shù)據(jù)引導手術(shù)[8]。為現(xiàn)有主從式機器人添加導航功能將使其實現(xiàn)真正自動化，使手術(shù)更精準，進一步縮短手術(shù)時間，減少甚至避免使用對比劑。本文對現(xiàn)階段血管腔內(nèi)介入手術(shù)機器人導航技術(shù)研究及應用進展進行綜述。

1 圖像融合三維導航

傳統(tǒng)血管腔內(nèi)介入操作中，醫(yī)師主要依靠二維數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography， DSA)圖像引導手術(shù)，缺乏三維解剖細節(jié)而使手術(shù)難度較大。JONES等[9]在主動脈開窗介入治療中應用圖像融合技術(shù)。KOBEITER等[10]在胸主動脈腔內(nèi)修復術(shù)中應用圖像融合三維導航技術(shù)，且未使用對比劑。將動態(tài)CT血管造影與術(shù)中DSA圖像融合，能夠發(fā)現(xiàn)血管造影未顯示的內(nèi)漏，有助于診斷及治療內(nèi)漏[11]。CHINNADURAI等[12]以圖像融合技術(shù)引導Magellan機器人進行血管腔內(nèi)介入手術(shù)，根據(jù)術(shù)前CTA圖像構(gòu)建三維血管模型，標記血管中心線，并在血管分支處放置環(huán)形標志；根據(jù)鈣化和骨性標志將術(shù)中DynaCT圖像與術(shù)前三維主動脈圖像進行配準融合，所獲三維血管影像可配合DSA設備位置移動而實現(xiàn)角度變換及縮放，實時引導機器人手術(shù)。圖像融合可彌補機器人遠程操作在血管腔內(nèi)介入手術(shù)中無方位感知的缺陷，幫助確定C臂投射角度，減少手術(shù)曝光時間及對比劑用量[13]。

目前主要依靠血管造影設備附帶的融合成像軟件，如Siemens Syngo融合成像包、GE Vessel Assist平臺及Philips Vessel Navigator融合成像包進行圖像融合，均存在配準誤差，主要原因在于置入相關(guān)器械所引起的血管形狀改變等[14]。針對這一問題，Cydar EV(Cydar Medical，英國劍橋)智能融合成像平臺通過控制軟件內(nèi)的虛擬導絲、觀察導絲進入前后血管的形狀變化而精確定位手術(shù)器械；已有研究[15]結(jié)果顯示，應用Cydar EV可降低復雜血管內(nèi)動脈瘤修復術(shù)的平均透視時間及手術(shù)時間。EndoNaut是Therenva公司推出的圖像融合系統(tǒng)，以其特有的二維/三維圖像融合功能解決了因下肢血管過長而難以進行圖像融合的問題[16]，且能減少術(shù)中對比劑使用量[17]。目前雖然已有多款圖像融合系統(tǒng)用于引導機器人介入手術(shù)，但尚無可集成于機器人上的圖像融合軟件出現(xiàn)，此為未來的努力方向。

2 電磁跟蹤導航

磁場發(fā)生器可產(chǎn)生穩(wěn)定磁場，傳感器在磁場中運動時，發(fā)生器可精準捕捉電磁信號的位置和方向。SCHWEIN等[18]在導管內(nèi)壁中安裝一個由感應線圈組成的電磁傳感器，醫(yī)師使用Magellan機器人及帶有傳感器的導管對主動脈瘤體模進行左腎動脈插管，術(shù)中依靠旋轉(zhuǎn)DSA技術(shù)生成的血管三維體模圖像與可實時顯示位置的電磁跟蹤導管即可實現(xiàn)準確插管而無需透視。血管腔內(nèi)手術(shù)機器人與電磁感應跟蹤相結(jié)合實現(xiàn)了無射線導管定位和半自動血管插管，能為手術(shù)提供更好的實時三維導航[19]；但利用電磁跟蹤技術(shù)雖可實時顯示導管位置，卻難以觀察導管在血管內(nèi)的形狀變化。JACKLE等[20-21]將具有光纖布拉格光柵(一種用于形狀傳感的精確的光學裝置和電磁傳感器的多芯光纖)集成到支架移植系統(tǒng)中，通過將光纖傳感與電磁跟蹤技術(shù)相結(jié)合，不僅能實時跟蹤支架位置，且可實時觀察支架在血管中的形狀，使手術(shù)更為精確。電磁導航術(shù)中定位系統(tǒng)(intra-operative positioning system, IOPS)是一種利用電磁感應原理的三維類全球定位系統(tǒng)(global positioning system, GPS)手術(shù)導航技術(shù)，已獲得美國食品藥物管理局(food and drug administration, FDA)批準在美國境內(nèi)使用；其在手術(shù)室內(nèi)占用空間相對較小，且不依賴于血管造影機中的特定成像系統(tǒng)，啟動磁場發(fā)生器后，在3D解剖圖像中可實時顯示帶有傳感器的導管或?qū)Ыz的形態(tài)和位置，提高導航效率[22]。

電磁跟蹤與血管腔內(nèi)手術(shù)機器人相結(jié)合，不需透視即可實時跟蹤介入器械在血管及心臟中的位置，為血管腔內(nèi)介入機器人自動化、無透視手術(shù)提供了解決方案。另一方面，電磁感應跟蹤導航技術(shù)尚存在一些缺陷有待解決，如電磁跟蹤設備易受附近醫(yī)療設備的影響而致磁場失真，進而影響電磁感應跟蹤的精度；使用跟蹤系統(tǒng)需附加磁場發(fā)生器等硬件組件，用于臨床不僅增加手術(shù)成本，且影響手術(shù)流程[23]等。

3 血流動力學指標輔助導航

血流儲備分數(shù)指在冠狀動脈存在狹窄的情況下,其所供心肌區(qū)域可獲最大血流與理論上同區(qū)域正常情況下所能獲得的最大血流之比[24]。測量血流儲備分數(shù)的傳統(tǒng)方法是將海波微導管置入冠狀動脈進行有創(chuàng)測量，因扭矩較小，操作困難，亦增加冠狀動脈夾層風險。基于壓力-流體動力學原理、結(jié)合心肌梗死溶栓幀計數(shù)開發(fā)的FlashAngio輔助診療軟件(蘇州潤邁德醫(yī)療)可用于冠狀動脈造影并實時測量血流儲備分數(shù)，避免置入導絲及其對血管的刺激，測量所需時間與傳統(tǒng)方式相比縮短約5 min[25]。景三科技基于血管影像和血流動力學分析技術(shù)研發(fā)的“病灶形態(tài)、組分和炎癥和力學載荷”分析平臺可自動定位、定性、定量分析血管狹窄，評估管腔內(nèi)斑塊分布范圍、斑塊性質(zhì)，輔助分析冠狀動脈起源異常、心肌橋、彌漫性斑塊等復雜病例[26]。

4 基于圖像引導的血管腔內(nèi)手術(shù)機器人自主導航

現(xiàn)今基于圖像引導的機器人自主導航還在起步階段，主要改進途徑包括圖像處理傳統(tǒng)算法及深度強化學習。2008年，JAYENDER等[27]基于血管模型圖像建立導航路線圖，開發(fā)了一種運動檢測算法用于跟蹤導管尖端位置，并將生成的位置信號實時反饋到自主制導算法中，通過控制器控制導管尖端運動：當導管靠近血管分叉處時，通過控制導管插入速度，并經(jīng)圖像處理算法發(fā)出命令使導管沿適當方向彎曲，以確保導管進入路徑正確并完成自主插管。CHO等[28]開發(fā)了一種基于傳統(tǒng)圖像處理的經(jīng)皮冠狀動脈介入治療導絲自主導航算法，無需在導絲上添加任何傳感器即可實現(xiàn)自動導航，并將患者的血管數(shù)據(jù)導入模擬器測試臺對該算法進行驗證，結(jié)果顯示模擬器中的插管成功率達100%。

馮蘇湘[29]利用Alex Net深度學習網(wǎng)絡對模擬手術(shù)數(shù)據(jù)進行訓練，并將訓練好的模型輸出到上位機，后者根據(jù)訓練模型對輸入圖像進行處理并分析，并輸出控制指令至從端控制器，以進行自主手術(shù)操作。NORUZI-GHAZBI等[30]開發(fā)了一款專為心血管插管的機器人輔助導管插入系統(tǒng)，為適應復雜、不確定的手術(shù)環(huán)境，在系統(tǒng)上配備了間接視覺反饋單元，如超聲、MRI和透視成像模塊，其導航精度高達90%。JIN等[31]以經(jīng)過訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡輸出命令驅(qū)動導絲操縱器，通過人為監(jiān)督52 500次訓練后，導航系統(tǒng)在低級控制任務方面表現(xiàn)良好，導絲插入成功率最高達96%。

基于圖像引導的血管腔內(nèi)手術(shù)機器人自主導航無需增加額外設備，可與傳統(tǒng)介入手術(shù)無縫銜接，是血管腔內(nèi)介入手術(shù)機器人導航的主要發(fā)展方向；其主要缺點為使用場景的有限性算法運行反應時間較長，而以深度強化學習導航系統(tǒng)需要大量數(shù)據(jù)加以訓練，且存在不穩(wěn)定性。

5 小結(jié)與展望

當前血管腔內(nèi)介入手術(shù)機器人應用尚不廣泛，其導航系統(tǒng)的研發(fā)亦處于起步階段；手術(shù)機器人的感知是其應用難點之一。JIN等[31]采用自主研發(fā)的力傳感器來反饋導管尖端與血管壁之間的碰撞力，使機械手產(chǎn)生更強的觸感，以增強機器人輔助系統(tǒng)的安全性。導航功能將使機器人從主從概念轉(zhuǎn)變?yōu)檎嬲淖詣踊⑦~向智能化，進而促進精準智能微創(chuàng)診治血管疾病[32]，使更多患者受益。