近年來，全球心血管疾病死亡率持續上升，每年因心血管疾病死亡人數已經由2012年的
1750萬增長到2016年的1790萬，佔其全球死亡人數的31%。我國同樣面臨心血管疾病高發病率的嚴峻趨勢，目前全國心血管疾病人數約為2.9億，約佔總人口的20%，且在逐年上升。冠心病作為一種以為普遍的心血管疾病，其患病人數最多。目前最為有效的冠心病治療手段是介入手術。該手術經患者皮膚穿刺橈動脈或股動脈，在醫學影像的引導下，藉助人體血管通道將球囊導管、支架導管等介入器械遞送至血管病變部位，疏通狹窄或閉塞的冠脈管腔，重建血流通路。
血管介入手術需要在專門的導管室中進行。由於需要X射線成像，才能操作導管、導絲等介入器械，過去醫生在手術過程中必須身穿沉重的鉛衣。在手術過程中需要頻繁調整角度、病人位置並注射造影劑，手術時間很長，長期在導管室中工作的醫生還易出現脊柱病、白內障甚至癌症等職業病。
血管微創介入手術機器人的出現，或許可以給導管室的醫生們提供很好的支持。
圖1 微創血管介入手術機器人
讓小小“柳葉刀”精準操作
微創血管介入手術中要求對導管、導絲等介入器械高精度遞送。
目前在微創血管介入手術中，按導管或導絲遠端所處血管部位，將介入器械遞送過程分為三個階段：1)主動脈階段：導絲或導管遠端位於主動脈，需快速前送，以減少X射線和造影劑的使用；2)冠脈入口階段：導絲或導管遠端進入冠脈，此時需選擇相應的病變冠脈分支；3)冠脈病變階段：導絲或導管遠端位於狹窄病變部位，需要高精度操作才能使導絲或導管穿過狹窄病變。
在血管裡穿行，每行進一毫米都要微米不差：經過主動脈，必須快速通過，以減少X射線和造影劑的使用。經過狹窄病變部位，需要高精度操作才能使導絲或導管穿過狹窄病變。
得益於機器人技術的高精度、可遠程操作等特點，血管介入手術機器人的研製受到了極大關注。
高精準度、速度、策略，在機器人“養成”的過程中一個也不能少。“血管介入手術中，醫生手指搓捻導絲時，手指關節的屈伸角度和推送導絲時手部的空間位置及方位都是影響手術成功的關鍵因素。”中國科學院自動化研究所複雜系統管理與控制國家重點實驗室研究人員奉振球說，為此，研究團隊利用光纖數據手套，通過對人手骨骼和手指關節運動規律的分析，提出了一種手指屈伸角度識別的方法，建立了手指屈伸角度與數據手套輸出的映射關係。
圖2 數據手套
“我們根據這個方法，解決了數據手套輸出實用性不明確的問題，進行了屈伸角度實驗並驗證了方法的有效性。還通過引入電磁跟蹤傳感器，對傳統的數據手套進行改良。”奉振球說，這將彌補目前的血管介入機器人缺少觸覺反饋或者觸覺反饋不夠精細的缺陷，使得醫生在機器人的操作端擁有真實精細的觸覺。
綜合評價，推動技能培訓和臨床實踐應用
這些介入器械，尤其是導引導絲，由於直徑小、柔韌性強，導致冠脈介入手術的操作難度很大。團隊在多年研究的過程中還發現，冠脈介入手術成功率很大程度上取決於醫生的操作技能和靈巧的操作策略。因此，探索有效的技能評價方法將有助於技能培訓和臨床實踐應用。
團隊提出了一種基於操作行為融合的介入操作技能綜合評價，用於介入手術技能培訓和臨床實踐應用。
團隊通過與復旦大學附屬華東醫院、上海微創醫療開展合作進行了實驗。通過肌電信號傳感器、電磁跟蹤傳感器、光纖彎曲傳感器和3D加速度計，成功採集了多位初級醫生、高級醫生在介入手術中的操作行為。然後，利用非參數檢驗方法對不同技能組別的行為特徵進行差異性分析，獲得了用於技能評價的有效操作行為。
實驗結果表明，在血管分叉的情況下，高級醫生根據其臨床實踐經驗，可以較容易地感知導絲運動和血管形態，從而可以減少導絲遞送過程中的手指運動。但是，初級醫生必須依靠搓捻和推送的同時操作才能達到遞送的目的，導致手指搓捻操作的次數大大增加。
肌肉活動方面，介入醫生的主操作手在搓捻導絲時，其拇短展肌（APB）表現出非常明顯的動態特性。對導絲遞送較為熟練的高級醫生在操作過程中只涉及到少量的拇短展肌活動，而初級醫生則相反。
另外，無論是對於單一技能組醫生的操作，還是多種技能水平組醫生的操作，團隊提出的QTAS得分與修改後的GRS評分之間都存在著較高的正相關關係，這說明提出的基於操作行為融合的定量評價方法可以代替傳統的總體評價量表應用於臨床手術的技能評價中。
前景和展望
隨著5G時代的來臨，微創血管介入機器人將可以實現遠程、跨區域治療，機器人通過結合高級醫生的手術經驗，在偏遠地區為患者提供高質量的治療。此外，通過對手術導航技術進行深入研究，在不遠的將來，介入手術機器人將可以實現自動送絲操作，進一步提高治療質量，為廣大患者帶來福音。
來源：中國科學院自動化研究所，語音合成技術由科大訊飛提供
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