微创血管介入手术机器人

研究意义在全世界范围内，心血管疾病已逐渐升至为威胁人类健康的“第一杀手”。我国心脏病患者已达2.3亿，每年有300万人死于心脑血管疾病，占全国总死亡人数的40%。心脑血管疾病因其发病率高、致残率高和死亡率高已成为对我国中老年人危害最大的疾病之一。当前，血管介入手术因其创伤小、时间短、安全性高、患者痛苦轻、术后恢复快、并发症少等特点，成为医学界公认的治疗心血管病的重要手段。血管介入手术是指医生在数字减影血管造影机的导引下，操纵导管在人体血管内运动，对病灶进行治疗，达到栓塞畸形血管、溶解血栓、扩张狭窄血管等目的。但是，人工血管介入手术存在以下弊端：医生长期暴露在X射线环境下工作，对身体伤害很大；手术方法技巧性强，对医生的技术水平要求高，培训时间长；操作复杂，医生疲劳和人手操作不稳定等因素会直接影响手术质量。这些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[1]。微创血管介入手术机器人将缓解病人对医生需求，降低医生劳动强度，并提高手术的效率和治愈率，是目前国内外研究的一个热点，也是机器人领域一个极具挑战性的课题。在微创血管介入手术机器人系统中，通过推进机构将导管/导丝插入到特定的分支血管是整个手术的关键步骤，也是血管介入手术机器人要解决的主要突破口，所以推进机构的研究是关键科学问题之一。本课题将在现有研究的基础上，提出一种完全创新的能够完成支架手术所需全部导管/导丝递送的推进机构，基于仿生学原理和HAM概念，建立推进机构的人机一体化创新设计和HAM人机系统控制的理论体系，并构建实验平台，解决现有血管介入手术机器人系统人机融合性差、人-计算机/机器人系统之间非对称交互的关键技术难题，为我国急需实用的微创血管介入手术机器人系统的研制提供可靠的理论依据和技术支撑，研究成果具有重要的科学意义和理论价值。国内外研究现状及发展动态分析导管/导丝推进机构的研究状况微创血管介入手术机器人系统主要包括定位机器人、导管/导丝推进机构、推进机构的操作机构、影像导航设备和监控设备等，其中导管/导丝推进机构是关键设备之一。图1.1.1为加拿大HansenMedical公司研发的Sensei血管介入手术机器人系统中的导管/导丝推进机构[2]，图1.1.2为CatheterRoboticIncorporation研制的Amigo送管机构，这两种机构都属于主动导管的输送机构，能够实现主动导管的插入与抽出、旋转、导管头部的弯曲[3]。下面主要介绍被动导管/导丝推进机构的研究。美国Corindus公司研制了一种CorPath200血管介入手术机器人系统，该系统中的导管/导丝推进机构可以将球囊和支架沿导引钢丝送入血管病灶处，并采用一次性外壳解决部分消毒问题（图1.1.3）。在目前的研究成果中，该机构是为数不多的可以递送多种导管导丝的机构，从功能上来说已经最接近实际手术需求。图1.1.4和图1.1.5分别是英国帝国理工学院和日本香川大学研发的推进机构[5,6]，这两种机构都能够实现对介入导管的递送，并且还具有实时力反馈的功能，但均没有提及扩张球囊和支架等的递送。图1.1.6和图1.1.7是国内北京航空航天大学和哈尔滨工业大学研制的导管/导丝推进机构[7,8]。两者都是由两个电机分别驱动导管做轴向进给和周向旋转运动，并且采用滚轮摩擦传动方式递送导管。上述几种导管/导丝推进机构都存在以下问题：使用时需要将导管从一端穿入机构，然后从另一端穿出，导管/导丝装夹不便；导管/导丝夹持部件的清洗消毒困难；无法进行球囊和支架软端部分的插入和抽出。这些缺陷影响了机构的实际临床应用。燕山大学提出一种机构[9]，解决了上述问题，但缺点是轴向进给和周向旋转不能同时运动（图1.1.8）。本项目申请就是针对以上存在的问题，提出一种全新的导管/导丝推进机构。图1.1.1Sensei导管推进机构图1.1.2Amigo导管推进机构图1.1.3CorPath200导管推进系统图1.1.4英国的导管推进机构图1.1.5日本香川大学的主从推进机构图1.1.6北京航空航天大学的导管推进机构图1.1.7哈尔滨工业大学的导管推进机构图1.1.8燕山大学的导管推进机构推进机构定位操控的研究状况由系统构成可知，用于推进机构定位的机械臂的位姿调整方式也是机器人系统研究的重要问题之一。定位机械臂主要包括主动式、被动式两种。主动式定位机械臂各个关节都装有驱动装置，定位精度高，无需机械臂自身平衡，但传统的控制方式过于程式化，不能随意拖动，只能按预定程序走预定轨迹[10]，环境适应能力不强。被动机械臂指的是机械臂关节没有安装驱动装置，需要通过外力使其运动，其优点在于能够在人力作用下任意拖动。目前应用于医疗领域的被动机械臂有Davinci系统和ZEUS机器人系统[11]，北京航空航天大学开发的“黎元”立体定向机器人系统[12]、天津大学开发的“妙手”系统[13]等。但被动机械臂的局限性在于机构设计上需要实现自身的平衡，还要有自锁装置，难于进行精确位姿的调整。鉴于主动和被动定位机械臂都有各自的缺点，意大利学者提出一种主被动两用的定位机械臂Navi-Robot，可以人手操作也可以编程操作[14]。文献[15]提出一种各关节都装有力矩传感器的手术器械定位机器人，机器人通过各关节所受的力辅助操作，这样不用预先设定轨迹程序，即可实现机械臂随着操作者的拖拽任意运动，即保持了主动机械臂无需自身平衡的优点，又具备了被动机械臂操作随意性和灵活性的优点。但是由于机器人的运动是通过关节力反馈进行控制，难于按照希望轨迹精确到达目标位姿。为此，本申请提出一种基于六维力传感器拖拽方式的定位机械臂操控方法，来解决上述主被动机械臂定位存在的问题。推进机构主从控制的研究现状微创血管介入手术机器人系统大都采用主从控制的操作方式。日本香川大学开发的微创介入手术机器人系统由主从两部分组成，从手的运动距离、速度以及转角始终与主手的运动保持一致，以便使操作者可以更加流畅地操作该系统。Sensei机器人系统采用主从异构式的操作方式，主手采用瑞士ForceDimension公司生产的对称三分支并联机构omega系列触觉反馈装置(如图1.1.9所示)，主手的三个自由度分别控制导管的前进/后退、旋转和导管尖端的弯曲，操作者需要知道其中的对应关系，或者需要进行一段时间的训练才能自如地操作该系统。Corpath200系统同样采用的是主从操作方式，不同的是，其主操作系统是一个控制面板和两个操纵杆（如图1.1.10所示），通过设定控制面板上的控制按钮和旋转操纵杆来控制送管机构的动作。该系统没有力反馈，不能实现操作的临场感，只能通过图像反馈来了解手术情况。哈尔滨工业大学的主手选用Falcon的3自由度手柄[8]，医生通过操纵主手和按钮，控制从手动作，实现对导管的推/拉、旋转和弯曲/回复。北京理工大学的主手同样采用omega系列触觉反馈装置[16]，操作方式与Sensei机器人系统类似。图1.1.9HansenMedical的主手图1.1.10Corpath系统主手上述主从操作方式的控制过程都是通过主从手之间物理关系的映射来实现，是一个典型的人机系统，可用图1.1.11来描述。在该系统中，人理解计算机的工作方式并通过计算机来控制机器人，但机器人缺少对操作者行为的理解。为了解决人-计算机/机器人系统之间这种非对称交互的关键问题，本项目提出基于HAM（HumanAdaptiveMechatronics）概念的推进机构的主从控制方法。一般HAM系统可用图1.1.12来表示，HAM系统与人机系统的区别在于人被引入到控制闭环中[17]。图1.1.11人机系统图1.1.12HAM系统主要参考文献目录卢旺盛,刘达,田增民,张大鹏.血管介入手术机器人的关键技术分析[J].生物医学工程研究,2009,28(4):303-306.P.Kanagaratnam,M.Koa-Wing,D.T.Wallace,etal.Experienceofroboticcatheterablationinhumansusinganovelremotelysteerablecathetersheath.JournalofInterventionalCardiacElectrophysiology[J].2008,21(1):19-26.B.L.Nguyen,J.L.Merino,E.S.Gang.Remotenavigationforablationprocedures–anewstepforwardinthetreatmentofcardiacarrhythmias[J].EuropeanCardiology,2010,6(3):50-56.J.F.Granada,J.A.Delgado,M.P.Uribe,etal.First-in-humanevaluationofanovelrobotic-assistedcoronaryangioplastysystem.JACC:CardiovascularInterventions[J],2011,4(4):460-465.J.C.Payne,H.Rafii-TariandG.Z.Yang.Aforcefeedbacksystemforendovascularcatheterisation[C].2012IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,Vilamoura,Algarve,Portugal,2012:1298-1304.S.X.Guo,N.Xiao,B.F.Gao.Internetbasedremotecontrolforaroboticcathetermanipulatingsystem[C].Proceedingsofthe2012ICMEInternationalConferenceonComplexMedicalEngineering,Kobe,Japan,2012:540-544.T.M.Wang,D.P.Zhang,andL.Da.Remotecontrolledvascularinterventionalsurgeryrobot[J].InternationalJournalofMedicalRoboticsandComputerAssistedSurgery,2010,6:194-201.付宜利,高安柱,刘浩,李凯,王树国.导管机器人系统的主从介入[J].机器人,2011,33(5):579-591.H.B.Wang,X.Yang.Designandanalysisforminimallyinvasivevascularinterventionalsurgicalrobotsystem[J].AdvancedScienceLetters,2012,8:31-36.小林武治.内視鏡下手術支援ロボットの開発[J].日本機械学会誌,2009,112(1083):114.G.T.Sung,I.S.Gill.Roboticlaparoscopicsurgery:acomparisonofthedaVinciandZeussystems[J].Urology,2010,58:893-900.田增民,卢旺盛,王田苗,刘达,陈延,张国来,赵全军,白茫茫,尹丰.遥操作脑立体定向手术的临床初步应用[J].中华外科杂志,2007,24.王树新,丁杰男,贠今天.显微外科手术机器人—“妙手”系统的研究[J].机器人,2006,28(2):130-135.D.Moschella,G.Gatti,F.I.Cosco,etal.DevelopmentofNavi-Robot,anewassistantfortheorthopaedicsurgicalroom[C].ProceedingsofTwelfthWorldCongressinMechanismandMachineScience,Besançon,France,2007:1-6.G.Duchemin,E.Dombr