5G時代，機(jī)器人或能幫你提供高質(zhì)量的血管“清理”

隨著5G時代的來臨，微創(chuàng)血管介入機(jī)器人將可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程、跨區(qū)域治療，機(jī)器人通過結(jié)合高級醫(yī)生的手術(shù)經(jīng)驗，在偏遠(yuǎn)地區(qū)為患者提供高質(zhì)量的治療。

近年來，全球心血管疾病死亡率持續(xù)上升，每年因心血管疾病死亡人數(shù)已經(jīng)由2012年的1750萬增長到2016年的1790萬，占其全球死亡人數(shù)的31%。

我國同樣面臨心血管疾病高發(fā)病率的嚴(yán)峻趨勢，目前全國心血管疾病人數(shù)約為2.9億，約占總?cè)丝诘?0%，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(shù)最多。

血管介入手術(shù)需要在專門的導(dǎo)管室中進(jìn)行。由于需要X射線成像，才能操作導(dǎo)管、導(dǎo)絲等介入器械，過去醫(yī)生在手術(shù)過程中必須身穿沉重的鉛衣。在手術(shù)過程中需要頻繁調(diào)整角度、病人位置并注射造影劑，手術(shù)時間很長，長期在導(dǎo)管室中工作的醫(yī)生還易出現(xiàn)脊柱病、白內(nèi)障甚至癌癥等職業(yè)病。

血管微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的出現(xiàn)，或許可以給導(dǎo)管室的醫(yī)生們提供很好的支持。

圖1 微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人

讓小小“柳葉刀”精準(zhǔn)操作

微創(chuàng)血管介入手術(shù)中要求對導(dǎo)管、導(dǎo)絲等介入器械高精度遞送。

目前在微創(chuàng)血管介入手術(shù)中，按導(dǎo)管或?qū)Ыz遠(yuǎn)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(dǎo)絲或?qū)Ч苓h(yuǎn)端位于主動脈，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(dǎo)絲或?qū)Ч苓h(yuǎn)端進(jìn)入冠脈，此時需選擇相應(yīng)的病變冠脈分支;3)冠脈病變階段：導(dǎo)絲或?qū)Ч苓h(yuǎn)端位于狹窄病變部位，需要高精度操作才能使導(dǎo)絲或?qū)Ч艽┻^狹窄病變。

在血管里穿行，每行進(jìn)一毫米都要微米不差：經(jīng)過主動脈，必須快速通過，以減少X射線和造影劑的使用。經(jīng)過狹窄病變部位，需要高精度操作才能使導(dǎo)絲或?qū)Ч艽┻^狹窄病變。

得益于機(jī)器人技術(shù)的高精度、可遠(yuǎn)程操作等特點(diǎn)，血管介入手術(shù)機(jī)器人的研制受到了極大關(guān)注。

高精準(zhǔn)度、速度、策略，在機(jī)器人“養(yǎng)成”的過程中一個也不能少。“血管介入手術(shù)中，醫(yī)生手指搓捻導(dǎo)絲時，手指關(guān)節(jié)的屈伸角度和推送導(dǎo)絲時手部的空間位置及方位都是影響手術(shù)成功的關(guān)鍵因素。”中國科學(xué)院自動化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實驗室研究人員奉振球說，為此，研究團(tuán)隊利用光纖數(shù)據(jù)手套，通過對人手骨骼和手指關(guān)節(jié)運(yùn)動規(guī)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(shù)據(jù)手套輸出的映射關(guān)系。

圖2 數(shù)據(jù)手套

“我們根據(jù)這個方法，解決了數(shù)據(jù)手套輸出實用性不明確的問題，進(jìn)行了屈伸角度實驗并驗證了方法的有效性。還通過引入電磁跟蹤傳感器，對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手套進(jìn)行改良。”奉振球說，這將彌補(bǔ)目前的血管介入機(jī)器人缺少觸覺反饋或者觸覺反饋不夠精細(xì)的缺陷，使得醫(yī)生在機(jī)器人的操作端擁有真實精細(xì)的觸覺。

綜合評價，推動技能培訓(xùn)和臨床實踐應(yīng)用

這些介入器械，尤其是導(dǎo)引導(dǎo)絲，由于直徑小、柔韌性強(qiáng)，導(dǎo)致冠脈介入手術(shù)的操作難度很大。團(tuán)隊在多年研究的過程中還發(fā)現(xiàn)，冠脈介入手術(shù)成功率很大程度上取決于醫(yī)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于技能培訓(xùn)和臨床實踐應(yīng)用。

團(tuán)隊提出了一種基于操作行為融合的介入操作技能綜合評價，用于介入手術(shù)技能培訓(xùn)和臨床實踐應(yīng)用。

團(tuán)隊通過與復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院、上海微創(chuàng)醫(yī)療開展合作進(jìn)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，成功采集了多位初級醫(yī)生、高級醫(yī)生在介入手術(shù)中的操作行為。然后，利用非參數(shù)檢驗方法對不同技能組別的行為特征進(jìn)行差異性分析，獲得了用于技能評價的有效操作行為。

實驗結(jié)果表明，在血管分叉的情況下，高級醫(yī)生根據(jù)其臨床實踐經(jīng)驗，可以較容易地感知導(dǎo)絲運(yùn)動和血管形態(tài)，從而可以減少導(dǎo)絲遞送過程中的手指運(yùn)動。但是，初級醫(yī)生必須依靠搓捻和推送的同時操作才能達(dá)到遞送的目的，導(dǎo)致手指搓捻操作的次數(shù)大大增加。

肌肉活動方面，介入醫(yī)生的主操作手在搓捻導(dǎo)絲時，其拇短展肌(APB)表現(xiàn)出非常明顯的動態(tài)特性。對導(dǎo)絲遞送較為熟練的高級醫(yī)生在操作過程中只涉及到少量的拇短展肌活動，而初級醫(yī)生則相反。

另外，無論是對于單一技能組醫(yī)生的操作，還是多種技能水平組醫(yī)生的操作，團(tuán)隊提出的QTAS得分與修改后的GRS評分之間都存在著較高的正相關(guān)關(guān)系，這說明提出的基于操作行為融合的定量評價方法可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的總體評價量表應(yīng)用于臨床手術(shù)的技能評價中。

前景和展望

目前最為有效的冠心病治療手段是介入手術(shù)。該手術(shù)經(jīng)患者皮膚穿刺橈動脈或股動脈，在醫(yī)學(xué)影像的引導(dǎo)下，借助人體血管通道將球囊導(dǎo)管、支架導(dǎo)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。此外，通過對手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行深入研究，在不遠(yuǎn)的將來，介入手術(shù)機(jī)器人將可以實現(xiàn)自動送絲操作，進(jìn)一步提高治療質(zhì)量，為廣大患者帶來福音。