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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2022-08-30 12:28
在眼科手術(shù)中，眼內(nèi)手術(shù)的手術(shù)目標(biāo)組織位于眼球內(nèi)部，其以晶狀體后膜為界，又分為眼前節(jié)手術(shù)（例如白內(nèi)障超聲乳化切除術(shù)和小梁切除術(shù)等）和眼后節(jié)手術(shù)（例如玻璃體切除術(shù)、視網(wǎng)膜靜脈血管插管術(shù)和視網(wǎng)膜靜脈血管搭橋術(shù)等）。尤其眼后節(jié)手術(shù)，目標(biāo)組織最為精密、操作精度要求最高。
比如在視網(wǎng)膜靜脈插管術(shù)中，醫(yī)生要在顯微鏡視野下操作，將顯微注射針穿過(guò)鞏膜切口并刺入25um、平均直徑在80-120um的堵塞血管中，并需要保持2mins注冊(cè)溶解劑，而醫(yī)生手部顫抖平均幅度達(dá)到156um，因此該類(lèi)手術(shù)已經(jīng)超過(guò)了人類(lèi)手術(shù)操作的精細(xì)度極限；另外，75%的器械和血管的接觸力小于7.5m牛頓，醫(yī)生只能感知其中19%的接觸力，可見(jiàn)人手有限的感知能力也進(jìn)一步限制了手術(shù)操作；第三，眼球平均直徑24-25mm，手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)受到鞏膜切口的約束，醫(yī)生小幅度的誤操作就會(huì)引起眼球撕扯，即內(nèi)部空間狹小易造成二次損傷；第四，即使在顯微鏡下，由于視野受限醫(yī)生也很難對(duì)深度信息進(jìn)行感知。
02解決方案—眼科手術(shù)機(jī)器人
于是，運(yùn)動(dòng)精度高、穩(wěn)定性好的手術(shù)機(jī)器人輔助或者代替醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)，成了科學(xué)界解決以上痛點(diǎn)的研究方向。眼科顯微手術(shù)機(jī)器人需要復(fù)合機(jī)構(gòu)學(xué)（研究機(jī)械中機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)，如連桿、凸輪、齒輪等等）、顯微外科學(xué)、生物力學(xué)、傳感器技術(shù)等等多種學(xué)科，以下講講顯微手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)：
（一）眼組織的生物力學(xué)分析
就是說(shuō)眼科機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)必須符合眼球的各項(xiàng)生理參數(shù)，運(yùn)動(dòng)范圍總不能超過(guò)眼球的直徑吧，機(jī)器人的操作力度不能超過(guò)眼組織的承受極限吧，機(jī)器人的操作路徑要符合眼球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)吧等等。目前研究方法主要是通過(guò)數(shù)值仿真法和模擬實(shí)驗(yàn)法。目前集中在軟件仿真或者模型試驗(yàn)，存在局限，未來(lái)如果開(kāi)發(fā)人體眼球模型并優(yōu)化檢測(cè)方法，可以得到更真實(shí)的眼組織生物力學(xué)數(shù)據(jù)，并且將生物力學(xué)融合到機(jī)器人的控制中，會(huì)對(duì)機(jī)器人發(fā)展有里程碑式的突破。
（二）構(gòu)型設(shè)計(jì)
在眼內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)中，手術(shù)器械需從鞏膜刺入點(diǎn)插入病人眼球內(nèi)，圍繞該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)施手術(shù)操作，即繞刺入點(diǎn)的三維轉(zhuǎn)動(dòng)和沿著器械軸線(xiàn)的移動(dòng)。研究者稱(chēng)為RCM機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是眼科機(jī)器人本體構(gòu)型的關(guān)鍵所在。
目前有3種rcm方法：1、采用機(jī)械約束下的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如達(dá)芬奇機(jī)器人，這種機(jī)構(gòu)剛度高，安全性好但較為龐大，適應(yīng)性差；2、被動(dòng)式RCM，比如AESOP機(jī)器人，平行四邊形的設(shè)計(jì)是安全性得到保障，但是影響了運(yùn)動(dòng)精度和剛度；3、主動(dòng)式RCM，通過(guò)軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是可靠性低，適合在安全性不高的場(chǎng)景下應(yīng)用，可保證高剛度低成本。目前來(lái)看，第一種方式是最容易也是安全性最好的。第一種方式有以下幾種模式：
a.球形結(jié)構(gòu)，球心為RCM,剛度和穩(wěn)定性低；b.圓弧軌道結(jié)構(gòu)，圓心為rcm,但是軌道驅(qū)動(dòng)問(wèn)題不易解決；c.軸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，只要使體壁切口位于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線(xiàn)上，就具有遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心；d.雙平行四桿機(jī)構(gòu)，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸線(xiàn)交點(diǎn)即為RCM。后面也衍生了多種自由度的rcm機(jī)構(gòu)。
對(duì)于眼內(nèi)手術(shù)來(lái)說(shuō)機(jī)器人操作過(guò)程中，其rcm需要與鞏膜上的刺入點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)重合，保證結(jié)構(gòu)緊湊、靈巧、精密，同時(shí)具有很好的剛性和穩(wěn)定性。
（三）多維度的微力感知與控制
眼科顯微手術(shù)涉及到器械與視網(wǎng)膜薄壁、視網(wǎng)膜血管等精密眼組織的操作，為保證手術(shù)安全，手術(shù)中需要獲取包括器械的末端位置、目標(biāo)眼組織的位置以及器械與眼組織的作用力等多維信息，以此為醫(yī)生提供全方位的操作引導(dǎo)或反饋，從而實(shí)現(xiàn)高精度的手術(shù)操作。
眼科手術(shù)中的微力檢測(cè)主要有 2 種方法。一種是使用商用微型傳感器（例如 Nano 17）作為機(jī)器人的力感知器件，如 Preceyes 機(jī)器人 等。由于體積相對(duì)較大，Nano17 傳感器只能在眼球外進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)的力信息同時(shí)包含了器械與眼內(nèi)組織的接觸力以及器械與鞏膜切口的摩擦力，因此不能精確地反映器械在眼內(nèi)的操作力。另一種力檢測(cè)方法是將 FBG 嵌入手術(shù)器械末端 ，對(duì)器械末端與眼組織的接觸力直接進(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)方法能夠隔絕眼外摩擦力的干擾，精確地反饋器械與視網(wǎng)膜表面的作用力。同時(shí)，F(xiàn)BG 具有很高的靈敏度， 基于FBG 集成的力感知器械的分辨率能夠達(dá)到 0.25 mN，達(dá)到了大多數(shù)眼科手術(shù)的力感知要求，因此在將來(lái)的眼科手術(shù)機(jī)器人中，基于 FBG 的力檢測(cè)方式將會(huì)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。
在目標(biāo)眼組織的檢測(cè)方面，圖像識(shí)別和重建是主要的研究方法。卡耐基·梅隆大學(xué)的研究者們針對(duì)眼底血管的識(shí)別和重建，于 2016 年提出了一種EyeSLAM 算法，可以對(duì)視網(wǎng)膜血管實(shí)現(xiàn) 30 Hz的實(shí)時(shí)定位和重建，具有旋轉(zhuǎn)不變性，并能夠適應(yīng)不同的光照條件。天主教魯汶大學(xué)的研究者也采用圖像方法對(duì)眼底視網(wǎng)膜血管的重建進(jìn)行了研究，得到了眼底視網(wǎng)膜的地形圖。隨著更多高魯棒性的算法的提出，基于圖像識(shí)別重建的方法將會(huì)極大地提高眼組織的檢測(cè)精度和效果。
多維信息傳感技術(shù)能夠提供術(shù)中器械與眼組織的交互信息，對(duì)于保障手術(shù)的安全精密操作具有重要作用，因此也是推動(dòng)眼科機(jī)器人的臨床應(yīng)用的關(guān)鍵。但是目前多維信息的研究大多為離線(xiàn)驗(yàn)證，并未應(yīng)用到眼科機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中。因此，對(duì)多維傳感信息進(jìn)行融合并實(shí)時(shí)地反饋給操作者，是未來(lái)的研究方向。
（四）精密運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)
眼科機(jī)器人的控制需要在適應(yīng)醫(yī)生操作的基礎(chǔ)上，具有足夠的可靠性和穩(wěn)定性，以保證手術(shù)過(guò)程中的操作安全。眼科機(jī)器人目前主要有2 種控制方式：主從式和人機(jī)協(xié)同式。
在主從控制中，主操作器的運(yùn)動(dòng)經(jīng)縮放后映射到從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間，醫(yī)生的操作尺度被放大，有助于醫(yī)生實(shí)施更為精密的手術(shù)操作，目前大多數(shù)眼科機(jī)器人均采用主從操作方式，如 Preceyes、IRISS等。
與主從控制方式不同，人機(jī)協(xié)同控制方式允許醫(yī)生直接把持安裝在機(jī)器人末端的手術(shù)器械，醫(yī)生的操作意圖通過(guò)力傳感器傳遞給機(jī)器人，從而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。在人機(jī)系統(tǒng)控制方式下，醫(yī)生的手部顫抖可以被有效地濾除，醫(yī)生也能獲得更為直觀的操作環(huán)境。SHER 機(jī)器人是人機(jī)協(xié)同控制方式的代表。
例如視網(wǎng)膜靜脈血管插管術(shù)，眼科機(jī)器人需要在眼球鞏膜切口的約束下，完成特定手術(shù)動(dòng)作，手術(shù)操作中手術(shù)器械不可避免地會(huì)對(duì)鞏膜切口施加過(guò)大的接觸力，或者觸碰視網(wǎng)膜的非病變位置。為實(shí)現(xiàn)手術(shù)的安全精密操作，必須根據(jù)力、位置等傳感信息對(duì)機(jī)器人進(jìn)行反饋控制，或者通過(guò)術(shù)前的路徑規(guī)劃，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)施加虛擬約束?？茖W(xué)家提出了基于多刺入點(diǎn)約束的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)器械末端平行于視網(wǎng)膜表面的運(yùn)動(dòng)?；蛘邔⑵餍蹬c鞏膜的接觸力信息反饋給機(jī)器人，提出多變量導(dǎo)納控制算法，對(duì)手術(shù)過(guò)程的危險(xiǎn)動(dòng)作（例如拉扯鞏膜切口等）進(jìn)行主動(dòng)修正。完善的眼科機(jī)器人控制算法會(huì)保證手術(shù)過(guò)程中的安全，可以更進(jìn)一步地推進(jìn)眼科機(jī)器人臨床應(yīng)用。未來(lái)的研究中需要綜合考慮眼球的空間約束、特定手術(shù)動(dòng)作的要求以及多器械的協(xié)同控制等因素。同時(shí)，基于力信息、圖像信息等多維傳感信息，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)約束算法，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)施加虛擬約束，將會(huì)是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。
03眼科機(jī)器人技術(shù)迭代介紹
下圖顯示為主要類(lèi)型手術(shù)機(jī)器人分類(lèi)及其簡(jiǎn)要描述：
(a)在傳統(tǒng)外科手術(shù)中，外科醫(yī)生控制著外科手術(shù)工具，并使用光學(xué)顯微鏡作為視覺(jué)反饋；
(b)在機(jī)器人輔助工具中，手術(shù)工具本身被修改為一個(gè)微型機(jī)器人系統(tǒng)，外科醫(yī)生控制這個(gè)工具進(jìn)行手術(shù)，而機(jī)器人工具提供震顫消除、深度鎖定和其他功能。這種類(lèi)型的一個(gè)例子是“MICRON”；
（c）在遙控機(jī)器人手術(shù)中，外科醫(yī)生通過(guò)操縱桿控制機(jī)器人系統(tǒng)，并使用光學(xué)顯微鏡或數(shù)字平視顯示器作為視覺(jué)反饋。操縱桿運(yùn)動(dòng)直接映射到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，因此可以實(shí)現(xiàn)諸如觸覺(jué)反饋、震顫過(guò)濾和運(yùn)動(dòng)縮放等優(yōu)點(diǎn)。這種類(lèi)型的示例包括“RAM!S”、“Preceyes 手術(shù)系統(tǒng)”和“眼內(nèi)機(jī)器人介入手術(shù)系統(tǒng) (IRISS)”；
（d）在協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)中，外科醫(yī)生與機(jī)器人系統(tǒng)同時(shí)握住和控制手術(shù)工具，并使用顯微鏡和/或 OCT 作為視覺(jué)反饋。外科醫(yī)生對(duì)手術(shù)工具的運(yùn)動(dòng)保持直接的手動(dòng)控制，而機(jī)器人系統(tǒng)為手部震顫提供輔助補(bǔ)償，并允許手術(shù)工具的長(zhǎng)時(shí)間固定。這種類(lèi)型的一個(gè)例子是來(lái)自“魯汶天主教大學(xué)”的系統(tǒng)；
（e）在部分或完全自動(dòng)化的系統(tǒng)中，機(jī)器人系統(tǒng)與顯微鏡和/或 OCT 緊密集成，為機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)命令提供反饋和指導(dǎo)，機(jī)器人系統(tǒng)直接握住和操作手術(shù)工具，特定程序或程序步驟由機(jī)器人系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行，同時(shí)外科醫(yī)生通過(guò)提供視覺(jué)反饋進(jìn)行監(jiān)督命令。這種類(lèi)型的一個(gè)例子是“眼內(nèi)機(jī)器人介入手術(shù)系統(tǒng)（IRISS）”。
以下，依次介紹下上述典型系統(tǒng)代表。
（一）MICRON
2010 年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所和約翰霍普金斯大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了 MICRON，一種有源手持式微型機(jī)械手。通過(guò)圖像引導(dǎo)方法，手持設(shè)備減少了手部震顫，從而在手術(shù)過(guò)程中提供平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)。據(jù)報(bào)道，工具尖端的位置誤差減少 52%。該工具通過(guò)對(duì)離體豬眼進(jìn)行視網(wǎng)膜靜脈插管進(jìn)行評(píng)估，與不使用增強(qiáng)工具的情況相比，成功率從 29% 提高到 63%。
MICRON 在 2015 年得到了進(jìn)一步改進(jìn)，盡管結(jié)合了 Gough-Stewart 平臺(tái)，該平臺(tái)限制了工具尖端附近的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心。改進(jìn)的工具在不同條件下進(jìn)行了評(píng)估，以證明軌跡跟蹤誤差≤20 µm，手顫抖減少了 90%。研究人員展示通過(guò)將力感應(yīng)針集成到 MICRON 中來(lái)檢測(cè)拉伸乙烯基膜穿刺的能力。此外，該小組還展示了一種自動(dòng)位置保持功能，該功能允許工具尖端在人工靜脈內(nèi)保持更長(zhǎng)的時(shí)間，并顯著減少靜脈穿刺后工具尖端的運(yùn)動(dòng)。然而迄今為止，所有評(píng)估研究都只在沒(méi)有臨床評(píng)估的人工或動(dòng)物眼模型上進(jìn)行。
（二）RAM!S
2013 年，慕尼黑工業(yè)大學(xué)機(jī)器人與嵌入式系統(tǒng)系推出了 RAM!S，這是一種混合并聯(lián)-串聯(lián)機(jī)制，其中包括用于驅(qū)動(dòng)的壓電電機(jī)。在運(yùn)動(dòng)學(xué)上，該機(jī)構(gòu)由兩個(gè)平行耦合的關(guān)節(jié)、一個(gè)棱柱形關(guān)節(jié)和一個(gè)可選的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，共同實(shí)現(xiàn)工具運(yùn)動(dòng)的6個(gè)自由度 。研究人員聲稱(chēng)，與更常見(jiàn)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)包括更高的剛度和更高的精度。RAM!S 在物理上也很緊湊（94±28×33.5× 18.5mm），旨在固定在患者頭部以減輕患者運(yùn)動(dòng)的影響。其他引用的指標(biāo)包括5µm的刀尖位置精度、306g的總重量和28×28×28mm 的刀尖工作空間。
同一團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種虛擬夾具控制方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)估了其在離體豬眼中的使用。這些虛擬夾具包括 RCM 的虛擬約束和自主 RCM 調(diào)整，其他工作使用 RAM!S 設(shè)備開(kāi)發(fā)遙控功能，使用具有力反饋功能的控制器，實(shí)施了位置誤差控制方案。由此產(chǎn)生的系統(tǒng)允許外科醫(yī)生進(jìn)行精確和舒適的顯微操作?，F(xiàn)在也已使用 OCT 對(duì)針進(jìn)行視網(wǎng)膜下深度跟蹤。在研究人員的最新工作中，通過(guò)使用組織模型和離體豬眼的一系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了評(píng)估證明，RCM 的操作精度在 1 毫米以?xún)?nèi)。研究人員使用該系統(tǒng)在插入模型期間跟蹤針頭的深度，通過(guò)顯示 OCT 生成的針頭體積掃描來(lái)補(bǔ)充顯微圖像。研究人員聲稱(chēng)，在他們的系統(tǒng)的幫助下，外科醫(yī)生可以更多地關(guān)注在視網(wǎng)膜下注射期間的決策，而不是對(duì)工具的靈巧控制。
（三）Preceyes 手術(shù)系統(tǒng)
荷蘭埃因霍溫科技大學(xué)和后來(lái)的大學(xué)衍生公司 Preceyes BV 開(kāi)發(fā)了 Preceyes 手術(shù)系統(tǒng)作為玻璃體視網(wǎng)膜手術(shù)的高精度設(shè)備。機(jī)器人系統(tǒng)由外科醫(yī)生手持的輸入操縱桿和控制手術(shù)器械和執(zhí)行眼內(nèi)組織物理操作的機(jī)器人系統(tǒng)組成。機(jī)器人系統(tǒng)通過(guò)頭枕牢固地固定在手術(shù)臺(tái)或 Stryker上與手術(shù)切口對(duì)齊。通過(guò)移動(dòng)輸入操縱桿，外科醫(yī)生可以通過(guò)切口引導(dǎo)工具在整個(gè)眼內(nèi)工作空間的運(yùn)動(dòng)，并使用標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)顯微鏡作為視覺(jué)反饋。
機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于許多早期手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)常見(jiàn)的平行四邊形連桿。這種設(shè)計(jì)提供了一個(gè)機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心，并通過(guò)串行連接提高了工具尖端的位置精度?？烧{(diào)節(jié)配重增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，該配重可最大限度地減少所需的關(guān)節(jié)扭矩，并在發(fā)生斷電或系統(tǒng)故障時(shí)將系統(tǒng)保持在固定配置中。發(fā)明人報(bào)告了 10 µm 的工具提示位置分辨率，并通過(guò)在活的麻醉豬中創(chuàng)建靜脈閉塞初步展示了 Preceyes 的能力。
2018 年，Preceyes 手術(shù)系統(tǒng)被用于進(jìn)行臨床試驗(yàn)，以比較機(jī)器人輔助手術(shù)與傳統(tǒng)手術(shù)。在這項(xiàng)研究中，在需要去除視網(wǎng)膜的患者和需要視網(wǎng)膜下注射的患者中進(jìn)行了兩組試驗(yàn)。在第一階段，Preceyes 系統(tǒng)用于使用斜面針從黃斑表面提起視網(wǎng)膜膜瓣。本研究招募了12名黃斑裂孔患者，這些患者接受全身麻醉，維持肌肉放松和機(jī)械通氣，以確保消除自主呼吸。垂直于視網(wǎng)膜的工具提示定向運(yùn)動(dòng)被限制為 10 µm 的增量。一旦定位，外科醫(yī)生就會(huì)在控制軟件中設(shè)置一個(gè)虛擬邊界，這樣就可以禁止任何額外的深度命令，并且可以防止醫(yī)源性視網(wǎng)膜損傷。
在第二階段，使用 Preceyes 對(duì)三名因視網(wǎng)膜下出血導(dǎo)致中心視力喪失的患者進(jìn)行視網(wǎng)膜下注射重組組織型纖溶酶原激活劑 (rtPA)。在這項(xiàng)研究中，三名患者被置于局部麻醉下，機(jī)器人協(xié)助將 0.025-0.10 ml rtPA 輸送到視網(wǎng)膜下空間。在一名患者中，白內(nèi)障的短暫術(shù)中惡化妨礙了對(duì)套管尖端的清晰觀察，并且是手動(dòng)完成的，但除此之外，所有三名患者都成功進(jìn)行了視網(wǎng)膜下注射。
Preceyes已展現(xiàn)出機(jī)器人系統(tǒng)的安全性，機(jī)器人輔助程序在所有試驗(yàn)中減少了整體的無(wú)意視網(wǎng)膜接觸和微出血，且沒(méi)有遇到系統(tǒng)故障或技術(shù)故障。雖然機(jī)器人輔助外科醫(yī)生的表現(xiàn)比無(wú)輔助外科醫(yī)生慢，但手術(shù)并發(fā)癥的減少和機(jī)器人系統(tǒng)精度的提高表明將手術(shù)機(jī)器人技術(shù)納入眼內(nèi)眼科手術(shù)領(lǐng)域的光明前景。目前Preceyes 已經(jīng)獲得 CE 認(rèn)證。
（四）魯汶天主教大學(xué)系統(tǒng)
2014 年，魯汶天主教大學(xué)的微型和精密工程組設(shè)計(jì)出了一個(gè)遙控機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有運(yùn)動(dòng)縮放、震顫補(bǔ)償和縮放力反饋。該系統(tǒng)是一個(gè)共同操縱的機(jī)器人系統(tǒng)，旨在通過(guò)減少手產(chǎn)生的震顫的幅度并促進(jìn)長(zhǎng)時(shí)間保持固定位置的能力，為外科醫(yī)生提供更高的穩(wěn)定性和精確度。該裝置由一個(gè)平行臂機(jī)構(gòu)和一個(gè)機(jī)械遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心組成，并通過(guò)一個(gè)球形機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。該系統(tǒng)用于對(duì)體內(nèi)豬眼進(jìn)行視網(wǎng)膜靜脈插管，針尖穩(wěn)定靜脈位置超過(guò) 3 分鐘，并在 18 只眼中的 15 只眼中試驗(yàn)成功，且沒(méi)有報(bào)告機(jī)器人設(shè)備的技術(shù)故障。
在取得初步成功之后，研究人員在《生物醫(yī)學(xué)工程年鑒》中報(bào)告了他們新的研究結(jié)果。他們完成了世界上第一個(gè)人體機(jī)器人輔助視網(wǎng)膜靜脈插管的臨床評(píng)估。在這項(xiàng)研究中，四名視網(wǎng)膜靜脈阻塞 (RVO) 患者通過(guò) I 期臨床試驗(yàn)在魯汶大學(xué)醫(yī)院接受治療。該試驗(yàn)涉及將 Ocriplasmin 注射到目標(biāo)視網(wǎng)膜靜脈（估計(jì)直徑 100-150 µm），注射持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 10 分鐘。成功的結(jié)果證明了借助機(jī)器人技術(shù)使用立體顯微鏡和合適的眼內(nèi)照明進(jìn)行視網(wǎng)膜靜脈插管的技術(shù)可行性。該機(jī)器人系統(tǒng)現(xiàn)在由該大學(xué)的衍生公司 MYNUTIA 開(kāi)發(fā)，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人正在努力將開(kāi)發(fā)的技術(shù)商業(yè)化。
（五）眼內(nèi)機(jī)器人介入手術(shù)系統(tǒng)（IRISS）
IRISS 是加州大學(xué)洛杉磯分校通過(guò)機(jī)電一體化和控制實(shí)驗(yàn)室與斯坦眼科研究所合作開(kāi)發(fā)的。這項(xiàng)工作的總體目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程操作和全自動(dòng)化相結(jié)合來(lái)執(zhí)行前部和后部眼內(nèi)手術(shù)。
IRISS于 2013 年首次提出，旨在遠(yuǎn)程執(zhí)行廣泛的前段和后段外科手術(shù)。該機(jī)器人系統(tǒng)具有快速工具交換機(jī)制，能夠安裝任何市售的手術(shù)器械，并在幾毫秒內(nèi)在眼外進(jìn)行切換。此外，該機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)新穎方面是其雙臂配置，通過(guò)在機(jī)械確定的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心附近的兩個(gè)手術(shù)切口，可以在眼內(nèi)同時(shí)使用兩個(gè)工具。外科醫(yī)生通過(guò)一對(duì)定制的操縱桿從遠(yuǎn)處遠(yuǎn)程操作機(jī)器人系統(tǒng)，這些操縱桿通過(guò)一系列運(yùn)動(dòng)縮放和震顫減少技術(shù)映射到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。這些功能有助于提高安全性并改善外科醫(yī)生的表現(xiàn)。該系統(tǒng)通過(guò)集成到數(shù)字顯微鏡中的立體攝像頭實(shí)現(xiàn)三維視覺(jué)反饋，并通過(guò)平視顯示器向外科醫(yī)生顯示。
IRISS 在標(biāo)準(zhǔn)手術(shù)室中使用離體豬眼在一組常見(jiàn)的白內(nèi)障和玻璃體視網(wǎng)膜外科手術(shù)中得到驗(yàn)證 。外科醫(yī)生能夠成功地進(jìn)行遠(yuǎn)程操作前晶狀體撕囊、粘彈性注射、水分離、晶狀體抽吸、視網(wǎng)膜靜脈插管和玻璃體切除術(shù)。特別是，進(jìn)行了視網(wǎng)膜靜脈插管以證明 IRISS 執(zhí)行準(zhǔn)確定位任務(wù)的能力。在許多手術(shù)中，第二個(gè)手臂被用來(lái)控制一個(gè)額外的工具，并展示了 IRISS 同時(shí)操作兩個(gè)手術(shù)器械的獨(dú)特能力。IRISS 是第一個(gè)成功完成曲線(xiàn)撕囊和整個(gè)白內(nèi)障手術(shù)的機(jī)器人系統(tǒng)。
然而，隨著飛秒激光系統(tǒng)的引入和其他新興技術(shù)的進(jìn)步，白內(nèi)障手術(shù)的特定步驟（如角膜切口、撕囊和晶狀體破碎）可以在無(wú)需人工操作眼內(nèi)組織的情況下完成。雖然這些基于激光的方法自然地提高了安全性并減少了手術(shù)并發(fā)癥，但它們無(wú)法去除乳化皮質(zhì)材料或植入人工晶狀體植入物。這些步驟仍然必須由外科醫(yī)生手動(dòng)執(zhí)行，并且由于人類(lèi)外科醫(yī)生的生理限制和傳感能力的不足，手術(shù)并發(fā)癥仍然存在。
為此，IRISS 與 OCT 系統(tǒng)集成，該反饋用于執(zhí)行自動(dòng)白內(nèi)障摘除。在這項(xiàng)工作中（上圖），外科醫(yī)生手動(dòng)準(zhǔn)備離體豬眼，機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)眼睛解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，規(guī)劃提取軌跡，并自動(dòng)從囊袋中取出晶狀體材料。該系統(tǒng)自動(dòng)將自身與眼睛對(duì)齊，并引導(dǎo)沖洗/抽吸機(jī)頭通過(guò)角膜切口。然后使用圖像處理算法從一組術(shù)前 OCT 體積掃描中識(shí)別和建模前段內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)使用該模型來(lái)規(guī)劃通過(guò)囊袋的工具提示軌跡，該軌跡經(jīng)過(guò)優(yōu)化以移動(dòng)晶狀體材料并提高手術(shù)效果和效率，同時(shí)保持安全性。然后系統(tǒng)跟蹤該軌跡，同時(shí)根據(jù)尖端到組織的距離控制沖洗和抽吸力。雖然晶狀體提取步驟是全自動(dòng)的，但為外科醫(yī)生提供了術(shù)中監(jiān)督和手動(dòng)干預(yù)能力。圍繞工具尖端定位的術(shù)中 OCT 掃描實(shí)時(shí)顯示給外科醫(yī)生。
IRISS最新實(shí)驗(yàn)，OCT 集成機(jī)器人系統(tǒng)在離體豬眼的臨床環(huán)境中進(jìn)行了評(píng)估 。結(jié)果表明，所有 30 項(xiàng)試驗(yàn)均避免了后囊膜破裂。對(duì) 25 個(gè)樣本進(jìn)行了完全晶狀體提取——其中 5 個(gè)樣本在術(shù)后評(píng)估中發(fā)現(xiàn)了隱藏在 OCT 無(wú)法成像的虹膜后面的晶狀體材料的微小顆粒。
IRISS 的未來(lái)工作包括將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)集成以及將特定的自動(dòng)化程序集成到手術(shù)體驗(yàn)中。研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)手術(shù)系統(tǒng)，其帶有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)駕駛艙，集成了多感官反饋，包括顯微鏡上的圖像疊加和 OCT 反饋顯示器、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)反饋。在虛擬環(huán)境中進(jìn)行研究，以證明添加這種反饋可以提高外科醫(yī)生在視網(wǎng)膜前膜剝離過(guò)程中的表現(xiàn)。要求具有一系列技能的參與者使用兩組反饋進(jìn)行虛擬視網(wǎng)膜前膜剝離：（1）僅視覺(jué)和（2）具有觸覺(jué)反饋的視覺(jué)。結(jié)果表明，當(dāng)視覺(jué)顯示完全增強(qiáng)時(shí)，任務(wù)完成時(shí)間和視網(wǎng)膜損傷減少。
04手術(shù)機(jī)器人在眼科的未來(lái)應(yīng)用
將機(jī)器人系統(tǒng)納入眼科手術(shù)實(shí)踐有望提高精度，并有可能實(shí)現(xiàn)目前不可行的全新外科手術(shù)。基于激光的外科手術(shù)（如飛秒激光輔助白內(nèi)障手術(shù)）已經(jīng)提供了超人類(lèi)水平的準(zhǔn)確性和安全性，以降低術(shù)中和術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生率。此外，顯微鏡集成的 OCT 改進(jìn)了可視化，并通過(guò)結(jié)合在顯微鏡視圖旁邊顯示的實(shí)時(shí) OCT 圖像饋送，引入了在手術(shù)過(guò)程中準(zhǔn)確感知深度的能力。盡管有這些技術(shù)進(jìn)步，但手術(shù)并發(fā)癥仍然存在，因?yàn)檠蹆?nèi)組織的操作仍然依賴(lài)于人類(lèi)的手術(shù)技能。
1.白內(nèi)障手術(shù)
對(duì)于白內(nèi)障手術(shù)，機(jī)器人機(jī)械手可以與現(xiàn)有的飛秒激光系統(tǒng)集成以執(zhí)行完整的白內(nèi)障摘除術(shù)。雖然白內(nèi)障手術(shù)很常見(jiàn)，并且與其他眼內(nèi)手術(shù)相比其并發(fā)癥發(fā)生率較低，但在一項(xiàng)為期 4 年的隨訪(fǎng)研究中，67% 的手術(shù)病例中檢測(cè)到后囊膜混濁 (PCO) 。晶狀體殘余物的感知和可視化不足導(dǎo)致晶狀體從囊袋中不完全移除可導(dǎo)致PCO。機(jī)器人系統(tǒng)的未來(lái)應(yīng)用是通過(guò)改進(jìn)對(duì)晶狀體赤道的感應(yīng)以及通過(guò)囊拋光技術(shù)在瞳孔和赤道區(qū)域完成晶狀體材料清潔來(lái)減少 PCO。
傳感缺陷也會(huì)增加后囊破裂的風(fēng)險(xiǎn)，這是在核乳化、皮質(zhì)去除和囊拋光過(guò)程中發(fā)生的最常見(jiàn)的并發(fā)癥。囊袋（包括后囊）是一種不易察覺(jué)的脆弱組織，厚度約為10µm。當(dāng)靠近包膜時(shí)，可能會(huì)因抽吸水平不適當(dāng)或超聲乳化或沖洗/抽吸工具的操作不準(zhǔn)確而發(fā)生后囊膜破裂。通過(guò)結(jié)合高分辨率眼內(nèi) OCT 成像和高精度機(jī)器人操作，后囊的整體定位，從后極到晶狀體赤道，可用于安全引導(dǎo)手術(shù)器械進(jìn)行白內(nèi)障摘除，從而降低白內(nèi)障風(fēng)險(xiǎn)后囊破裂。此外，OCT 反饋和準(zhǔn)確的眼內(nèi)操作還可以實(shí)現(xiàn)精確的 OCT 引導(dǎo)的人工晶狀體植入。
2.眼底GCT治療
眼內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)的潛在未來(lái)應(yīng)用包括基因和干細(xì)胞治療，這些治療目前是嚴(yán)重的視網(wǎng)膜疾病的前沿治療方向。為了實(shí)現(xiàn)給藥，需要在玻璃體或視網(wǎng)膜下空間中進(jìn)行準(zhǔn)確和長(zhǎng)時(shí)間的注射，而傳統(tǒng)的玻璃體內(nèi)給藥技術(shù)并不理想。幾項(xiàng)關(guān)于視網(wǎng)膜下應(yīng)用的研究已經(jīng)在沒(méi)有機(jī)器人輔助的情況下進(jìn)行，并在治療年齡相關(guān)性黃斑變性、斯塔加特病和無(wú)脈絡(luò)膜癥等疾病方面取得了可喜的成果。然而，與傳統(tǒng)的玻璃體內(nèi)給藥技術(shù)相比，視網(wǎng)膜下注射與手術(shù)并發(fā)癥的增加有關(guān)，例如玻璃體出血、視網(wǎng)膜脫離和術(shù)后脈絡(luò)膜新生血管的發(fā)展。由于這些原因，必須進(jìn)一步研究藥物輸送方法以提供安全有效的治療選擇。手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)預(yù)計(jì)將具有對(duì)正確給藥至關(guān)重要的精度和準(zhǔn)確性。
3.RVO 治療
眼內(nèi)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的另一個(gè)潛在未來(lái)應(yīng)用可能涉及 RVO 治療。
RVO 是視網(wǎng)膜靜脈硬化和血栓形成，是比較常見(jiàn)的眼底血管病，可通過(guò)黃斑水腫、青光眼或玻璃體出血導(dǎo)致視力喪失，并影響約 2% 的人群。一種潛在的治療方法是視網(wǎng)膜靜脈插管。在這種技術(shù)中，通過(guò)微量移液器對(duì)堵塞的靜脈進(jìn)行插管，并將抗凝劑注入管腔以溶解凝塊?？鼓齽┍仨氶L(zhǎng)時(shí)間連續(xù)注射，手術(shù)工具必須在靜脈內(nèi)保持穩(wěn)定。人手震顫范圍已超出視網(wǎng)膜靜脈直徑。因此，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確定位要求導(dǎo)致手術(shù)對(duì)于人類(lèi)外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)非常難以成功執(zhí)行，但對(duì)于機(jī)器人系統(tǒng)則不然。
迄今為止，成功的機(jī)器人輔助靜脈插管已在動(dòng)物模型和人類(lèi)患者中得到證實(shí)，但尚未作為安全有效的治療選擇得到廣泛驗(yàn)證。
RVO其病理特征是：視網(wǎng)膜血液瘀滯、靜脈迂曲擴(kuò)張、視網(wǎng)膜出血和水腫。RVO可分為視網(wǎng)膜中央靜脈阻塞(CRVO)及視網(wǎng)膜靜脈分支阻塞(BRVO)。
RVO是僅次于糖尿病視網(wǎng)膜病變的第二大導(dǎo)致老年人視力損傷的視網(wǎng)膜疾病，40歲以上人群患病率為0.3%～1.9% 。
RVO一般發(fā)現(xiàn)較為晚期，患者因臨床癥狀嚴(yán)重去醫(yī)院求醫(yī)的時(shí)候已經(jīng)是重癥，往往發(fā)現(xiàn)有新生血管、增殖性病變、炎癥因子浸潤(rùn)，這已經(jīng)是終末期病理變現(xiàn)，是機(jī)體對(duì)缺血或無(wú)灌注領(lǐng)域的代償性增生，為RVO并發(fā)癥黃斑水腫的損害表現(xiàn)。臨床上通常采用抗VEGF、光凝、抗炎等作為一線(xiàn)治療。這的確是治療現(xiàn)狀。
但邏輯是治療由RVO引起的并發(fā)癥損傷，而不是直接解決靜脈栓塞。之所以有這樣的治療邏輯，是因?yàn)榕R床上醫(yī)生發(fā)現(xiàn)：視網(wǎng)膜靜脈阻塞治療是一個(gè)逐步的進(jìn)化過(guò)程，從最早的靜脈阻塞被理解為血管堵塞就應(yīng)疏通血管，因此會(huì)進(jìn)行輸液，比如輸一些擴(kuò)血管的藥物，甚至抗凝抗血栓的藥物，但其治療效果并不理想。
從直接解決栓塞的邏輯出發(fā)，小編認(rèn)為對(duì)手術(shù)機(jī)器人的臨床需求還是存在的。如果能通過(guò)高精的手術(shù)機(jī)器人，在塌陷的靜脈插管操作RVC注射溶栓劑，通過(guò)輔助路徑實(shí)現(xiàn)，這是臨床醫(yī)生樂(lè)見(jiàn)的，也可作為適應(yīng)癥的解決方案之一。目前現(xiàn)有的臨床治療方案是基于現(xiàn)有的技術(shù)存在。有臨床醫(yī)生認(rèn)為BRVO主要在于處理靜脈阻塞的轉(zhuǎn)歸而非解決阻塞本身，一般預(yù)后較好，小編也和醫(yī)生朋友進(jìn)行過(guò)討論，認(rèn)為CRVO往往較為嚴(yán)重，血管也相對(duì)較粗，是手術(shù)機(jī)器人相較于BRVO可以介入的RVO類(lèi)型（歡迎臨床醫(yī)生一起討論）。
視網(wǎng)膜靜脈插管 (RVC) 是一種正在研究當(dāng)中的潛在外科手術(shù)，通過(guò)將治療劑直接輸送到栓塞部位來(lái)治療 RVO。該過(guò)程包括三個(gè)主要步驟：(1) 準(zhǔn)確地將尖端的插管插入阻塞的視網(wǎng)膜靜脈；(2) 刺穿靜脈壁并將插管尖端精確地停在正確的深度；(3) 將插管保持在視網(wǎng)膜靜脈內(nèi)。靜脈注射幾分鐘，在此期間，治療劑目前是組織纖溶酶原激活劑 (t-PA) 或 ocriplasmin，以溶解阻塞的血栓。
這是一個(gè)非常高風(fēng)險(xiǎn)的手術(shù)，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜靜脈體積小且脆弱，特別是如果阻塞位于視網(wǎng)膜分支靜脈（通常 Ø < 200 μm） 。目前全球多家公司在動(dòng)物模型眼、人眼中使用眼科手術(shù)人機(jī)器人進(jìn)行視網(wǎng)膜靜脈插管，展示了該技術(shù)在臨床應(yīng)用的可行性基礎(chǔ)。
附一項(xiàng)視網(wǎng)膜靜脈阻塞的血小板和血栓形成相關(guān)危險(xiǎn)因素的研究[5]：
視網(wǎng)膜靜脈阻塞 (RVO) 是一種異質(zhì)性疾病，其中血栓的形成導(dǎo)致視網(wǎng)膜靜脈系統(tǒng)變窄并阻礙視網(wǎng)膜循環(huán)的靜脈回流。RVO的發(fā)病機(jī)制尚不明確，但被認(rèn)為是多因素的，取決于局部和全身因素，可分為血管因素、血小板因素和高凝因素。血管因素包括血脂異常、高血壓和糖尿病。關(guān)于血小板因素，血小板功能、平均血小板體積（MPV）、血小板分布寬度（PDW）和血小板大細(xì)胞比（PLCR）在視網(wǎng)膜靜脈阻塞的診斷中起關(guān)鍵作用，應(yīng)予以監(jiān)測(cè)。高凝狀態(tài)在視網(wǎng)膜靜脈阻塞中的作用機(jī)制仍不清楚，需要進(jìn)一步研究。根據(jù)Virchow的三聯(lián)征，上述所有因素都會(huì)導(dǎo)致血栓形成，從而導(dǎo)致眼底靜脈血管發(fā)生病理生理變化，進(jìn)而導(dǎo)致血管閉塞。因此，視網(wǎng)膜靜脈阻塞的診斷應(yīng)基于眼科檢查和全身檢查。
另附一項(xiàng)關(guān)于亞洲人群RVO流行病學(xué)數(shù)據(jù)[6]：
一新加坡科研團(tuán)隊(duì)為了“描述多種族亞洲人群中視網(wǎng)膜靜脈阻塞 (RVO) 的患病率及其危險(xiǎn)因素“在2016年《Ophthalmic Epidemiology》發(fā)表的了一項(xiàng)關(guān)于《多種族亞洲人群的視網(wǎng)膜靜脈阻塞：新加坡眼病流行病學(xué)研究》的研究。研究顯示：在新加坡40-80 歲的多種族亞洲人口中，RVO 的總體粗略患病率為 0.72%。RVO 的粗略患病率在中國(guó)、印度和馬來(lái)人參與者中相似（ p = 0.865）。在多變量回歸模型中，RVO 的顯著危險(xiǎn)因素包括年齡增加，高血壓，血清肌酐升高，心臟病發(fā)作史和總膽固醇增加。據(jù)估計(jì)，到 2020 年和 2040 年，RVO 將分別影響亞洲多達(dá) 1600和2100 萬(wàn)人。
針對(duì)RVO的解決方案，目前除了藥物，設(shè)備類(lèi)產(chǎn)業(yè)切入口還可以有兩個(gè)思路：
診斷設(shè)備：早發(fā)現(xiàn)早治療，開(kāi)發(fā)早期發(fā)現(xiàn)RVO病理生化的診斷技術(shù)，包括全身（血液系統(tǒng)）和眼科，尤其是眼科，如一些更早期、更精準(zhǔn)的影像設(shè)備、超聲診斷技術(shù)、液體活檢技術(shù)等等；
輔助手術(shù)設(shè)備：在明確的手術(shù)指征下，比如并發(fā)癥出現(xiàn)早期或之前，或者溶栓方案預(yù)期對(duì)疾病轉(zhuǎn)歸收益較大，可以直接解決RVO血管栓塞，即通過(guò)手術(shù)機(jī)器人輔助操作。
05未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
在不久的將來(lái)，眼內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)的方向是改進(jìn)特定和常規(guī)任務(wù)的可視化和機(jī)器人輔助?？梢韵胂?，這些任務(wù)可以完全或部分自動(dòng)化，并由人類(lèi)操作員或外科醫(yī)生獨(dú)立執(zhí)行。這些成就只能通過(guò)改進(jìn)來(lái)自 OCT 的反饋或與機(jī)器人系統(tǒng)緊密集成并準(zhǔn)確注冊(cè)的其他圖像模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，我們?cè)O(shè)想具有沉浸式增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)駕駛艙的手術(shù)系統(tǒng)，并配備多感官反饋。這種集成的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視覺(jué)顯示器可以提高執(zhí)行完整眼內(nèi)手術(shù)的安全性和有效性。這在復(fù)雜的視網(wǎng)膜手術(shù)病例中可能特別有益，例如在準(zhǔn)確的情況下解剖嚴(yán)重的視網(wǎng)膜前組織，雙手操作是必要的，但受限于電流感應(yīng)能力和雙手操作的難度。在遙遠(yuǎn)的未來(lái)，可以想象由人工智能引導(dǎo)的眼內(nèi)機(jī)器人系統(tǒng)甚至可以擁有在沒(méi)有人類(lèi)外科醫(yī)生任何輸入的情況下做出手術(shù)決策的能力。
參考：
[1]https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319-47226-3_14
[2]https://www.ophthorobotics.com/product-en.html
[3]https://euroeyes.com/robotic-eye-surgery-an-overview/
[4]Pitcher et al., J Comput Sci Syst Biol 2012, S3; DOI: 10.4172/jcsb.S3-001
[5]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5441978/
[6]https://www.nature.com/articles/s41433-020-0837-9
[7]https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128142455000360
[8]http://robot.sia.cn/CN/10.13973/j.cnki.robot.200040
[9]http://robot.sia.cn/CN/10.3724/SP.J.1218.2014.00293
[10]Surgical robots types, advantages, disadvantages, How is robotic surgery different from traditional BY HEBA SOFFAR· PUBLISHED APRIL 19, 2022 · UPDATED APRIL 22, 2022
[11]https://www.preceyes.nl/
[12]https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2021.104568
[13]DOI:10.3901/JME.2013.01.015
[14]DOI:10.13973/j.cnki.robot.180292
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