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嘉峪檢測網(wǎng) 2024-11-01 08:40
根據(jù)2022年6月發(fā)布的《中國心血管健康與疾病報告2021》， 心血管疾病已成為醫(yī)學(xué)界公認(rèn)超越癌癥的人類健康頭號殺手， 且發(fā)病率呈上升趨勢 。 微創(chuàng)血管介入手術(shù)因為創(chuàng)傷小、恢復(fù)快、并發(fā)癥少等優(yōu)點， 已經(jīng)成為治療心血管疾病的主要治療手段。血管介入手術(shù)機器人技術(shù)的出現(xiàn)， 提供了手術(shù)部分過程自動化的可能性， 也為醫(yī)療帶來了革命性的變化。
當(dāng)前， 新產(chǎn)品和新技術(shù)不斷涌 現(xiàn)， 例如，Stereotaxis公司在首個磁導(dǎo)航Niobe系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 設(shè)計出的GenesisRMN系統(tǒng)， 它縮小了永磁體的體積，改進了磁體的操控方式， 提高了響應(yīng)速率。 Corindus公司的CorPath GRX則在CorPath 200的基礎(chǔ)上 ， 增強了主動變形導(dǎo)管的功能， 并進行了人體試驗。
與腔鏡、 骨科等手術(shù)不同 ， 血管介入手術(shù)高度依賴于裝置的反饋信息。因此， 如何讓機器人更好地充當(dāng)我們的“ 眼” 和“ 手” 就顯得非常關(guān)鍵。血管介入手術(shù)機器人的視覺反饋主要依靠圖像導(dǎo)航技術(shù)。
磁共振、光學(xué)相干斷層掃描、血管內(nèi)超聲顯像、熒光成像等影像學(xué)技術(shù)可以用來發(fā)展兼容導(dǎo)管技術(shù)，從而提升血管介入機器人導(dǎo)航圖像系統(tǒng)的性能， 使機器人在手術(shù)中能看得更清楚、更遠(yuǎn)，操作更精準(zhǔn)。力反饋的缺失限制了機器人在復(fù)雜困難病變、鈣化病變、慢性閉塞病變中的應(yīng)用， 然而目前還沒有非常成熟的具有力反饋功能的血管介入手術(shù)機器人。這一亟待解決的難題需要通過相關(guān)零部件和配套技術(shù)的不斷優(yōu)化和創(chuàng)新來實現(xiàn)技術(shù)突破，仍然有很長的路要走。
1-設(shè)計力反饋單元面臨的基本問題
在傳統(tǒng)手術(shù)過程中，醫(yī)生需要根據(jù)自身經(jīng)驗和視覺反饋信息，判斷導(dǎo)管與血管內(nèi)膜的接觸力 是否會造成損傷。但是，醫(yī)生的經(jīng)驗、疲勞程度、手部震顫等因素也會影響導(dǎo)管的操作。
使用介入手術(shù)機器人， 尤其是具有力反饋功能的機器人， 可以有效避免這些不利因素， 實現(xiàn)手術(shù)的半自動化和穩(wěn)定性。為了更好地設(shè)計出精準(zhǔn)的力反饋單元，需要考慮幾個基本問題：
1-人手的感知力問題
要實現(xiàn)力反饋單元， 首先要了解人手能夠準(zhǔn)確地感受到力的過程。當(dāng)手部皮膚受到外部機械刺激時， 皮膚中的感受器群體會產(chǎn)生放電響應(yīng) ，這些信號通過神 經(jīng)傳送給大腦進行綜合分析， 形成力感知。目前血管介入手術(shù)機器人的力感知主要是壓力感知（即力的可分解量化）。
研究表明，人手感知力的最小閾值為0.05N，差別閾值在0.5~1.5 N之間 。因 此，力反饋單元設(shè)計的最小閾值要<0.05N。同時，力反饋單元設(shè)計的最大閾值要考慮醫(yī)生的疲勞感，保證醫(yī)生手術(shù)操作的舒適度。此外，為了更加精準(zhǔn)地獲得人手與力反饋的感知情況，可以嘗試建立相應(yīng)的力感知模型，獲得人體感知與客觀刺激之間的定量描述，以此促進力反饋技術(shù)的發(fā)展。
2-力損耗和力補償問題
從導(dǎo)管或?qū)Ыz接受力，到人手感知力，這個過程中會有一些力的損耗，導(dǎo)致反饋到人手的力精度不足，影響力反饋的透明性。這些力的損耗可能源于血管介入手術(shù)機器人中的連桿重力、機械慣性等因素引起的摩擦力 。
因此需要設(shè)置相應(yīng)的機械力補償單元或引入力補償控制算法，來平衡損耗力的力矩。根據(jù)補償力的性質(zhì)， 可以分為配重補償、彈簧補償和輔助執(zhí)行器拖動裝置補償。
2-血管介入手術(shù)機器人力反饋的實現(xiàn)方式
由于現(xiàn)有的商業(yè)操作手柄存在運動行程有限、不符合醫(yī)生操作習(xí)慣、不能實現(xiàn)360° 連續(xù)旋 轉(zhuǎn)（例如Touch X）、成本高昂等問題，如何研究出更適合介入手術(shù)機器人臨床使用的力 反饋系統(tǒng)成為當(dāng)前的研究熱點。
根據(jù)反饋力單元的原理不同，血管介入手術(shù)機器人的力反饋可以分為：基于機械作用的力 反饋、基于電流變液的力反饋、基于磁流變液的力反饋等方式。
1-機械力反饋
基于機械原理的血管介入手術(shù)機器人力反饋方式是較早發(fā)展的一種方式。Payne等研發(fā)了 一款介入手術(shù)機器人，該機器人利用主端的音圈 電機實現(xiàn)徑向力反饋功能， 當(dāng)導(dǎo)管末端的應(yīng)變片檢測到碰撞力時，計算機將力的數(shù)值傳遞給音圈電機， 音圈電機產(chǎn)生力再傳遞給人手。
該系統(tǒng)的優(yōu)點是符合人體工學(xué)設(shè)計，模擬醫(yī)生真實操縱導(dǎo)管，減少了學(xué)習(xí)時間；缺點是沒有實現(xiàn)軸向力反饋功能，且設(shè)計的行程太短，需要頻繁往復(fù)調(diào)整。
Yang 等 [24] 研發(fā)了 一種主從介入手術(shù)機器人的 同 構(gòu)交互式主控制 器， 與其他研究不同 的是， 它采用了 兩種不同 的力 反饋方式， 一種是通過改變電 流發(fā)送一個徑向 力反饋信號， 電機產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)徑向 力 反饋；另 一種是通過調(diào)節(jié)勵磁電 流利用磁粉制 動器產(chǎn)生扭矩， 實現(xiàn)軸向 力 反饋。機械力 反饋主要是通過計算機控制 輸入電 壓改變電 機的轉(zhuǎn)動扭矩實現(xiàn)， 但由 于啟 停過程中 電 機都需要克服一定的慣性， 無法做到 同 步反饋， 嚴(yán)重影響了 醫(yī)生的判斷。而且加裝了 電 機之后的整個機械系統(tǒng)都變得更復(fù)雜且體積龐大， 壓縮了 手術(shù)空間，還會產(chǎn)生噪聲影響[25] 。因 此，基于機械力 作用 的血管介入手術(shù)機器人力反饋系統(tǒng)仍存在明顯弊端。
2-電流變液力反饋
因為機械力反饋反方無法解決的電機慣性問題， 新興智能材料進入到人們的視野當(dāng)中。電流變液 （ERF）是一種可以通過改變外加電場改變其形態(tài)的特殊液體，一般由絕緣基礎(chǔ)液、固體介電粒子及添加劑組成。
電流變效應(yīng)指的是柔性材料 （如懸浮液或膠體）在外加電場下其流變性能 （如黏度、剪切應(yīng)力、剪切模量等） 發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。ERF可控的屈服應(yīng)力、彈性模量是其成為智能材料的主要原因。
然而基于ERF的力反饋方式因為所需電流過大，缺乏一定的安全性，無法投入到實際運用當(dāng) 中。這也是電流變液力反饋技術(shù)的致命缺點， 這種智能材料的工作電壓在0~5kV左右， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了人體的安全電壓，實際應(yīng)用過程中 存在極大的安全隱患，工作條件受到極大限制。
3-磁流變液力反饋
磁流變液（MRF） 結(jié)構(gòu)上與ERF類似，不同的是利用磁導(dǎo)原理， 由軟磁性顆粒、非導(dǎo)磁性載液和添加劑組成。羰基鐵粉是軟磁性顆粒的一般材料。彌補了ERF不足的MRF，線圈中 的電流通常在1~10A的范圍內(nèi)，而且MRF相對于ERF具有更高的靈敏度，可根據(jù)磁場強度幾毫秒內(nèi)瞬時改變形態(tài)。因此，采用MRF產(chǎn)生阻尼應(yīng)用于力反饋技術(shù)具有更為廣闊的發(fā)展前景。
但在MRF的使用過程中也發(fā)現(xiàn)了問 題：
⑴ 其流體狀態(tài)在清潔區(qū)域（如手術(shù)室）的可用性存疑，并出現(xiàn)大量產(chǎn)熱的現(xiàn)象（由于線圈的功耗），導(dǎo)致不準(zhǔn)確的力呈現(xiàn)；
⑵基于MRF的系統(tǒng)因為其被動黏度（即在沒有外部磁場的固有黏度），不能在導(dǎo)管上產(chǎn)生零摩擦度。
在此基礎(chǔ)上，Hooshiar等開創(chuàng)性地提出利用磁流變彈性體（MRE） 作為扭矩調(diào)節(jié)介質(zhì)， 使用永磁體代替線圈產(chǎn)生前所未有的徑向磁場。該裝置能夠產(chǎn)生和控制高達(dá)115∶50∶7 mNm的阻力扭矩和高達(dá)5.77N的觸覺力，在機器人輔助心血管干預(yù)的觸覺反饋應(yīng)用方面顯示出良好的性能。
4-其他力反饋
除上述的直接力反饋方式外， 力反饋也可以通過其他方式實現(xiàn)， 比如 “局部力反饋” 和“感知替代”。
Sankaran等提出了一種血管內(nèi)機器人系統(tǒng)， 該機器人使用力校準(zhǔn)來找到一個動態(tài)閾值，從而引起觸覺振動，從而在機器人對血管施加過多的力時提示外科醫(yī)生。Dagnino等則提出了一種新的血管內(nèi)置管機器人平臺CathBot，它是一個符合人體工程學(xué)的主從系統(tǒng)， 配備有導(dǎo)航系統(tǒng)和基于視覺的集成力反饋， 旨在保持血管外科醫(yī)生的自然床邊技能， 并經(jīng)試驗證明，當(dāng)其提供力反饋時，平均力下降70%， 最大力下降61%。
3-血管介入手術(shù)機器人力系統(tǒng)的需求分析
無論是機械力反饋、電流變液力反饋、磁流變液力反饋或者其他力反饋技術(shù)， 對于血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)而言， 都需要經(jīng)過以下幾個步驟：
力傳感器檢測導(dǎo)管/導(dǎo)絲與血管壁的接觸力，計算機根據(jù)力信號估算反饋力，力反饋裝置將反饋力傳遞給醫(yī)生的主手， 醫(yī)生根據(jù)視覺和力 覺反饋調(diào)整操作策略 （下圖） 。根據(jù)血管介入手術(shù)機器人的特點，血管介入手術(shù)機器人系 統(tǒng)應(yīng)該具備以下幾個方面的能力。
1-合理的力傳感器設(shè)計
一般而言，應(yīng)變片是組成力傳感器的主要元件，具有防水性能好、體積小等優(yōu)點。它們通常貼在一塊彈性體上并通過檢測 彈性體的形變程度實現(xiàn)多自由度檢測力。因此，彈性體的設(shè)計需要考慮與機械結(jié)構(gòu)的剛度相匹配。為了減少電阻式傳感器的遲滯性影響 ， 一般采用應(yīng)變片 和彈性體一體化的力 傳感器。另外，可替代應(yīng)變片的新型導(dǎo)電聚合物材料也在小范圍內(nèi) 得到了應(yīng)用，例如，基于炭納米管（CNT）傳感器、基于柔性導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料（FCPC）傳感器。
近年來，由于電阻式傳感器在血管介入手術(shù)應(yīng)用環(huán)境中 存在尺寸限制， 光纖力傳感器得到 了關(guān)注，并且相關(guān)技術(shù)也在積極開展研究，例如Tang等基于自由和約束拓?fù)洌‵ACT） 方法開發(fā)了一種用于手術(shù)機器人觸覺反饋的新型高精度光纖布拉格光柵（FBG）支持的三軸遠(yuǎn)端力傳感器。
2-精準(zhǔn)的受力檢測
目前，手術(shù)機器人領(lǐng)域的力檢測方案主要有兩種：直接檢測和間接檢測 。
直接檢測包括基于電阻和光纖兩種方式；間接檢測包括基于位移以及基于執(zhí)行器輸入量兩種方法。對于血管介入手術(shù)機器人而言， 直接檢測方式因為機械關(guān)節(jié)的間隙與摩擦對檢測 精度的影響，力傳感器放置于導(dǎo)管頂端位置為最優(yōu)。
但是血管內(nèi)環(huán)境的特殊性也給傳感器尺寸提出了高要求。間接檢測簡而言之就是檢測與直接接觸力有聯(lián)動影響作用的元器件信息， 通過測量導(dǎo)管的近端力來估計導(dǎo)管與血管壁的接觸力。具體來說，其中位移檢測即為檢測接觸到力的彈性元器件（如彈簧）的位移變化，執(zhí)行器輸入量主要是指根據(jù)電動機的電樞電流或氣缸氣壓的變化建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型估算力覺信息。
3-瞬時反饋能力
相對于其他外科手術(shù)，血管介入手術(shù)因其操作環(huán)境的狹窄性對手術(shù)的每個步驟都要求極高，過程中微小的差距都可能引發(fā)截然不同的手術(shù)結(jié)果?？紤]到人體生理反應(yīng)速度和人機交互系統(tǒng)反應(yīng)時間，力反饋裝置應(yīng)該具備優(yōu)秀的瞬時反饋能力，反應(yīng)時間應(yīng)短盡短，減少整個力反饋系統(tǒng)的遲滯現(xiàn)象。
來源：Internet
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