【血管介入手術及其風險預警的探究現狀綜述4400字】

血管介入手術及其風險預警的研究現狀綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u22488血管介入手術及其風險預警的研究現狀綜述 1109961血管介入手術研究現狀 1182482血管介入手術機器人研究現狀 2228493血管介入手術及其人研究現狀 41血管介入手術研究現狀由于我國人口平均年齡的不斷提高以及出生率的持續(xù)下降，我國人口老齡化的步伐正在持續(xù)加快，數據分析至2050年時，我國的老年人口將接近5億人，占我國總人口的進35%。同時，心腦血管疾病作為一種在50歲以上中老年人的常見病，它的高患病率、高致殘率以及高死亡率對人們尤其是中老年人的身體健康造成了嚴重的威脅。并且心腦血管疾病在治愈后仍然有可能會對患者造成后遺癥傷害，例如視力與聽力等感知功能障礙、情感性格改變等神經精神功能的受損以及植物人甚至腦死亡等嚴重后果。這就意味著患者在心腦血管疾病的治療后仍然面臨著身體與心理的沉重負擔。嚴重的后遺癥不僅對患者來說是沉重打擊，對于一個家庭的生產與經濟的影響也是十分深遠沉痛的。所以心腦血管疾病正在對個人，家庭以及社會的發(fā)展帶來十分沉重的負擔與沉痛的影響，并且這個影響還在不斷地加重。血管介入手術作為一種新興的診斷與治療心腦血管疾病的醫(yī)療方法，在近幾年得到了快速地發(fā)展。在血管介入手術的過程中，醫(yī)生在計算機斷層掃描（CT）的輔助下，根據患者X光下的醫(yī)學影像，運用導管或者導絲等介入設備將手術器械運送到指定的病變目標區(qū)域（例如腦部、肺部、腎臟以及冠狀動脈等血管區(qū)域），借助微創(chuàng)的方式大大降低了開顱或開創(chuàng)類手術對患者帶來的風險以及嚴重后遺癥，對患者體內遠端或者不宜開創(chuàng)的區(qū)域進行診斷與治療，血管介入手術示意圖如圖1.2所示最早的血管介入手術的運用可以追溯到1844年，Bernard首先嘗試了將導管作為介入設備插入了動物的心臟血管中。隨著WilhelmR?ntgen于1895年發(fā)現了X射線后，人們可以清晰地觀察到人體內的骨骼結構，但是并不能得到人體的血管信息。隨后Hasckek將造影劑運用到了手術過程中，在動脈內注射造影劑，使得他可以在X射線下觀測到人體的血管信息。1929年，Forssmann將一根導管通過靜脈從左前臂插入至右心房。1953年，Seldinger發(fā)明了全新的血管造影術，通過經皮穿刺的方式，并改變引導導管的穿刺針、導絲和導管，完成導管插入血管造影術。Dotter和Judkins于1964年運用導管完成了狹窄血管的擴張與疏通，并為之后Puol和Sigmart與1986年的首個冠狀動脈支架的植入奠定了基礎。隨著醫(yī)療水平的逐步發(fā)展，醫(yī)療器械的持續(xù)更新，血管介入手術的手術條件也得到了不斷優(yōu)化，先進的CT設備為手術提供了準確充足的醫(yī)療輔助。盡管血管介入手術歷經了150余年的發(fā)展，但是仍然面臨著許多問題。第一點：X射線的輻射問題。在醫(yī)生進行血管介入手術的過程中，由于長期暴露在X射線下，所以需要穿著沉重的鉛衣進行手術，這不僅對醫(yī)生的體力與意志力有著很高的要求，同時隨著手術時間的推進，醫(yī)生的操作精度有可能也會因此下降。并且在常年的手術過程中，沉重的鉛衣也會對醫(yī)生的身體健康帶來諸多影響，例如慢性腰椎病等第二點：在醫(yī)生進行血管介入手術的過程中完全依靠醫(yī)生的經驗進行手術，對于導管、導絲對血管壁施加的力也是只能通過手部的觸覺進行感知，這對于血管介入手術是存在一定風險的。并且對于新手醫(yī)生而言，這種基于經驗的手術操作方式是十分危險的。因此，基于以上此等問題，血管介入手術機器人被設計出來用于輔助醫(yī)生進行手術操作。2血管介入手術機器人研究現狀血管介入手術機器人通過將基于醫(yī)生操作的血管介入手術技術與機器人技術向結合，在專家醫(yī)生操作導管、導絲等計入設備的同時，由機器人給出圖像輔助、操作力反饋、運動補償以及風險預警等操作，這些輔助功能大大提升了血管介入手術的操作安全性并解除了血管介入手術的局限性。血管介入手術機器人大多采用主從交互式的控制方式，醫(yī)生在手術室外操作主端控制器，主端控制器將醫(yī)生的操作轉化成信號傳遞到從端控制器上，由手術室內的從端控制器完成對患者的手術操作。全球第一個獲得美國食品和藥品管理局（FoodandDrugAdministration，FDA）認證的血管介入手術機器人系統(tǒng)是由Corindus公司研制的血管介入手術機器人CorPath200.該血管介入手術機器人也是采用主從控制的方式對導管導絲進行操作完成血管介入手術。該從端操作使用可控摩擦輪作為夾持裝置，對導管導絲進行軸向的推送操作，同時可控摩擦輪也可以通過相互擠壓來控制導絲的旋轉操作。介入座艙是一個輻射屏蔽的移動工作站，可以放置在手術室的任何位置。醫(yī)生在介入座艙內通過操縱操縱桿對手術室內的CorPath從端控制器進行控制操作，完成導管導絲的前進、縮回、旋轉以及快速更換導管操作。2006年由美國HensenMedical公司設計研發(fā)的微創(chuàng)介入手術機器人系統(tǒng)SenseiX問世，該機器人系統(tǒng)也是采用主從控制結構，包括四部分：遠程導管控制器、主從連接器、醫(yī)師工作站以及可操控導管（steerableguidecatheter，SGC）。醫(yī)生坐在主控制臺上，并使用主端控制器來控制引導導管尖端。主控制臺的熒光透視等成像裝置為醫(yī)生提供實時的導管頭端反饋。SenseiX可以解析運動邏輯，并將主端控制器的操作動作平穩(wěn)地傳遞到導管。從而實現醫(yī)生對導管的遠程操作。在2016年Corindus公司推出全新的血管介入手術機器人CorPathGRX系統(tǒng)，并且同年也通過了FDA認證。該系統(tǒng)創(chuàng)新性的將導管、導絲以及支架的操作完全區(qū)分開來，采用三個操作桿分別對三種操作進行控制，醫(yī)生可以只操作一個操作桿，也可以通過兩兩配合或者三者同用的方式操作操作桿。醫(yī)生在工作站內操作主端控制器進行冠狀動脈支架手術，從端送管機械臂進行導管、導絲等介入設備的間接操作。雖然操作導管的操縱桿既可以操作導管的前進推送、后退回撤以及周向順時針與逆時針旋轉操作，但是并不能同時控制血管介入手術機器人的周向與軸向運動，這導致該機器人對導管的控制缺乏連貫性并且也對一些血管過弓操作造成了局限性。Amigo是由美國CatheterRobotics公司設計的血管介入手術機器人，依然采用主從控制方式，醫(yī)生可以通過控制操作手柄完成對從端機器人的控制操作。Amigo的從端機器人可以控制導管導絲的三個自由度：軸向前進推送與后退撤回、導管的周向旋轉以及導管頭端的主動彎曲。同時Amigo也是一個開放式的血管介入手術平臺，可以兼容不同種類的導管與導絲。Amigo血管介入手術機器人可以十分明顯地減少醫(yī)生在手術過程所受的X射線的照射，降低了醫(yī)生所受到的傷害，但是該系統(tǒng)的問題在于雖然可以為醫(yī)生提供舒適的手術環(huán)境以及方便的操作方式，但是缺乏對導管力的識別以及風險操作的預警。近些年越來越多的血管介入手術機器人設計者將注意力集中于從端機器人操作導管或導絲時的力反饋，因為相對于機器人能夠精準的將導管導絲送至目標點，盡可能低地降低手術風險也是一個不可或缺的指標，例如博洛尼亞大學設計的血管介入手術遠程導航系統(tǒng)便提供了力反饋裝置，該團隊通過設置力反饋閾值的方式對導管的危險操作進行預警。但是該方法仍然存在一個問題便是力傳感器反饋的力是導管的近端力，這是整體導管力的集合，并不能代表導管操作過程中最易產生危險操作的導管頭端的力。相對于國外血管介入手術機器人的快速發(fā)展以及不斷的商業(yè)化，國內的研究進度還處于初級階段，但是隨著醫(yī)工融合的新興領域受到越來越多的關注以及相關科研投入地不斷增加，我國的血管介入手術機器人也得到了快速發(fā)展。中國科學院自動化所研發(fā)了一套基于仿生設計的血管介入手術機器人。從端操作器的摩擦輪通過模擬醫(yī)生的手指動作，控制導管導絲的周向旋轉與軸向進退。該系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于在對導管采用分段分級控制。在相對安全的主動脈區(qū)域，從端機器人對導管的操作較快，這樣不僅能夠有效減少手術時間，可以減少造影劑的使用，較少患者的手術風險，而且可以減少醫(yī)生收到的X射線照射。2014年北京航空航天大學研發(fā)了一套血管介入手術機器人，該系統(tǒng)創(chuàng)新性地引用了虛擬現實系統(tǒng)，不僅可以在醫(yī)生手術過程中為醫(yī)生提供血管通路參考，而且可以在術前輔助醫(yī)生進行手術規(guī)劃，幫助醫(yī)生選取手術的最優(yōu)操作方式以及導管運動的最優(yōu)路徑。這種手術期間能夠為醫(yī)生實時提供血管3-D成像的方式能夠有效提高手術安全性。北京理工大學郭書祥團隊近年來一直從事血管介入手術機器人的研究，并設計了多款血管介入手術機器人。相較于其他團隊的對從端機器人的不斷改進與創(chuàng)新，郭書祥團隊也注重如何為醫(yī)生在主端的操作提供更多便利，為醫(yī)生提供更好的人機交互體驗。該團隊創(chuàng)新性地提出了運用磁流變液進行反饋力的測量，通過磁流變液過磁流變液固相-液相轉換控制，改變導管與磁流變液間的摩擦，從而控制機器人主端控制器的反饋力的大小，以增加手術的安全性。此外，郭書祥團隊還將深度學習引入血管介入手術中來，提出了基于GAN網絡的SurgicalGAN網絡進行導管頭端的路徑規(guī)劃以及導管運動預測，為血管介入手術的術前規(guī)劃與術中實時導管檢測做出了突出貢獻。3血管介入手術及其人研究現狀經過上述介紹表明，血管介入手術存在操作風險，在沒有血管介入手術機器人的輔佐下，更多的是靠醫(yī)生多年的臨床經驗。而血管介入手術機器人的控制危險操作的方式也有很多。天津理工大學郭健團隊于2018年提出一種新的血管介入手術風險操作系統(tǒng)，并將預警系統(tǒng)窗口化，他將導管與血管壁的接觸狀態(tài)分為未接觸，剛好接觸以及接觸并使產生形變，并給出了相應的三種風險狀態(tài)，并將剛好接觸時規(guī)定為有風險。這樣能夠明確地向操作員顯示導管頭端的狀態(tài)，但是并不是所有的接觸都是危險的，血管介入手術中有些過弓操作是需要導管與血管壁接觸的，因此該方法具有一定的局限性。相較于判斷導管導絲與血管壁的接觸狀態(tài)，目前最主要的檢測血管介入手術是否存在風險的方式便是添加力反饋，當導管或導絲的操作力超過危險閾值時，由導管頭端傳感器或者從端力傳感器該信號傳輸給主端，為醫(yī)生提供參考，醫(yī)生通過不同的策略規(guī)避風險。Xiao等人于2012開發(fā)了機器人輔助導管系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過集成在從端控制器內的負載傳感器檢測導絲近端的阻力；郭書祥團隊于2015年通過運用一個固定在滑動平臺上的測壓元件來檢測從端控制器的操作力；Zhang等人為機器人輔助導管操作系統(tǒng)設計了應變式接觸力傳感器；Back等人于2015年使用應變儀測量肌腱引導導管的張力；Laura等人于2017年開發(fā)了一種名為CathROB的遠程導管導航系統(tǒng)，可以檢測導管上的操作力，并在主端顯示器上顯示力信號;因此，如果反饋里超過預先設定的閾值，系統(tǒng)還可以向外科醫(yī)生發(fā)出信號，要求其停止施加壓力。在這些力檢測方法中，通過力傳遞機構的摩擦和慣性效應推導出力的檢測精度。這種檢測方式使得從端反饋給醫(yī)生的力與實際的導管操作力存在誤差。而且，小范圍的力變化以及小頻率的轉矩變化時難以在線