冠脉介入机器人要在精微处展“绝技”

心脏冠状动脉（简称：冠脉）介入手术是一种新型诊断与治疗心血管疾病技术，发展迅速。但是，在心脏跳动的情况下，进行介入术式对医生的技术提出了非常高的要求。手术机器人技术的发展为医生实施心脏冠状动脉介入手术提供了方便。

本文介绍了医生通过智能系统辅助手术，完成微创手术器械在体内狭小、复杂环境中的手术操作。这是医学与工程技术相结合的创新型成果，具有操作精确、手术时间短、手术创伤小、术后恢复时间短等优势。

心脏冠状动脉介入手术是一种新型诊断与治疗心血管疾病技术，是当前阶段较为先进的一种心脏病诊治方法，发展十分迅速。这种手术的大致流程是介入医生通过体表血管穿刺，把体外导丝、导管送至心脏及目标血管各处。

但是，在心脏跳动的情况下，进行介入术式对医生的技术提出了非常高的要求：

首先，导丝导管的可操作性有限，在血管中的传送过程以及病灶处的诊治操作上都需要医生在眼手不能直接配合的模式下进行，从而使得操作的效率低；

其次，介入器械前端的作用力通常不能被直接获取，从而容易导致误操作、刺穿血管或者损伤组织器官，即便是经验丰富的医生也只能依靠“手感”之类的操作技巧，发挥稳定性难以保证，手术效果很容易受到影响；

再次，在手术过程中，医生将会长时间暴露在辐射环境中，健康会受到不同程度的损害；

另外，现有图像技术的局限性还会造成医生在术中通过设备看到的血管组织分辨率欠佳、缺乏3D信息等。

介入操作舱场景（来源：Corindus Inc.）

手术机器人技术的不断发展为攻克上述问题提供了新的策略。

所谓手术机器人技术，即医生通过智能系统辅助手术，完成微创手术器械在体内狭小、复杂环境中的手术操作。这是医学与工程技术相结合的创新型成果，具有操作精确、手术时间短、手术创伤小、术后恢复时间短等优势。

目前，主要针对心脏冠状动脉介入手术及外周介入手术的血管介入手术机器人已在欧美等发达国家开展广泛应用，利用该技术，医生可远程操控机械臂做手术，实现真正的零射线智能操作。

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具体而言，血管介入手术机器人的主要优势在于其通过机器人的精准辅助，有助于优化临床结果，将与人工操作导致的不当支架放置引发的并发症降至最低。血管介入手术机器人可将介入医师的手动动作转换为精确的机器人辅助下的微动，并有助于对解剖结构进行精确测量从而确定病变的长度与位置。

同时，血管介入手术机器人允许医师在辐射防护下的远程工作站上进行手术，从而大大减少介入医师暴露于电离辐射而导致的危害和佩戴沉重防护装备而导致的骨骼肌肉劳损。

2021年3月，在海南博鳌超级医院由中国科学院院士、复旦大学附属中山医院葛均波团队操作最新一代CorPath GRX介入手术机器人完成其国内首例机器人辅助下冠脉介入治疗手术。

葛均波院士在操作控制台

葛均波院士团队在操作床旁机械臂

血管介入手术机器人在解决以上问题中体现的临床价值和必要性：

必要性1：准确定位病变，精准放置支架，减少血管病变不完全覆盖及其并发症

面临挑战：在传统介入治疗中，医师通常会直观地估计治疗目标病变所需的支架的大小。但是视觉、影像下的估计是可变的，可能导致不准确的估计，从而引起血管病变部分不完全覆盖的情况或增加上述并发症发生的风险。

血管病变部分的不完全覆盖主要由病变长度测量不准确、支架长度不合适、支架放置不精确导致。有文献资料表明，置入长度不当支架（过长或过短）的患者中出现支架内再狭窄和主要不良心脏事件（MACE）的比例相对要高。同时，虽然已有血管内超声（IVUS）检查能够弥补影像的不足，且是测定血管直径、评估支架置入质量的金标准，但其应用明显增加手术时间、医疗费用及潜在并发症风险，因此未广泛应用于临床。

血管介入手术机器人解决方案：利用血管介入手术机器人的测量功能能够以亚毫米级的精度测量病变，通过球囊导管穿过病变的时间和速度等参数精确测量病变长度，直接规避了视觉和影像下的估算模式，从而直接缓解了血管病变覆盖不完全的问题，实现精准解剖测量和支架定位控制，帮助术者根据病变长度并且参考血管直径选择合适的支架，保证充分覆盖病变和贴壁良好，保障了支架置入质量。

以PCI为例，有对比研究表明，对于简单病变，机器人辅助下PCI的血管病变不完全覆盖发生率为10.7%，而传统人工PCI为28.7%；对于复杂病变，机器人辅助下PCI的血管病变不完全覆盖发生率为15.4%，显著低于传统人工PCI组的48.0%。

同时，值得一提的是，该研究将介入心脏病专家基于视觉评估的支架长度选择与使用CorPath系统对60名连续患者进行的机器人测量进行比较，大部分（65%）的视觉评估结果与血管介入手术机器人对病变长度的测量结果不符，32%的视觉评估结果过短，33%过长，在20个被归类为长时间的视觉评估中，CorPath测量导致5例患者使用的支架较少，占所有病例的8.3%。

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必要性2：实现介入治疗的标准化，解决介入医学中长期存在的治疗不一致性问题

面临挑战：传统介入操作长期以来受到治疗不一致性问题的困扰。在传统的人工操作方法下，对介入器械的测量和定位缺乏精确性。手动操作依赖于视觉测量和触觉来导航、定位和部署设备。人手的操作容易出现抖动、位移、过转等人类难以克服的缺陷，以上都造成介入医学面临的治疗不一致性问题。

同时，从传统来看，应对病变血管往往需要依赖于介入医师长期积累的丰富经验，人工判断的支架长度、导丝导管在血管通路中的长度等因素难以保证标准的一致性，从而给标准化的手术流程增添很多人为不可控的因素。医师的技能、思维、教育水平、临床经验都有很大的差异，这对患者的治疗与效果有着深远的影响。到导管、导丝的粗暴操作、使用经验不足等人为因素是导致前文所述各种靶血管并发症的重要原因。

血管介入手术机器人解决方案：机器人的辅助可以克服人手操作的缺陷，在人机协同的状态下使操作更加清晰、精准和稳健。血管介入手术机器人可以以适当的角度输送导丝、导管、球囊与支架等介入器械，使得器械在输送过程中保持在系统的一定控制之下，可以适应不同导管、导丝的材质、硬度、塑性和操作，避免输送器械过程中的意外移动、粗暴操作而导致血管破裂、夹层、穿孔等并发症对患者造成不利影响。

血管介入手术机器人系统通过其精确的机器人操作实现对手术中各个环节的精确量化，提升手术的标准化程度。机械辅助介入可以减少手术对精度的限制，血管介入手术机器人的亚毫米级测量能力、1毫米精确定位、增强的可视化和自动移动（回退时旋转）等功能提升了血管腔内手术的精准性。机器人辅助下的标准化操作可以进一步优化器械输送策略，减少器械消耗，降低患者治疗成本。

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另外，在介入手术中精细的触觉反馈是调整送丝插管策略的重要依据，目前有相关研究已实现对导管尖端与组织接触的力反馈，其通过设计类弹簧结构将尖端受力转变为弹性形变测量，从而实现力感知。

同时，在手术器械触觉力学传感研究方面，由于光纤传感器有极高的灵敏度和精度、尺寸小、有柔韧性、集传感与传输于一体等优点，被广泛应用于手术器械的力感测量中，而且光纤传感器固有的安全性好、抗电磁干扰、耐腐蚀使其能够在射线环境和血管环境中正常使用。

光纤布拉格光栅（FBG）传感器是一种使用频率高、范围广的光纤传感器，其能根据环境温度以及/或者应变的变化来改变其反射的光波的波长，实现对目标物理量的检测。

机器人辅助血管介入系统具有明显减少术中辐射剂量、降低医生在导管室中的工作强度、实现介入器械的精确定位等优点，对介入临床治疗产生了积极的影响。

2017年由 Sulpzio Cardiovascular Center, University of California San Diego的Mahmud等公布的一项CORA-PCI研究（Complex Robotically Assisted PCI）中，共纳入108个样本/157个病变，其中复杂病变比例占到78.3%，研究表明机器人辅助下PCI治疗的技术成功率为97.1%，临床成功率为99.1%。随着介入手术机器人技术针对传统术者导丝操作习惯学习的不断加深，未来介入医师通过介入手术机器人处理复杂病变将会更加得心应手。

目前在硬件系统设计上，其主从式操作平台受到认可，但由于介入手术力/触觉反馈信息相对有限，造成主从操作方式缺乏临场感，因此在机器人系统操作端构建真实精细的触觉反馈已经是迫切的需求。

介入手术器械操作的精确力觉感知、实时反馈与安全性机制，动态心脏环境下多模态影像数据融合以及实时力感数据融合，术中器械进行精准定位和预测控制及智能化导引控制，提升介入机器系统在处理复杂病变上的能力，这些将成为今后的研究方向和重点。

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近年来，该项技术创新在欧美迅速普及，临床效益也开始逐步惠及全球范围。具体表现为越来越多的相关医疗科技公司陆续获得规模过亿的融资，这进一步加速了冠脉介入机器人的产业化进程。

在国内，也有多家企业相继进入这一赛道，蓄力研发出独有的介入手术机器人产品。因切入时间不同，各个企业所处的研发阶段也各异，例如，润迈德医疗的产品正处于动物实验阶段；Robocath、唯迈医疗的产品已进入临床试验阶段；奥朋医疗、爱博医疗则已完成首例人体临床实验等等。

毫无疑问，随着该领域参与者的不断增多，冠脉介入机器人的发展潜力将得到进一步开发，而这也是它被业界一致誉为今年医疗机器人领域的“重头戏”的关键原因之一。

参考文献：

[1] 李晨光, 陆浩, 常书福，陈章炜，吴轶喆，戴宇翔，朱鸣辉，齐鹏，葛均波*, “CorPath GRX机器人辅助冠状动脉介入治疗手术一例并文献回顾”, 中华心血管病杂志（网络版）, vol. 04, no.1, pp.1-7，2021.

[2] 付宜利, 潘博, “微创外科手术机器人技术研究进展”, 哈尔滨工业大学学报, vol. 51, no.1, pp.1–15, 2019.

[3]吉程, 侯增广, 谢晓亮, 谭民, “心血管微创介入机器人导管控制技术综述,” 机器人技术与应用, vol. 6, pp.25–33, 2011.

[4] Madder RR., Vanosterhout S., Mulder A., Elmore M., et al., “Impact of Robotics and a Suspended Lead Suit on Physician Radiation Exposure during Percutaneous Coronary Intervention” Cardiovasc Revasc Med.，vol.18, no.3, pp.190-196, 2017.

[5] Smilowitz NP., Moses JW., Sosa FA., Lerman B., Qureshi Y., Dalton KE., et al., “Robotic-enhanced PCI compared to the traditional manual approach” J Invasive Cardiol.，vol.26, no.7, pp.318-321, 2014.

[6] Bezerra H., Mehanna E., Vetrovec G., Costa M., Weisz G., et al., “Longitudinal Geographic Miss (LGM) in robotic-assisted versus manual percutaneous coronary interventions” J Invasive Cardiol.，vol.28, no.5, pp.449-455, 2015.

[7] Campbell PT., Kruse KR., Kroll CR., Patterson JY., Esposito MJ., et al., “The impact of precise robotic lesion length measurement on stent length selection: ramifications for stent savings” Cardiovasc Revasc Med.，pii: S1553-8389, 2015.

[8] Mahmud E., Naghi J., Harrison J., Bahadorani J., Ang L., Behnmafer O., Reeves R., Patel M., et al., “Demonstration of the safety and feasibility of robotically assisted percutaneous coronary intervention in complex coronary lesions: results of the Complex Robotically Assisted Percutaneous Coronary Intervention (CORA-PCI) Trial” JACC Cardiovascular Interventions.，vol.10, no.13, pp.1321-1327, 2017.

作者简介：齐鹏，同济大学副教授，英国伦敦国王学院机器人学博士、新加坡国立大学博士后、香港中文大学访问学者，长期从事医疗机器人的研究工作。