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原标题:【CAA课堂】北京理工大学段星光教授:穿刺诊疗手术机器人研究进展
【导读】2021年9月12日,北京理工大学教授段星光做客“CAA云讲座”——“医疗机器人技术”专题在线论坛,为大家带来了一场题为“穿刺诊疗手术机器人研究进展”的精彩报告,200余人在线观看了讲座直播并参与探讨。报告主要介绍了穿刺诊疗手术机器人的研究背景,对穿刺机器人所涉及的术区信息感知、柔性针穿刺及运动规划、手术导航及交互控制等关键技术进行了讨论与分析,并指出了穿刺诊疗手术机器人今后的发展趋势与面临的挑战。
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段星光,1966年生人,北京理工大学长聘教授,博士生导师,智能机器人与系统教育部重点实验室副主任,智能机器人高精尖中心、医工融合研究院PI;科技部智能机器人重点研发计划总体专家组专家;科技部重大科学仪器专项指南编制专家;泰山产业领军人才;国家重点研发计划数字诊疗专项项目首席;人工智能与教育机器人委员会副理事长;全国自动化系统与集成标委会委员机器人专业委员会委员(SAC/TC591);IEEE/ASME会员;中国自动化学会机器人专委会委员;中华医学会数字医学分会高级会员;中国医学装备协会智能装备技术分会常务委员;中国生物医学工程学会医用机器人分会常务委员;中国医学装备协会智能装备技术分会常务委员;中国医药卫生文化协会医工融合分会会员;山东省机器人产业创新联盟技术委员会副主任。
长期从事医疗机器人的系统设计、机器人感知与交互、导航定位与规划、人机协同智能控制等方面的研究工作。先后承担国家自然科学基金重点基金和面上项目多项;承担国家863计划多项,科技部重点研发计划数字诊疗专项项目负责人;承担北京自然科学基金、北京海淀联合基金、北京科技计划项目等;发表学术论文80余篇,专利42余项,出版译著《医疗机器人》,获机械工业科技进步二等奖1项、市级科技进步一等奖奖1项,国防科学技术奖三等奖1项目。
穿刺诊疗实际上是针对一个器官或组织进行靶向目标进行导航定位一种治疗手段。根据国家癌症中心发布的数据显示,每年癌症发病人数、死亡人数都很高,因此提升我国癌症诊断及治疗水平可不容缓。穿刺诊疗针对不同的部位其需要解决的问题相对来说是一致的,目前常用的治疗手段是基于体外图像引导的微创穿刺手术,如穿刺活检、消融等,该方法具有创伤小、疼痛轻、恢复快等优点,也是恶性肿瘤诊断与治疗的重要手段之一。但该方法存在徒手穿刺精度低、不可视、遭受辐射时间长、易引发并发症等问题,手术效果严重依赖医生的经验。因此希望借助机器人技术解决穿刺诊疗中的痛点问题。
通过调研了解到已商用的穿刺机器人主要分为神经外科穿刺机器人、胸腔镜穿刺机器人和骨科穿刺机器人等,其中神经外科穿刺机器人如美国的Renaissance、法国的Rose以及国内的Remebot;胸腔镜穿刺机器人如以色列的XACT、印度的Perfint;骨科机器人如国内的天玑等。国内外相关的研究机构也很多,如针对柔顺安全操作研究的纽伦堡大学、针对实时透视穿刺研究的冈山大学、针对主从操作穿刺研究的北京理工大学以及针对自主穿刺研究的MIT、哈佛大学等。
4) 术中安全交互控制,如基于视觉的安全控制何基于全状态反馈的被动安全控制,完善主从操作穿刺安全保障机制等。
穿刺针力感知方面也是我们需要考虑的问题,目前研究比较多的有穿刺针末端力感知和穿刺针形状感知,但是集成难度高、适应性较差,在临床中尚未应用。而术中四维重建技术能实现实时扫描重建、基于门控装置重建等,但存在是实时性差、门控信息与组织运动关联机理不明等问题。
按照机器人固定位置的不同,可以将胸腹腔经皮穿刺机器人分为地面固定式、床体固定式、身体固定式三种类型,具体对比见表 1。
地面固定式穿刺机器人是将穿刺针固定在CT床的地面上,其安装无需改成CT床等现有手术设备,如KUKA LWR III、Perfint、Zerobot等机器人,采用光学、电磁等第三方导航设备关联机器人与图像、患者之间的空间坐标,具有工作空间大、定位精度高、稳定性好等优点。
床体固定式穿刺机器人是将穿刺针固定在CT床上,与患者一同进行CT扫描,如Acubot、Innomedic、DEMCON、iSYS MicroMate等机器人,这样机器人和CT床采用同一坐标系,易于实现空间配准,且占用空间少,机器人导航与控制会相对容易些。
而身体固定式穿刺机器人是把整个的机器人小型化后绑定在患者的身上,与患者一同进行CT扫描,获取相对位姿,如Robopsy、ANT-X、XACT、Icube Lab等机器人,该类机器人随患者呼吸运动而运动,对患者运动造成的误差有被动补偿作用,且机器人系统体积小、成本低,但工作空间相对有限。
医生手动完成穿刺需要综合考虑患者的呼吸、医学图像、穿刺力感等术区信息,因此术区多源信息感知技术是当前制约穿刺机器人发展的重要因素之一。
呼吸运动对胸腹腔穿刺时机、精度、到位率等都有较大影响。目前呼吸运动信息采集的方法主要有基于透视影像点、阻抗式传感器、体表光学标记点、电磁传感器、呼吸潮气量等,最后通过信号处理及对基线漂移进行补偿,实现呼吸运动信息的感知。
运动器官一直处于动态变化中,为了能在术中准确得到其自由呼吸状态下的可视化图像,可以采用图像融合动态可视化技术及四维重建方法,但目前手各种现实因素的影响,该方法还有待于进一步的完善。
要完成图像引导下的自主或主从穿刺控制,必须要获取穿刺力与穿刺针形状的信息。部分学者考虑用较为精准的力传感器检测穿刺力,如日本早稻田大学通过一根引导管将穿刺力传递到力传感器,从而实现穿刺力的检测;阿尔伯特大学基于末端力传感器计算斜尖穿刺针路径等。但上述方法在穿刺深度较深时力传感器测到的是针管与针尖的耦合受力,难以建立有效的穿刺受力评价方法。
近年来,随着光纤传感器技术的研究,许多研究人员开展了基于光纤传感器测量穿刺力的研究。如伍斯特大学研制的光纤力传感器,代尔夫特理工大学基于 FBG 测量末端穿刺力,阿姆斯特丹自由大学提出的3种光纤力传感器方案,但目前用于末端穿刺力检测的光纤传感器方案,尚难以兼顾核磁兼容、小体积、温度灵敏度、力分辨率、机械强度、稳定性等多种条件,但在未来医疗领域具有巨大的研究与应用潜力。
当光纤受到机械拉伸或压缩时,反射光波长也会发生相应的变化,因此通过检测反射波长的变化可计算光纤栅区的弯曲半径,进而计算穿刺针空间曲率。如北京理工大学研制的基于FBG光栅的穿刺针、哈佛大学研制的穿刺针针体偏移检测装置、特温特大学研制的检测斜尖柔性穿刺针形状的装置。
基于术中医学图像检测穿刺针形状,需要较大的样本数据,且重建速度有待提升,磁跟踪定位的核磁兼容性有待进一步测试,虽然 FBG 可兼容 MR 与 CT环境,且具有敏感度高、响应快速、生物兼容性好等特点,但将相同的光栅排布应用于不同的针头形状、针体粗细、穿刺部位的情况时,重建精度会存在不同,因此将 FBG 集成于不同类型的穿刺针中可能需要不同的加工工艺。另外,如何基于 FBG 同时实现穿刺针的力感知与形状感知也是需要攻关的技术难点之一。
胸腹腔软组织穿刺手术中,穿刺针因为受到针与组织之间的交互作用力,常常会发生形变,进而影响到穿刺精度、手术效果。因此,对穿刺针―组织交互作用机理进行研究,建立有效的穿刺模型对保障穿刺安全具有重要意义。
较为准确的穿刺交互建模,是实现有效的路径规划、精准开环穿刺控制的基础,也可为基于穿刺针形状感知的闭环控制与双边主从控制提供准确的交互模型,进而提高穿刺精度。如今随着术中穿刺针形状、力感知、术中动态三维成像等技术的发展,针―组织交互建模或可迎来新的突破。
灵活可控的柔性穿刺针可有效避开肋骨、血管、神经等组织,相比传统的刚性穿刺针具有巨大的优势。为实现柔性穿刺针的精确可控,目前主要有2 种研究方向:
被动式柔性穿刺针,即基于挠曲机理,改变穿刺针的针尖形状与直径,通过控制转速、进针速度、针尖方向,利用针―组织交互作用被动完成柔性针控制,如以色列理工大学对柔性穿刺针的控制、哥伦比亚大学移动柔性针末端实现轨迹控制、约翰·霍普金斯大学柔性针自行车模型及斜尖穿刺轨迹控制;
主动式柔性穿刺针,即改进穿刺针结构,主动完成穿刺针的柔性控制,如范德堡大学研制的预弯套管柔性穿刺针、哈佛大学研制预弯套管针、斯坦福大学研制肌腱驱动穿刺针针体弯曲、斯坦福大学研制记忆合金丝驱动针、特温特大学研制肌腱驱动穿刺针针体旋转、帝国理工学院研制的可编程柔性针。
相比于被动式柔性穿刺针受环境影响较大、可控性较差的问题,主动式柔性穿刺针具有明显的优势,其更高的灵活度可保证穿刺针避开障碍,精准到达穿刺靶点,但其同时也具有安全性难以保证,尺寸较大,与其他介入式设备集成困难等问题。
传统的驱动主要是基于电液驱动,如何把它运用到机器人上,如何寻求更新的驱动方式与所采用的机构是密切相关。如前列腺穿刺机器人气动马达、步进式气动抓取和释放进针装置、滚珠丝杠穿刺机器人结构、气动进针装置、绳驱动远程穿刺机器人、电动马达驱动穿刺机器人等,小型化、高精度的新型驱动方式将更有利于满足临床的需求。
在穿刺针对软组织的靶向穿刺过程中,经常会受到组织内生理结构(如骨骼、重要血管、神经等)的阻碍,因此需要寻找更为复杂的曲线路径以避开障碍。穿刺路径规划就是为了寻找最优的可控穿刺轨迹,类似于逆运动学的概念。目前主要的路径规划方法包括逆运动学反解法、人工势场法、数值法,而逆运动学求解的方法最为直接,但是无法准确避开组织环境中的障碍物,而人工势场法与数值法,虽然在理论上可以实现较好的避障与精准穿刺,但是针对胸腹腔有呼吸运动的影响的情况下,算法的实时更新能力还有待提高。
定位导航目前已经历了由接触式定位到非接触式定位的演变,其中非接触式定位主要包括:超声定位、电磁定位、光学定位跟踪。其中光学定位导航技术因其精度高、可靠性好的特点已成为目前的主流导航方式。
机器人主手控制需要考虑两个因素:重力和透明性。目前进行重力补偿主要有基于最小偏差值的被动重力补偿和基于偏差值修正的主动重力补偿,前者能降低电机负担,提升负载能力,降低系统惯量,提高动态性能;后者可采用的方法有模型计算加精密标定、工作空间网格化、高维插值等方法。基于最小偏差的弹簧刚度优化和基于偏差值修正的余项补偿能完美补偿设备干扰,实现主手透明性,从而减轻医生手部的负担、减缓疲劳,同时补偿重力因素,提高力反馈精度。如冈山大学设计的zerobot机器人基于CT透视的实时主从遥控实现主从交互控制穿刺,韦斯特大学Atashzar等基于力感知的实时主从遥控实现主从交互控制完成模拟实验。
术中安全交互控制一方面需要保证穿刺进针过程的安全,另一方面旨在实现医生、患者、机器人、医疗器械等之间的安全交互。
为实现关节力及碰撞力的精准检测,需要精准辨识系统动力学参数。如都灵理工大学的 Indri 等通过将加速度项引入 LuGre 摩擦模型,提出了机械臂动态静态摩擦参数辨识方法,有效提高了机械臂摩擦参数辨识的精准性;此外针对动力学参数一致性问题,罗马大学的 Gaz 等通过半定规划保证了辨识参数的物理可行性,同时,机器人应该有针对性地对碰撞事件做出反应,对不同类型的碰撞作出不同的响应策略。
a) 生理运动检测方面:生理运动会导致一些软组织移位和变形,从而降低穿刺的准确性、然而,目前还缺乏一种准确有效的呼吸信息感知方法。
b) 穿刺力/形状感知方面:通过对针的形状和穿刺力的感知,可以判断穿刺针是否到达预定位置、但该技术尚不成熟,且尚未应用于临床。
c) 动态轨迹规划方面:基于透视图像的实时动态轨迹规划降低手术风险,但透视图像增加了对患者的辐射。
d) 柔性穿刺方面:柔性穿刺针可以有效避开重要血管和神经,保证手术安全,但柔性穿刺针的准确性和安全性还需要进一步验证。
b) CT/MR兼容设计方面:为了使机器人具有CT/MR兼容性、气动、绳索、超声电机等驱动方式的机器人成为当前的研究热点。
未来希望在穿刺机器人方向,向着更高的安全性、更低的价格、更多的术式、更好的兼容性、更好的交互性方面进行发展。
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