血管介入手术机器人的应用背景

血管介入手术是一种普及程度较高的治疗手段。其具有在心血管，脑血管的介入成形术，内脏介入栓塞术，管内药物灌注术，血管造影术，外周血管成形术及电生理治疗术等多种应用。由于血管介入手术需求量巨大，而基层有资质的介入医生数量严重不足，这导致了一名介入医生往往会在短时间内进行多场介入手术。然而，血管介入手术需要全程在X光影像下进行。手术过程中会累积大量的辐射，相较于患者，介入医生由于手术场次较多，会受到更大的辐射威胁。为了减少辐射影响，介入医生会装备个人防辐射设备进行手术，例如防护铅衣，围裙，甲状腺防护罩，眼镜及手套。为了满足防辐射要求，这些防辐射设备都十分沉重，普遍重量在20千克以上，而介入医生需要全程站立完成手术操作。

介入手术机器人系统以改善介入医生的工作环境，降低他们的工作强度，减少介入外科医生与患者在手术中受到的辐射剂量为目标，提供对导丝，微导管多介入器械的多自由度运动控制的同时，让介入医生在远离辐射区域的主控制台远程进行手术。与人工手动进行手术操作相比，机器人操作器可以达到更高的操作精度，实现更加稳定的操作动作，进而提升介入手术的实施水平，降低患者的手术并发症几率。

血管介入手术机器人系统的基本功能

介入手术机器人系统通过上下位机结构，将介入手术的实施环境与介入医生的操作环境隔离开来。介入医生可以在操作室内通过影像与机器人的传感信息，远程掌握手术情况，并操作手术室内的介入手术机器人开展手术。

机器人系统可以同时控制多种器械，进行不同方向的运动。在医学影像的指导下，可以轻松通过控制导丝的旋转递送配合，完成介入器械在人体细分支血管内的超选递送任务。机器人操作手具有比人手更高的精度，灵敏度与稳定性，能够更加高效的完成手术任务。

血管介入手术机器人系统的亮点

本项目提出了一种器械装拆方便，结构简化，体积小巧，维护简单的血管介入手术机器人。该设计旨在提升使用效率，适应实际手术中需要多次更换器械，装卸导丝导管注射药物的需求。安装介入器械仅需如下图所示的五个步骤，并且各个安装机构都配备了调节旋钮，方便快捷装拆介入器械的同时，还可以通过旋钮调整器械安装的松紧程度，以此兼容不同规格形状的介入器械，提高系统在实际临床中的泛用性。安装介入器械的步骤：(a) 安装血管鞘导管；(b) 将导丝推入引导通道；(c) 安装导管口；(d) 将导管夹紧在递送机构中；(e) 将导丝夹紧在递送机构中。

机器人系统采用了闭环递送方案，通过磁编码器采集器械的运动状况，相较于开环控制，极大提升了机器人系统的递送精度。通过传感器实测最小递送分辨率与递送精度可达0.1mm。如下是导丝递送机构与导管递送机构的局部爆炸视图。

机器人系统配备了完善的上位机人机交互程序，提供速度控制与位置控制两种方案，界面简洁直观，易于上手。上位机程序基于Qt开发，利用协程处理与下位机的通信，可支持密集的IO并发，软件运行速度快，通讯稳定性与效率高。上位机还配备了可自主定义的手柄控制模块，可以使用商用或自主开发的专用控制器对机器人进行控制。