用于经皮冠状动脉介入治疗的远程操控机器人手术系统

《Computational and Structural Biotechnology Journal》：Teleoperated Robotic Surgical System for Percutaneous Coronary Intervention

本研究开发了一款远程操作的经皮冠状动脉介入（PCI）机器人手术系统（NTU系统），包含手术者侧、患者侧和自动输送系统。通过模拟手术推、拉、旋转动作，结合PID控制器和粒子群优化算法优化控制参数，实现高精度实时控制。实验验证了该系统在硅胶血管模型中的有效性，显著降低辐射暴露并提升手术安全性。

　　心脑血管疾病一直以来都是全球范围内导致死亡的主要原因之一。在医学技术不断进步的背景下，经皮冠状动脉介入治疗（Percutaneous Coronary Intervention, PCI）因其微创特性，逐渐成为治疗冠状动脉狭窄的标准方法。这一过程通过医生操控导丝和导管，将血管支架等医疗设备送入目标部位，以恢复血流。为了提高手术的安全性与效率，医生需要反复注射对比剂，并通过实时X光成像观察血管阻塞情况（即血管造影）。然而，长时间暴露于X射线辐射中可能对医生造成累积性伤害，影响其健康与操作安全。

近年来，随着机器人手术技术的发展，PCI手术逐渐向自动化方向迈进。当前已有少数系统如CorPath GRX和R-One，能够实现医生远程操控导丝和导管，从而减少手术室工作人员的辐射暴露风险。这些系统在一定程度上提高了手术精度，有效减少了操作中的手部震颤，使得器械在血管系统中更加平稳地移动。然而，现有的PCI机器人手术系统仍然存在一些关键限制，例如自动化程度有限，无法完全替代医生手动更换导丝和导管，这导致至少一名医疗人员必须留在手术室中进行手动操作，从而增加了其暴露于辐射的风险。此外，这些系统通常采用类似操纵杆的控制模块，这与传统PCI手术中的操作方式不一致，医生需要额外时间适应，影响了手术效率和安全性。

为了解决上述问题，本文提出了一种新的远程操作PCI机器人手术系统，称为NTU系统。该系统旨在模仿外科医生在手术过程中常用的推、拉和旋转等操作方式，以提高手术的直观性和安全性。NTU系统由三个主要部分组成：医生端、患者端以及自动输送系统。医生端用于远程操控患者端的机器人，患者端的机器人负责将导丝和导管送入患者体内，而自动输送系统则负责将这些器械送入并移除，以实现更全面的自动化操作。

在系统设计方面，医生端采用了直观的控制方式，包括硅胶管用于推拉操作，不锈钢杆用于旋转控制，以及通过力反馈机制调节硅胶管夹紧程度的滑轮。这种设计不仅简化了医生的操作流程，还增强了系统对操作的实时反馈能力。患者端的机器人则配备了电磁制动器、导丝夹持装置和扭矩传感器，以确保器械的稳定夹持和精准操控。机器人还配备线性导轨和滚珠轴承，以降低摩擦力并实现更流畅的运动。自动输送系统则利用线性导轨和步进电机，实现导丝和导管的自动输送，为未来的完全自动化手术提供了基础。

在控制架构方面，系统采用了闭环系统辨识方法，以建立一个能够准确反映实际系统行为的模型。为了实现高精度控制，系统引入了比例积分（PI）控制器，并利用粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法对控制器参数进行优化。与传统的Ziegler–Nichols（ZN）方法相比，PSO方法在控制精度和稳定性方面表现更优。通过PSO算法，系统能够更有效地避免过冲（overshoot）和稳态误差（steady-state error），同时减少系统稳定时间（settling time）。尽管PSO方法在系统仿真和实际测试中仍存在一定的过冲和稳态误差，但通过手动微调，系统最终达到了所需的控制性能，确保了手术的安全性。

在系统验证方面，本文使用硅胶血管模型对NTU系统进行了测试，以评估其在实际手术环境中的可行性。测试结果显示，该系统在推、拉和旋转操作中表现出良好的协调性和稳定性。医生端与患者端之间的通信采用UART和Modbus RTU协议，确保了数据传输的实时性和可靠性。通过这些技术手段，系统能够有效传递操作指令和反馈信息，为医生提供直观的操作界面。

NTU系统的设计不仅关注手术操作的精确性，还考虑了医生的操作体验。系统的图形用户界面（GUI）允许医生实时查看血管造影图像、导丝位置、阻力测量等重要信息，从而提升手术的直观性和可操作性。此外，系统支持两种操作模式：监督控制模式和远程操作模式。监督控制模式允许医生通过输入参数直接控制手术过程，而远程操作模式则依赖于医生的实时手部动作。这种设计为医生提供了更多的操作自由度，同时确保了手术的安全性和效率。

在未来的开发方向中，本文提出将进一步完善NTU系统，使其能够实现PCI手术的全流程自动化，包括对比剂注射、球囊扩张和支架放置等步骤。此外，研究团队还计划将机械组件如执行器、电机和切换装置整合到系统中，以提高系统的功能性。为了进一步验证系统的临床适用性，研究团队计划使用动物模型如猪或狗进行体内测试，以评估其在真实手术环境中的安全性、生物相容性和设备功能。

本文的讨论部分强调了远程操作PCI机器人手术系统在提升手术安全性和效率方面的潜力。通过减少医生在手术过程中的直接暴露，系统能够降低手术风险，并提高医疗资源的利用效率。此外，系统具备精准的导丝和导管操控能力，能够有效应对复杂的血管结构，缩短手术时间。未来，结合人工智能技术，系统有望实现基于患者特定解剖结构和病理特征的实时自适应，为患者提供个性化的治疗方案。

尽管目前系统在实验室环境下表现良好，但其在实际临床应用中仍需进一步优化和验证。为了确保系统的安全性和可靠性，研究团队将采用多层次的有限状态机（Finite State Machine, FSM）结构，以管理通信中断、传感器漂移和电机故障等潜在问题。此外，系统将引入预测控制算法、力限制执行器和预设的传感器允许阈值，以提前识别可能发生的并发症并启动紧急处理程序。这些措施将确保系统在面对突发状况时能够及时响应，保障手术安全。

在作者贡献方面，团队成员分别承担了系统的开发、验证、软件编写、数据分析、界面设计和项目管理等任务。每个成员都对系统的成功实现做出了重要贡献，体现了团队合作在复杂系统开发中的关键作用。

综上所述，本文提出了一种全新的远程操作PCI机器人手术系统，旨在解决现有系统在自动化程度和操作便捷性方面的不足。通过结合先进的控制算法和直观的用户界面，NTU系统有望为未来的微创心脏手术提供更加安全、高效和智能化的解决方案。随着技术的不断进步，该系统将为心脏外科医生提供更可靠的辅助工具，同时减少医疗人员在手术过程中的辐射暴露风险。