血管微创介入手术机器人的基础问题研究

The wide application of minimally invasive vascular surgery is limited by some theoretical and engineering problems, such as, the difficulty of modelling the interaction between surgical instruments and blood vessel, high requirements for medical doctors, lack of effective safety solution for doctor to avoid radiation damage and the absence of image guided navigation, which are all urgent for us to solve these problems. This proposal mainly focuses on how to model the interaction of instruments-vessel-blood flow, how to achieve highly efficient master-slave manipulation, how to navigate in interventional procedure, how to adopt the experience of expert into the surgical robot, and how to evaluate the effectiveness of the surgical robot. This proposal aims to find out a way to model the surgical instruments, measure the force/torque during guide wire advancing and feed it back to remote doctor, real time track the tip’s location in blood vessel, acquire the manipulation skills from experienced doctors, and achieve autonomous guide wire delivery. The proposal is discussed around two main topics, one is how to realize highly efficient master-slave manipulation, and another is how to make the surgical robot smart enough to automatically advance surgical instruments to lesion site of blood vessel. A surgical robot will be developed to verify the effectiveness of this research by animal trials, then evaluation parameters of this kind of surgical robot will be established. The achievements of this research will promote the development and application of surgical robots in vascular intervention.

本项目针对制约血管微创介入手术发展的血管内介入器械运动规律复杂、对医生操作技能要求高、医生辐射累积大、缺乏手术导航的问题，深入开展面向血管介入手术机器人的介入器械-组织-血流的复杂相互作用、高透明性的人机交互机理、多模信息融合配准的手术导航、基于高级医生操作技能的学习方法、机器人手术评估等基础研究工作。拟重点解决介入器械操控的非完整系统建模、力/力矩的实时测量-反馈、体内介入器械实时追踪、高级医生操作技能的分类和获取、自主递送的规划和控制等基础科学问题。项目研究围绕两条研究主线：基于主从操作的递送和自主递送。构建集成验证系统与临床应用环境，开展活体验证试验，建立血管微创介入机器人手术的评估方法，为后续应用系统的研发提供技术验证平台。项目研究成果将为微创血管介入手术机器人的发展提供理论基础和关键技术，提高血管微创介入手术的治疗水平。

本项目面向血管介入手术的临床需要，针对血管微创介入手术机器人控制、感知与导航中的前沿难点问题，进行了系统深入的研究，重点解决了“机器人主从操作与自主递送”、“介入器械-组织-血流的复杂相互作用”、“多模影像融合的智能手术导航”等关键问题，取得了如下成果：(1)研制了面向复杂血管病变的多器械协同递送血管微创介入手术机器人，先后完成了国际首次面向复杂病变的多器械协同递送血管介入手术、国际首次基于5G的远程多器械协同递送血管介入手术（活体动物试验），提出了针对复杂介入操作的学习策略和评价方法，设计了基于位置闭环的球囊/支架自主精准递送策略。(2)提出了基于血流动力学的复杂主动脉术后功能评估模型，并设计了新型小口径人造血管，建立了血流和血管壁相互作用的力学分析模型，搭建了可测量血管应变的光学相干成像系统，实现了微观尺度应变的测量。(3)提出了针对不同直径血管的多尺度密集卷积分割网络，分别设计了基于局部加权互信息和多通道卷积神经网络的术前3D/术中2D影像配准算法，实现了多模影像的快速配准，并开发了相应的机器人手术导航软件。.在项目执行期内，共发表学术论文69篇，其中SCI论文26篇（包括IEEE汇刊论文9篇）。相关研究成果获得国家自然科学奖二等奖等科研奖励。项目骨干成员入选万人计划科技创新领军人才1人、IEEE Fellow 1人、北京市科技新星1人，中国科协“青年人才托举工程”1人；获得中国科学院青年创新促进会资助2人、中国科学院特别研究助理资助1人。总共培养研究生14名，获得中国科学院院长特别奖1人、一级学会优秀博士学位论文2篇次。授权国际PCT专利2项，国家发明专利16项。部分项目成果在中科鸿泰等医疗科技公司得到了成功转化应用，正稳步推进血管微创介入手术机器人的产业化进程。