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中国首例机器人辅助心脏支架手术背后

远程手术机器人辅助治疗渐成常态。

编译|智东西 熊大宝

编辑 | 李水青

智东西4月19日消息,近日,西门子医疗Corindus的手术机器人团队在网上分享研发历程,该团队研发的血管介入机器人CorPath GRX可辅助医生远程进行心脏手术。

2018年,CorPath GRX帮助五名冠状动脉疾病(CAD)患者进行治疗。主治医生无需亲自操刀,而是在20英里外的远程驾驶舱指导手术室内的机器人执行冠状动脉介入治疗(PCI)手术。

2020年11月上海进博会现场,CorPath GRX首次在中国展出;2021年3月13日,CorPath GRX在中国首次用于临床实践,中国科学院院士、复旦大学附属中山医院葛均波教授团队操作,顺利完成中国首例介入手术机器人手术。

葛均波院士操作CorPath GRX控制台

CorPath GRX机器人结合网络、工程学、医学知识,相关论文在2019年9月3日被发表于医学杂志《柳叶刀(THE LANCET)》的子刊《电子医学(EClinicalMedicine)》上。

CorPath GRX研发团队近期对介入机器人的技术难点、应用场景、迭代方向进行经验性分享,为远程机器人辅助治疗领域提供参考。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589537019301373

、平均延迟降至53毫秒,远程实时手术风险低

在20英里外让医生远程执行复杂程序,这一过程中最重要的是实时、端到端的视频获取和处理。

一方面,图像的延时会影响医生操作的准确性;另一方面,医生对网络质量的了解程度不够也会造成伤害患者的风险,具体来说,医生需要了解网络延迟和每秒接收的图像帧。

若要确保患者安全,数据必须以高可靠性和低延迟传输。为了克服实时系统操作的挑战,CorPath GRX开发公司Corindus的研究人员尼古拉斯·科滕斯泰特(Nicholas Kottenstette)进行创新,开发实时通信系统。

他分享道:“我们使用MATLAB & Simulink(实时仿真和测试软件)来开发CorPath GRX平台控制软件,从而实现远程机器人实时通信能力。事实证明,这两项模型技术对于开发精密机器人系统来说至关重要。从用于指导机器人手臂运动的嵌入式电机控制,到监控器图像与工作站的通信方式。我的团队使用基于模型的设计对远程系统进行了建模。”

科滕斯泰特表示,这种方式很奏效。“软件开发商MathWorks与我们一同开发来一种先进的实时视频功能,在这种功能下,我们可以根据需要压缩和解压图像,以便远程实时传输,这不会打断医生的正常工作流程。”

为了确保该功能具备专用的实时网络能力,Corindus使用高性能计算机Speedgoat来执行系统的关键应用程序。

特哈斯·帕特尔博士(Tejas Patel)也对这项远程解决方案作出了贡献。他与同事桑贾伊·沙阿(Sanjay Shah)和萨米尔·潘乔利(Samir Pancholy)在《生态医学(Sanjay Shah and Samir Pancholy)》中撰写了关于机器人辅助治疗的论文。

帕特尔在论文中指出:“这项远程解决程序R-PCI(机器人辅助PCI)在所有方面都很成功,没有重大的程序延迟或技术困难。网络记录的平均时延为53毫秒,在实际操作过程中基本察觉不到。”

科滕施泰特说:“每一秒钟对中风患者都很重要,就像对心脏病发作患者一样。”“我们使用远程机器人治疗患者将是未来医学潮流,这将推动我们下一代CorPath机器人的创新。”

、靠双系统远程手术,启发自飞行控制模型

科滕施泰特加入Corindus后,一直致力于CorPath、CorPath GRX等机器人的产品开发。在此之前,他在圣母大学获得电气工程博士学位,思考如何改善机器人时间延迟和数据丢失问题,设计了一个框架来增强控制系统的网络稳定性。

后来,他在范德比尔特大学开始了他的职业生涯,为飞机进行机器人控制系统的模型设计。正是这项工作启发了外科手术机器人的网络运行的控制系统。

CorPath GRX系统由两个主要工作站组成:一个床边设备,该系统允许机器人在内部对患者执行标准化操作,另一个是介入驾驶舱,医生在干预治疗期间从中引导设备。

床边设备由机器人伸展臂、触摸屏和一次性无菌盒组成。手臂用来操纵机器人触摸屏和无菌盒,触摸屏接收驾驶舱控制台的指令,引导无菌盒,无菌盒反过来操作患者体内的导线、支架导管和导管。介入驾驶舱中包含机器人控制子系统和远程存在通信系统,将医生与床边设备中的机器人联系起来。

帕特尔博士介绍道:“机器人控制变电站包含一个控制计算系统、显示器、网络设备和一个有三个操纵杆的机器人控制台。”“监视器显示实时血流动力学变量和透视视频,为操作员提供了PCI过程的增强可视化效果。一个操纵杆用于支架操作,第二个用于导线操作,第三个用于导管操作。”

床头设备和介入驾驶舱这两个主要系统,也揭示了一个成功的机器人系统所必需的协作和相互依存。

综合起来,这些系统带来了可量化的好处,包括提高解剖精度,确定病变大小和支架长短的精度。

提高心血管疾病治愈率保障医患者安全

根据世界卫生组织(WHO)的数据,心血管疾病(CVD)是全球头号死因,每年夺去1790万人的生命。在发展中国家和农村地区等缺乏重症监护的地方,心血管疾病死亡率最高。冠脉介入治疗(PCI)当前已成为心血管病重要治疗方案。

世卫组织指出,超过四分之三的心血管疾病死亡发生在中低收入国家。在发达国家,这个问题出现在农村社区,那里的小型医院通常没有心脏病学相关专家。

因此,Corindus这样的远程解决方案可能会为这些患者带来福音。

Corindus表示,发展中国家绝大多数冠状动脉疾病或急性冠脉综合征患者很少有机会获得即时干预治疗。机器人辅助PCI程序在网络联通性和操作员专业知识的提升下,可以为众多发展中国家和农村地区等一线提供服务。

同时,该技术可以用作补充服务,为更多患者提供专业知识。

自从Corindus团队推出CorPath机器人平台以来,他们一直有一个目标:随时随地接触需要治疗的病人,保障医护人员健康安全。

虽然CorPath的机器人为医生提供了在PCI程序中非凡的精确度和控制力,但也会为医生带来辐射和佩戴重型防护设备时引起的骨科损伤。

科滕斯泰特回忆道:“Corindus CEO马克·托兰德(Mark Toland)告诉我们的团队,在全球对创新远程医疗解决方案需求日益增长时,我们需要打破僵局,进一步发展CorPath系统的能力,在脑部治疗方面探索更多治疗可能性。”

结语:远程手术机器人辅助治疗渐成常态

在心脏介入手术的实施方面,及时性是最大的挑战。CorPath GRX这一手术机器人能够在数十公里外满足治疗需求,短时间内对血管进行干预,并且辅助医生进行精度判断,提高心血管疾病治愈率。

当前,手术机器人逐渐迈向商用化,辅助医生完成一些标准化、程序化操作,未来将向小型化、专用化、智能化的方向发展。

来源:Robohub

本文为转载内容,授权事宜请联系原著作权人。
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