《科學》子刊：自動導航的心臟修復機器人誕生！美科學家基於AI研製出自動導航機器人，40秒即可定位到主動脈瓣上的病灶丨科學大發現

2012年的科幻電影《普羅米修斯》中，出現過一個能自動給人做手術的醫療倉。機器人手術這一概念，現如今也在逐漸成為現實，像達芬奇手術機器人，就已經進入了各大醫院，開始給人們做手術。

不過達芬奇機器人也是要在醫生的操作下才能工作，離真正地自主完成手術還差了不少。

近日，波士頓兒童醫院的G. Fagogenis和P. E. Dupont等開發的一款機器人，成功實現了心臟內的自動導航，從心尖一路找到主動脈瓣上的病變位置，再由醫生進行修補。相關研究發表在Science Robotics上[1]。

電影《普羅米修斯》中的機器人手術

心臟病是當今世界的一大健康威脅。像什麼冠心病、心臟瓣膜病等的治療中，除了使用藥物控制病情，通過手術打開堵塞的血管、修復或更換受損的瓣膜，也是很重要的一部分。相比需要打開胸骨暴露心臟的開胸手術，經血管或心尖進入心臟的微創導管手術，在術後恢復等方面具有很大的優勢[2]。

但心臟微創手術做起來也不容易。手術在不透明的血液中進行，醫生只能穿上鉛衣通過x光觀察。且不說輻射對醫生和患者的傷害，單就那一身防護用的鉛衣，奇點糕是穿上十幾分鐘就腰酸背痛了。

如果這些操作都能自動完成就好了！不過手術操作比較複雜，讓機器人自動去完成可能比較難，但哪怕能讓導管自動找到病變位置也行啊。對此，Fagogenis和Dupont等展開了研究。

Dupont（左二）的研究團隊（來自波士頓兒童醫院）

研究人員遇到的第一個問題就是血液中的能見度，以往那種基於圖像識別的機器人[3]，在心血管里肯定是兩眼一抹黑。既然看不見，導管在血液中只能摸黑前進，要不就讓它摸著走吧。

為此，研究人員開發了一種被稱為「觸覺視覺」的感測模式，可以對導管末端所接觸的物體成像（視覺部分），並結合導管末端的受力情況（觸覺部分），分析它所接觸到的是血液、組織還是瓣膜，並以此導航，尋找病變部位。同時，機器人也可以接受醫生的遙控操作。

有了這套心內導航系統，研究人員在主動脈瓣瓣旁泄露的豬心模型上，測試了它從心尖進入尋找病灶的能力。瓣旁泄露是瓣膜置換術的一種併發症，可由植入的瓣膜縫合不良、感染、鈣化等因素引起。常規的經導管瓣旁泄露封堵目前大約需要29.9±24.5分鐘的x線透視照射[4]。

研究人員先通過術前檢查，確定了泄露的位置，然後讓導管末端先找到心室壁，再沿著心室壁到達主動脈瓣，最後沿著瓣膜環找到泄露的位置。而為了便於機器人定位，研究人員還在之前植入豬心中的帶有3個泄露位置的瓣膜上縫上了彩色線條。

植入的瓣膜上用於定位的彩色線條

在從心尖經心室壁到達主動脈瓣的這一段過程上，5頭豬上總共90次的試驗中，自動導航成功完成了89次，成功率接近99%！速度上，自動導航也比醫生操控下的遙控導航快，但不如傳統的手動操作。

不過在動脈瓣周尋找泄露點這一步，或許是有顆心臟里的路不太好找，自動導航的成功率就不是很高了，在3頭豬上進行的共65次試驗中，只成功了43次，成功率只有66%，速度也不如遙控操作和手動操作。

接下來，研究人員對從心尖到病灶的完整過程進行了測試。在5頭豬上進行的83次試驗中，有79次（95%）成功到達了病灶，平均用時39±17s，與遙控操作（34±29s）和手動操作（31±27）接近。

在導航的準確性上，自動導航與人工操作也相差無幾。在兩頭豬上進行的38次試驗中，自動導航後導管末端與病灶中心位置的平均距離為2.9±1.5mm，而人工操作下則為3.0±2.0mm。

論文作者Dupont表示：「這一自主機器人可以幫助外科醫生進行複雜的手術，減少疲勞。讓外科醫生能夠專註於最困難的操作，從而提高手術效果。」

接下來，Dupont的研究團隊將嘗試在經血管的介入治療中使用這一系統，未來還將繼續嘗試將其用於經氣管、胃腸道和腦室的微創手術，讓更多的醫生可以專註於手術中最難的部分。

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參考文獻：

1. FAGOGENIS G, MENCATTELLI M, MACHAIDZE Z, et al. Autonomous robotic intracardiac catheter navigation using haptic vision[J]. Science Robotics, 2019, 4(29): eaaw1977.

2. Cooper M A, Hutfless S, Segev D L, et al. Hospital level under-utilization of minimally invasive surgery in the United States: retrospective review[J]. BMJ, 2014, 349: g4198.

3. Shademan A, Decker R S, Opfermann J D, et al. Supervised autonomous robotic soft tissue surgery[J]. Science translational medicine, 2016, 8(337): 337ra64-337ra64.

4. Eleid M F, Cabalka A K, Malouf J F, et al. Techniques and outcomes for the treatment of paravalvular leak[J]. Circulation: Cardiovascular Interventions, 2015, 8(8): e001945.

本文作者 | 孔劭凡

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