远程医疗的新前沿
远距离机器人辅助心脏手术及其他
2018年，印度艾哈迈达巴德Apex心脏研究所的5名患者接受了冠状动脉疾病(CAD)的治疗，与其他300万患者每年接受的治疗方式相同:将一个小气球插入心脏动脉并充气，为放置支架让路，以保持重要通道的畅通。
该手术被称为经皮冠状动脉介入治疗(PCI)，是动脉粥样硬化的标准治疗方法。动脉粥样硬化是一种常见的CAD，其特征是斑块在动脉内积聚，随后血流受限。像之前的许多病人一样，他们的手术是由机器人辅助的——CorPath GRX机器人平台Corindus，西门子健康公司．
然而，与之前的其他人不同的是，这五位患者参与了一个惊人的第一次:他们的主治医生在手术过程中没有和他们在一起。事实上，他在20英里外，从一个远程工作站指导机器人完成完美的操作。
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机器人手术解决了死亡的主要原因
根据世界卫生组织(WHO)的数据，心血管疾病(CVD)是全球第一大死亡原因，每年夺走1790万人的生命。在缺乏紧急护理的地区，如发展中国家和农村地区，影响最大。
世界卫生组织指出，超过四分之三的心血管疾病死亡发生在低收入和中等收入国家。在发达国家，这个问题出现在农村社区，那里的小医院往往没有专家，比如介入心脏病专家。正是在这些领域，像Corindus这样的远程解决方案提供了希望和诱人的可能性。
Tejas Patel博士进行了这些远程干预，并与他的同事Sanjay Shah和Samir Pancholy在EClinicalMedicine．根据这篇文章，“在发展中国家，绝大多数冠心病或急性冠脉综合征患者很少或根本无法获得即时介入治疗。目前的机器人技术，结合网络连接的改进和R-PCI(机器人辅助PCI)手术的操作员专业知识，可以在缺乏此类专业知识的地区作为一线服务。”文章还指出，该系统可以作为一项补充服务，为更多的患者提供专业知识。
医生从介入驾驶舱驾驶CorPath GRX。图片来源:Corindus
根据世界卫生组织的数据，心血管疾病是全球第一大死亡原因，每年夺走1790万人的生命。
“要么远程，要么回家”
自CorPath机器人平台问世以来，Corindus团队一直致力于为世界各地需要治疗的患者提供服务。医生安全也是如此。
虽然CorPath的机器人技术进步已经为医生在PCI手术过程中提供了卓越的精度和控制，但该系统仍然需要做更多的工作来保护医生的健康——手术中使用的成像技术暴露于辐射是很常见的，因为医生被迫佩戴必要的重型防护设备而导致的骨科损伤也是如此。
Corindus的研发研究员Nicholas Kottenstette博士回忆道:“Corindus的首席执行官Mark Toland意识到有机会增加外科医生的安全性，同时满足全球对创新远程医疗解决方案日益增长的需求，他告诉我们的团队，是时候‘要么远程，要么回家’了。”“这一战斗口号在整个公司引起了共鸣，迫使我们挑战极限，进一步发展我们CorPath系统的功能和可能性，并实现另一个行业里程碑:实现第一个远程机器人辅助PCI。”
飞机控制技术导致机器人手术
Kottenstette自加入Corindus以来一直在机器人生产线工作。但他的职业生涯是从另一个领域开始的。他在圣母大学获得电气工程博士学位，在那里他设计了一个通过网络控制系统的框架，在考虑时间延迟和数据丢失的同时确保稳定性。随后，他在范德比尔特大学开始了他的职业生涯，使用基于模型的设计为飞机开发机器人控制系统。正是这项工作导致了一种通过网络操作的不同类型的控制系统:手术机器人。
“所有这些工作都涉及使用MATLAB进行基于模型的设计®和仿真软件®Kottenstette说:“这已经被证明是应对开发我们的精密机器人系统的挑战所不可或缺的。”
为了理解机器人系统的复杂工作原理，对其关键部件进行基本的盘点是有帮助的。该系统包括两个主要站点:床边单元(允许在患者体内操作设备的系统部分)和介入驾驶舱(医生在干预过程中引导设备)。
床边单元有一个可伸臂和床边触摸屏。这是由医务人员操作的。图片来源:Corindus
介入驾驶舱包括一个辐射屏蔽、监控器和控制台，使介入心脏病专家可以在不穿戴铅的情况下坐着工作。图片来源:Corindus
CorPath GRX机器人平台包括两个主要工作站:床边单元(允许在患者体内操作设备的系统部分)和介入驾驶舱(医生在干预过程中引导设备的驾驶舱)。
床头装置由伸臂、机器人驱动器和一次性无菌盒组成。手臂定位机器人驱动器和卡带。机器人驱动器接收来自驾驶舱控制台的输入，引导卡带，卡带反过来操纵导丝、球囊/支架导管和患者体内的导导管。
介入心脏病专家在介入座舱中工作，该座舱包含机器人控制子系统和远程呈现通信系统，并将医生与床边单元的机器人连接起来。
“机器人控制变电站包含一个控制计算系统、监视器、网络设备(即连接)和一个带有三个操纵杆的机器人控制台，”帕特尔博士说。该监控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。一个操纵杆用于球囊/支架操作，一个用于导丝操作，第三个用于导导管操作。”
仔细观察这两个主要系统-床边单元和介入驾驶舱-揭示了协作和相互依赖对机器人系统的成功性能至关重要。结合起来，这些系统已经带来了可量化的好处，包括提高了测量解剖学以确定病变大小和支架长度的准确性，以及提高了支架定位的精度。
“所有这些工作，包括使用MATLAB和Simulink进行基于模型的设计，已被证明是应对开发精密机器人系统挑战的不可或缺的一部分。”
Nicholas Kottenstette博士，Corindus的研发人员
远距离手术
远程执行复杂的程序带来了重大的设计挑战，其中最主要的是实时、端到端的视频捕获和处理:当医生看到的图像和通过网络发送的命令存在明显的延迟或延迟时，他们的操作效率可能会降低。此外，医生了解网络连接的质量也很重要，包括网络延迟和每秒接收的图像帧数(吞吐量)。该系统应限制医生在较差的网络条件下操作，以减少对患者造成伤害的风险。
为了克服实时系统操作的挑战，Kottenstette利用了他使用基于模型的设计的创新记录。
Kottenstette说:“MATLAB、Simulink和Simulink Real-Time™一直是我在CorPath系统上应用程序开发工作的主要内容，从用于指导机械臂运动的嵌入式电机控制，到与工作站通信的面点图像。”“我的团队使用基于模型的设计对远程系统进行建模。”
这种做法已经取得了回报。例如，当Corindus开始开发其下一代平台CorPath GRX时，它在USB 3.0设备实时支持之前就使用了通用摄像头。
Kottenstette说:“当我们推动开发一种不中断医生正常工作流程的高级实时视频功能时，MathWorks与我们携手开发所需的支持。”“一旦我们有了这些，我们就可以根据需要压缩和解压缩图像，以方便远程操作员实时传输和使用。”
为了确保专用的实时网络能力，Corindus使用了Speedgoat系列目标机器(针对特定应用程序优化的高性能计算机)来执行其系统的关键任务应用程序。CorPath GRX在操作现场有一个“快羊”(Speedgoat)目标，在远程位置有一个支持介入驾驶舱，表现令人钦佩。
Patel博士在他的报告中指出:“远程R-PCI手术在各方面都是成功的。远程介入操作员评价机器人平台和网络连接系统的功能相当于实验室手动PCI程序，没有明显的程序延迟或技术困难。网络记录的53毫秒的平均延迟证实了这一点，这很可能是操作员无法察觉的。”
Kottenstette设计了Simulink实时模型来控制床边设备。
“MATLAB、Simulink和Simulink Real-Time一直是我在CorPath系统上应用程序开发工作的主要内容，从用于指导机械臂运动的嵌入式电机控制，到透视图像与工作站通信的方式。我的团队使用基于模型的设计对远程系统进行建模。”
Nicholas Kottenstette博士，Corindus的研发人员
在远程R-PCI手术取得突破性成功的鼓舞下，Corindus仍在继续思考大问题——大到足以在脑部治疗领域引领一场远程医疗革命。
Kottenstette说:“对中风患者来说，每一秒都很重要，就像对心脏病患者一样。”“我们能够在任何地方用我们的远程机器人协议治疗患者，这是未来的潮流，并且正在推动我们的下一套CorPath创新，因为我们正在治疗中风，中风是美国第一大致残原因和第五大死亡原因。”
观看这个视频(三)查看Corindus如何在Speedgoat目标上运行实时应用程序，使用精确时间协议同步本地和远程站点时钟。
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