A Compact Top-Loading Robot for Endovascular Interventions: Design, Control and Evaluation
作者: Jonas Fischer, Lennart Karstensen, Franziska Mathis-Ullrich
分类: cs.RO
发布日期: 2026-07-13
💡 一句话要点
提出一种紧凑型顶装机器人以解决血管内手术中的仪器交换问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)
关键词: 血管内手术 机器人系统 仪器更换 控制策略 运动跟踪 气动夹持器 临床应用
📋 核心要点
- 现有的机器人系统在血管内手术中存在仪器更换复杂、灵活性不足等问题，限制了其临床应用。
- 本研究提出了一种紧凑型顶装机器人系统，能够实现标准血管内仪器的连续操作，简化仪器更换流程。
- 实验结果显示，系统在导丝和导管的运动跟踪中，平移和旋转的平均相对跟踪误差分别为3.6%和4.1%。
📝 摘要（中文）
机器人辅助的血管内手术能够减少辐射暴露、改善外科医生的人体工学、支持远程手术并提高程序精度。然而，现有系统由于患者侧设置受限、灵活性不足和复杂的仪器更换流程，往往难以有效整合到临床工作流程中。本研究提出了一种紧凑型机器人系统，能够实现标准血管内仪器的连续平移和旋转操作。该系统由两个交替的小车和集成在旋转夹持齿轮中的气动膜夹持器组成，顶装设计使得仪器如导丝和导管的快速更换成为可能。通过领导-跟随控制策略，尽管每个小车的行程有限，系统仍能实现连续运动。实验结果表明，该系统在体外血管模型中表现出良好的导航能力，验证了其在临床环境中的可行性。
🔬 方法详解
问题定义：本研究旨在解决现有血管内手术机器人系统在仪器更换和灵活性方面的不足，限制了其在临床中的应用。
核心思路：提出一种紧凑型机器人系统，通过顶装设计和气动夹持器，实现标准血管内仪器的快速更换和连续操作。
技术框架：系统由两个交替的小车和集成在旋转夹持齿轮中的气动膜夹持器组成，采用领导-跟随控制策略以实现连续运动。
关键创新：该系统的顶装设计和气动夹持器的结合，使得仪器更换更加高效，显著提高了手术的灵活性和操作精度。
关键设计：系统设计中采用了气动驱动和旋转夹持机制，确保了夹持器在不同操作中的稳定性和可靠性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，系统在导丝和导管的运动跟踪中，平移和旋转的平均相对跟踪误差分别为3.6%和4.1%。在体外血管模型中，机器人辅助导航在大多数试验中成功到达目标，验证了其操作的可行性。
🎯 应用场景
该研究的机器人系统具有广泛的应用潜力，特别是在血管内手术领域。通过提高仪器更换的效率和操作的灵活性，能够显著改善外科医生的工作流程，降低手术风险，未来可能在更复杂的临床环境中得到应用。
📄 摘要（原文）
Robot-assisted endovascular intervention can potentially reduce radiation exposure, improve surgeon ergonomics, enable telesurgery, support active assistance and autonomy, and enhance procedural precision. However, existing systems often suffer from limited procedural coverage because constrained patient-side setups, restricted flexibility, and complex instrument exchange hinder clinical workflow integration. This work presents a compact robotic system for endovascular interventions that enables continuous translational and rotational manipulation of standard endovascular instruments. The system consists of two alternating carts with pneumatically actuated membrane grippers integrated into rotating gripper gears. Its top-loading design allows rapid exchange of instruments such as guidewires and catheters without changing the robotic setup. A leader-follower control strategy enables continuous motion despite the finite stroke of each cart. The system was evaluated in motion-tracking experiments with guidewires and catheters and in an in vitro vascular phantom. The motion-tracking experiments showed generally smooth translational and rotational motion profiles. Across all tested guidewire and catheter experiments, the mean relative tracking errors were 3.6% for translational motion and 4.1% for rotational motion. In the vascular phantom, robot-assisted navigation reached the target in most trials, demonstrating the feasibility of the proposed manipulation concept under in vitro conditions. The presented robotic system demonstrates technical feasibility for continuous manipulation of standard endovascular instruments in bench-top and in vitro experiments. The compact top-loading design may ease instrument exchange and clinical workflow integration. Future work will focus on improving gripping performance, actuation speed, force feedback, and evaluation in more clinically realistic settings.