機(jī)器人在臨床醫(yī)療的應(yīng)用

“達(dá)芬奇”并不是手術(shù)機(jī)器人的鼻祖。“第一例機(jī)器人輔助外科手術(shù)于1985年進(jìn)行，當(dāng)時(shí)是利用工業(yè)機(jī)器人穩(wěn)定患者頭部，便于神經(jīng)外科手術(shù)鉆孔和將組織取樣針插入指定位置。”中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員譚民在《機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展》中介紹。

如同“阿爾法狗”帶動(dòng)了AI產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，“達(dá)芬奇”讓人們認(rèn)同機(jī)器人輔助外科手術(shù)，并極大助推了醫(yī)療與康復(fù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近日，有研究報(bào)告顯示，智慧醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用日益廣泛，并成為醫(yī)療行業(yè)中關(guān)注的熱點(diǎn)。全球智慧醫(yī)療機(jī)器人市場(chǎng)保持高速增長態(tài)勢(shì)，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋醫(yī)療手術(shù)、康復(fù)運(yùn)動(dòng)、醫(yī)護(hù)輔助和醫(yī)療后勤等多個(gè)門類。此前有專家介紹，目前，國外醫(yī)療機(jī)器人的占有率正逐步降低，我國的醫(yī)療機(jī)器人正在進(jìn)入市場(chǎng)。

血管介入機(jī)器人已練就敏銳觸覺

人們熟知的機(jī)器人是笨重的，如何讓這些鋼鐵家伙扛得起“大包”，又玩得轉(zhuǎn)“柳葉刀”呢？這條“跨界”路上，敏銳的感知、實(shí)時(shí)的信號(hào)、最優(yōu)化的處理一個(gè)也不能少。

與“達(dá)芬奇”機(jī)器人的功能不同，另一種機(jī)器人需要更敏銳的觸覺，來迎接另一種場(chǎng)景的艱巨考驗(yàn)。血管是遍布全身、形態(tài)各異的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，而血管介入機(jī)器人能夠在血管中穿行、輔助醫(yī)生完成血管介入手術(shù)，練就了當(dāng)之無愧的敏銳技藝。

血管介入手術(shù)需要在專門的導(dǎo)管室中進(jìn)行。由于需要X射線成像，才能操作導(dǎo)管、導(dǎo)絲等介入器械，過去醫(yī)生在手術(shù)過程中必須身穿沉重的鉛衣。在手術(shù)過程中需要頻繁調(diào)整角度、病人位置并注射造影劑，手術(shù)時(shí)間長。長期在導(dǎo)管室中工作還易出現(xiàn)脊柱病、白內(nèi)障甚至癌癥等職業(yè)病。

危險(xiǎn)的地方讓機(jī)器人代勞。目前多個(gè)國家已經(jīng)研制了導(dǎo)管介入手術(shù)的輔助機(jī)器人，典型的功能是針對(duì)冠狀動(dòng)脈狹窄，輔助醫(yī)生遞送導(dǎo)管、導(dǎo)絲、支架等介入器械。

在血管里穿行，每行進(jìn)一毫米都要微米不差：經(jīng)過主動(dòng)脈，必須快速通過，以減少X射線和造影劑的使用。經(jīng)過狹窄病變部位，需要高精度操作才能使導(dǎo)絲或?qū)Ч艽┻^狹窄病變。

高精準(zhǔn)度、速度、策略在機(jī)器人“養(yǎng)成”的過程中一個(gè)也不能少?！把芙槿胧中g(shù)中，醫(yī)生手指搓捻導(dǎo)絲時(shí)，手指關(guān)節(jié)的屈伸角度和推送導(dǎo)絲時(shí)手部的空間位置及方位都是影響手術(shù)成功的關(guān)鍵因素?！敝袊茖W(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員奉振球說，為此研究團(tuán)隊(duì)利用光纖數(shù)據(jù)手套，通過對(duì)人手骨骼和手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析，提出了一種手指屈伸角度識(shí)別的方法，建立了手指屈伸角度與數(shù)據(jù)手套輸出的映射關(guān)系。

“我們根據(jù)這個(gè)方法，解決了數(shù)據(jù)手套輸出實(shí)用性不明確的問題，進(jìn)行了屈伸角度實(shí)驗(yàn)并驗(yàn)證了方法的有效性。還通過引入電磁跟蹤傳感器，對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)手套進(jìn)行改良?！狈钫袂蛘f，這將彌補(bǔ)目前的血管介入機(jī)器人缺少觸覺反饋或者觸覺反饋不夠精細(xì)的缺陷，使得醫(yī)生在機(jī)器人的操作端擁有真實(shí)精細(xì)的觸覺。

康復(fù)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模快速增長

有調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，全球醫(yī)療機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從2016年的49億美元以21．1％的年復(fù)合增長率擴(kuò)大到2021年的128億美元，其中，手術(shù)機(jī)器人的規(guī)模最大，康復(fù)機(jī)器人的增速最快。

如果說手術(shù)機(jī)器人是“玩轉(zhuǎn)柳葉刀”的“好把式”，那么康復(fù)機(jī)器人就是會(huì)“懸絲診脈”的“知心人”。

“患者的運(yùn)動(dòng)意圖和實(shí)際的運(yùn)動(dòng)能力都要兼顧到?！敝袊茖W(xué)院自動(dòng)化研究所復(fù)雜系統(tǒng)管理與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員彭亮說，為了完成機(jī)器和人的“交互”，可以通過反映患者運(yùn)動(dòng)意圖的表面肌電信號(hào)，將數(shù)據(jù)經(jīng)頻率振蕩器“虛擬”成肌肉節(jié)律性收縮，康復(fù)機(jī)器人感受到振蕩器就能輔助患者執(zhí)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練了。

康復(fù)機(jī)器人可以讀取肌電數(shù)據(jù)，那么患者的肌電信號(hào)與連續(xù)的運(yùn)動(dòng)或力／力矩之間如何對(duì)應(yīng)呢？這是康復(fù)機(jī)器人能夠“懸絲診脈”的關(guān)鍵，因此需要建立兩者之間的動(dòng)態(tài)模型。

在前不久的中國醫(yī)療機(jī)器人翠湖論壇上，中國康復(fù)研究中心神經(jīng)內(nèi)科主任趙軍介紹了偏癱步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析及康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作的設(shè)計(jì)的研究工作。他表示，為了將臨床經(jīng)驗(yàn)無限接近地傳遞給機(jī)器人，臨床工作需要“數(shù)據(jù)化”，例如結(jié)合先進(jìn)的動(dòng)作捕捉、足底壓力及表面肌電采集等技術(shù)，從關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)、肌肉活動(dòng)等多方面對(duì)腦卒中偏癱患者進(jìn)行更全面和精細(xì)的步態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計(jì)更加科學(xué)和有針對(duì)性的康復(fù)訓(xùn)練動(dòng)作。

“一款康復(fù)機(jī)器人醫(yī)療為什么這樣行、那樣不行，需要深入的理論基礎(chǔ)和機(jī)理的研究，基礎(chǔ)來自臨床?！敝锌圃鹤詣?dòng)化所副所長戰(zhàn)超表示，做康復(fù)機(jī)器人需要與臨床研究的深入結(jié)合，少不了醫(yī)院與研究院的“院院聯(lián)合”，在理論基礎(chǔ)的指引下，才能生產(chǎn)出經(jīng)得起患者和市場(chǎng)檢驗(yàn)的機(jī)器人。

從實(shí)驗(yàn)室到臨床期待“臨門一腳”

“達(dá)芬奇”機(jī)器人的成功一定程度上得益于其被FDA批準(zhǔn)進(jìn)入臨床，目前全球正在使用的約有4000余臺(tái)。對(duì)于醫(yī)療器械來說，拿到生產(chǎn)許可證是其得以進(jìn)入市場(chǎng)的“臨門一腳”。

2016年11月16日，天智航公司取得了國家食品藥品監(jiān)督管理總局（CFDA）頒發(fā)的手術(shù)機(jī)器人醫(yī)療器械注冊(cè)許可證，成為國際上唯一能夠開展創(chuàng)傷骨科、脊柱外科手術(shù)的骨科機(jī)器人系統(tǒng)。

2018年6月26日，大艾公司旗下的外骨骼機(jī)器人獲得CFDA注冊(cè)證，成為中國首個(gè)通過CFDA認(rèn)證的下肢外骨骼機(jī)器人，是實(shí)行第二類創(chuàng)新醫(yī)療器械“綠色通道”審評(píng)審批政策后全國第一個(gè)二類創(chuàng)新醫(yī)療器械。

隨著科技成果轉(zhuǎn)化制度的完善與健全，各科研院所相繼出臺(tái)了轉(zhuǎn)化細(xì)則，讓基礎(chǔ)研究成果得以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，有渠道擁抱市場(chǎng)。擁有科研院所“血脈”的創(chuàng)新引領(lǐng)者們逐步走向市場(chǎng)，推進(jìn)原創(chuàng)成果的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化?！拔覀兊难芙槿霗C(jī)器人是在中科院自動(dòng)化所十多年積累的基礎(chǔ)上自主研制出來的，經(jīng)過了實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)到產(chǎn)品樣機(jī)的轉(zhuǎn)變，通過技術(shù)創(chuàng)新解決了目前國外產(chǎn)品還存在的一些不足?！狈钫袂蛘f。

目前，中國的醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入臨床仍有很長的路要走，包括在臨床試驗(yàn)中驗(yàn)證它的安全性和有效性，隨后進(jìn)行注冊(cè)審批?！夺t(yī)療器械優(yōu)先審批程序》于2017年1月1日起施行。針對(duì)一部分具有明顯臨床優(yōu)勢(shì)的境內(nèi)三類和進(jìn)口二、三類醫(yī)療器械注冊(cè)申請(qǐng)實(shí)施優(yōu)先審批，這為各類優(yōu)質(zhì)醫(yī)療器械的快速普及帶來極大的推動(dòng)力。

有資料顯示，哈工大在腹腔鏡、骨科、介入手術(shù)等領(lǐng)域開展研究，中科院自動(dòng)化所、沈陽所、深圳院等在血管介入、骨科等領(lǐng)域開展研究，天津大學(xué)在腹腔鏡、顯微外科等領(lǐng)域開展研究，北京理工大學(xué)在軟組織穿刺、顱頜面外科等領(lǐng)域開展研究，復(fù)旦、浙大等也都在醫(yī)用機(jī)器人方面開展了研究。其中有不少獲得了融資，開啟了機(jī)器人的進(jìn)入市場(chǎng)之路。