近日，廣東省人工智能與機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式宣告成立。如今，機(jī)器人不僅可以幫助很多工業(yè)企業(yè)大幅提高產(chǎn)能，在醫(yī)療領(lǐng)域也有很多創(chuàng)新應(yīng)用。自美國(guó)產(chǎn)達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人在21世紀(jì)初開(kāi)啟臨床應(yīng)用以來(lái)，手術(shù)機(jī)器人憑借精準(zhǔn)定位、穩(wěn)定控制、操作靈活等優(yōu)勢(shì)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，一臺(tái)進(jìn)口手術(shù)機(jī)器人動(dòng)輒2000多萬(wàn)元的高昂價(jià)格，仍讓很多醫(yī)療機(jī)構(gòu)望而卻步。

近年來(lái)，廣州的科技企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在手術(shù)機(jī)器人核心技術(shù)上不斷取得重大突破，打破國(guó)外壟斷，讓手術(shù)機(jī)器人成本大降。其中，華南理工大學(xué)吳賢銘智能工程學(xué)院王恒教授團(tuán)隊(duì)不久前發(fā)布了全棧自研的手術(shù)機(jī)器人電磁定位系統(tǒng)，精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，堪稱手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的“北斗導(dǎo)航”。

圖片由AI生成

手術(shù)導(dǎo)航三大技術(shù)

光學(xué)怕遮擋 CT有輻射
電磁導(dǎo)航技術(shù)突圍

手術(shù)機(jī)器人如何直達(dá)病灶？王恒介紹，這就好比我們開(kāi)車前往一個(gè)陌生的目的地，需要準(zhǔn)確的地圖和導(dǎo)航。患者在術(shù)前、術(shù)中的醫(yī)學(xué)影像，對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)就是一張三維“地圖”，而要準(zhǔn)確地前往“目的地”，就需要導(dǎo)航技術(shù)為機(jī)器人“引路”。在人體內(nèi)，這些“路”往往是類似腸道、支氣管、血管等狹窄的自然腔道，手術(shù)機(jī)器人從這些腔道前往病灶，并通過(guò)一系列精細(xì)操作完成手術(shù)。這儼然是“螺螄殼里做道場(chǎng)”，因此，精準(zhǔn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)手術(shù)機(jī)器人尤為關(guān)鍵。

●光學(xué)導(dǎo)航、術(shù)中CT

目前，手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)主要為光學(xué)導(dǎo)航、術(shù)中CT、電磁導(dǎo)航等。光學(xué)導(dǎo)航比較適合骨科等開(kāi)放性手術(shù)，但受限于視線遮擋，無(wú)法用于腔內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)。術(shù)中CT適用于腔內(nèi)手術(shù)導(dǎo)航，但存在輻射危害、無(wú)法實(shí)時(shí)三維定位等劣勢(shì)。

●磁導(dǎo)航

運(yùn)用磁導(dǎo)航技術(shù)引導(dǎo)手術(shù)機(jī)器人有諸多優(yōu)勢(shì)，不僅不會(huì)產(chǎn)生輻射，也不會(huì)被遮擋，可對(duì)器械腔內(nèi)精準(zhǔn)定位。此外，操作者還可以利用磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)操控。

“手術(shù)機(jī)器人在進(jìn)入人體的過(guò)程中，除了使用傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，還可以利用磁力，更靈活地引導(dǎo)機(jī)器人末端精密運(yùn)動(dòng)。目前，我們課題組把磁定位和磁驅(qū)動(dòng)這兩者統(tǒng)稱為磁導(dǎo)航。”王恒介紹。

磁導(dǎo)航

電磁定位系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

●經(jīng)皮穿刺手術(shù)

微型磁傳感器可以安放在針頭上，通過(guò)磁導(dǎo)航引導(dǎo)相關(guān)器械精準(zhǔn)地穿刺到腫瘤等病灶，既可以獲取組織進(jìn)行活檢，也可以對(duì)病灶進(jìn)行精準(zhǔn)治療。

●腔內(nèi)微創(chuàng)手術(shù)

包括各種經(jīng)自然腔道內(nèi)鏡手術(shù)（支氣管、膽管和泌尿系統(tǒng)等）和血管介入手術(shù)。在磁定位系統(tǒng)的引導(dǎo)下，醫(yī)生可以更直觀地了解組織和器械之間的空間位姿關(guān)系，進(jìn)而操控柔性器械靈活精準(zhǔn)地通過(guò)復(fù)雜迂曲的腔道，到達(dá)目標(biāo)工作位置并開(kāi)展治療。

帶有微型磁傳感器的導(dǎo)管被置入血管模型內(nèi)，在一旁的電腦屏幕上，探頭的位置和姿態(tài)便清晰地實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

●骨科手術(shù)

在髓內(nèi)釘植入手術(shù)中，因髓內(nèi)釘在植入過(guò)程中不可視，難以判斷末端鎖孔位置。借助磁定位系統(tǒng)，可以輔助瞄準(zhǔn)髓內(nèi)釘鎖孔，精準(zhǔn)完成髓內(nèi)釘鎖定操作。

●手術(shù)訓(xùn)練

電磁導(dǎo)航系統(tǒng)可用于各類醫(yī)療操作的教學(xué)訓(xùn)練和醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的科學(xué)研究。目前，醫(yī)學(xué)生已開(kāi)始使用VR+AR技術(shù)進(jìn)行手術(shù)訓(xùn)練，將微型磁傳感器裝到相應(yīng)的醫(yī)療器械上，通過(guò)磁定位和配準(zhǔn)，可以溝通虛擬和現(xiàn)實(shí)空間，輔助醫(yī)學(xué)生完成沉浸式手術(shù)訓(xùn)練。在具身智能領(lǐng)域，電磁定位技術(shù)也可以精準(zhǔn)記錄人類操作的動(dòng)作數(shù)據(jù)，助力機(jī)器人學(xué)習(xí)技能。

電磁定位系統(tǒng)工作原理

磁場(chǎng)發(fā)射源

王恒介紹，團(tuán)隊(duì)自研的電磁定位系統(tǒng)主要由四部分組成。其中，磁場(chǎng)發(fā)射源能為定位跟蹤提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)分布。該發(fā)射源非常小巧，為20cm×20cm×10cm的長(zhǎng)方體，可靈活放置在手術(shù)室內(nèi)。王恒說(shuō)：“我們自主研發(fā)了主動(dòng)定位技術(shù)，可以把磁場(chǎng)自主投射到目標(biāo)區(qū)域。同時(shí)，我們使用的磁源數(shù)量比較少，可以減少功耗，這方面我們比國(guó)外的產(chǎn)品做得更好。”

磁場(chǎng)發(fā)射源

微型磁傳感器

微型磁傳感器主要安裝在手術(shù)機(jī)器人的末端執(zhí)行器上，主要作用是檢測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?，通過(guò)位姿解算精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人的定位追蹤。

微型磁傳感器探頭

系統(tǒng)控制單元

傳感器單元的數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞到系統(tǒng)控制單元內(nèi)之后，通過(guò)王恒團(tuán)隊(duì)自研的位姿估計(jì)算法，可以實(shí)現(xiàn)高精度、高實(shí)時(shí)的定位追蹤。

系統(tǒng)控制單元可以外接電腦屏幕，醫(yī)生能通過(guò)顯示軟件準(zhǔn)確看到微型磁傳感器所在位置。“我們不僅能看到手術(shù)機(jī)器人所在的位置，還能得知機(jī)器人的姿態(tài)，這對(duì)手術(shù)機(jī)器人操控提供了重要的基礎(chǔ)位姿信息，有利于提升手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平。”

傳感器接口單元及系統(tǒng)控制單元

傳感器單元

微型磁傳感器傳輸電信號(hào)給傳感器單元時(shí)，由于這些電信號(hào)比較微弱，存在“噪聲”，傳感器單元會(huì)將這些信號(hào)進(jìn)行放大，并去除“噪聲”，將微弱磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為定位所需的高質(zhì)量信號(hào)。

本土手術(shù)機(jī)器人功力大增
靈巧手剝葡萄皮不是問(wèn)題

在頂級(jí)醫(yī)療資源富集的廣州，手術(shù)機(jī)器人早已在多家醫(yī)院上崗，幫助醫(yī)生更好地完成手術(shù)。

與傳統(tǒng)微創(chuàng)技術(shù)相比，機(jī)器人手術(shù)具有多方面優(yōu)勢(shì)。在精確性方面，手術(shù)視野放大倍數(shù)可以達(dá)到10倍以上，能為主刀醫(yī)生呈現(xiàn)患者體腔內(nèi)三維立體高清影像，連極細(xì)小的血管也能一目了然。手術(shù)器械還可以模擬人手腕的靈活操作，濾除不必要的顫動(dòng)。在靈活性方面，機(jī)器人能在人手不能觸及的狹小空間精準(zhǔn)操作，突破了人手的局限性。在安全性方面，機(jī)器人有實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)保證了手術(shù)的安全，杜絕誤操作的發(fā)生，同時(shí)避免了主刀醫(yī)生與病人的直接接觸，可減少手術(shù)醫(yī)生的感染風(fēng)險(xiǎn)。

早在2015年，華南地區(qū)首臺(tái)達(dá)芬奇外科手術(shù)機(jī)器人在中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院正式投入使用，標(biāo)志著華南地區(qū)的外科手術(shù)正式跨入“機(jī)器人時(shí)代”。

如今，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)生已可在千里之外利用5G通信+手術(shù)機(jī)器人完成手術(shù)治療。廣東本地生產(chǎn)的手術(shù)機(jī)器人“醫(yī)術(shù)”已大大提高。近日，廣東省科技廳黨組成員、副廳長(zhǎng)楊軍向記者展示了廣東本土生產(chǎn)的精鋒醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人。在工作人員的操作下，機(jī)器人的靈巧手成功將葡萄皮剝了下來(lái)，內(nèi)部晶瑩剔透的果肉完好無(wú)損。

從切除腫瘤到膝關(guān)節(jié)置換
機(jī)器人“軍團(tuán)”加速布局

除了王恒的電磁導(dǎo)航系統(tǒng)攻關(guān)，廣州其他科研機(jī)構(gòu)和科技企業(yè)也正在手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域加速布局。

5月22日，香港中文大學(xué)與廣州巧捷力醫(yī)療科技有限公司于香港聯(lián)合舉辦新聞發(fā)布會(huì)，正式公布使用巧捷力全柔性雙臂內(nèi)鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行全球首個(gè)機(jī)器人輔助經(jīng)尿道膀胱腫瘤整塊切除術(shù)（ERBT），至今已成功為8名患者切除整塊膀胱腫瘤。初步研究數(shù)據(jù)顯示，利用機(jī)器人輔助ERBT，腫瘤切割面非常精準(zhǔn)，比傳統(tǒng)手術(shù)儀器更容易完成腫瘤整塊切除，也可減少膀胱壁穿破，提高手術(shù)的安全性。

近年來(lái)，同樣由華南理工大學(xué)科研人員創(chuàng)辦的廣州艾目易科技有限公司成功研制出AimPosition光學(xué)定位系統(tǒng)和MAGPILOT電磁定位系統(tǒng)。公司已與上海微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人（集團(tuán)）股份有限公司、威高集團(tuán)有限公司等國(guó)內(nèi)手術(shù)機(jī)器人相關(guān)廠商合作，孵化了牙種植手術(shù)機(jī)器人、膝關(guān)節(jié)置換手術(shù)機(jī)器人、交叉韌帶重建手術(shù)機(jī)器人、神經(jīng)外科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)等。目前，公司和華南理工大學(xué)共建手術(shù)機(jī)器人聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，共同組建科研團(tuán)隊(duì)在手術(shù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究方面深化合作，持續(xù)探索更多的前沿領(lǐng)域和應(yīng)用場(chǎng)景，共同推進(jìn)手術(shù)機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究。

深耕智慧醫(yī)療領(lǐng)域
構(gòu)建前沿技術(shù)策源地

談到電磁導(dǎo)航技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，王恒透露，團(tuán)隊(duì)已發(fā)布商用電磁定位系統(tǒng)MagTrack，將于近期成立企業(yè)，促進(jìn)該產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣。“國(guó)外的電磁導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)品一套要20多萬(wàn)元，我們希望國(guó)產(chǎn)化以后價(jià)格降低一半左右。”此外，團(tuán)隊(duì)已和中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、深圳市人工智能與機(jī)器人研究院、清華大學(xué)附屬北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院等國(guó)內(nèi)多家科研院所達(dá)成合作意向，并在多款醫(yī)療機(jī)器人預(yù)研產(chǎn)品上進(jìn)行試用。“我們會(huì)通過(guò)科研合作，拓展電磁定位導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，共同開(kāi)發(fā)下游的創(chuàng)新醫(yī)療器械。”

除了電磁導(dǎo)航技術(shù)，王恒團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)展科研攻關(guān)的項(xiàng)目還有軟磁定位技術(shù)和基于磁性橡膠的柔性機(jī)器人形狀感知技術(shù)等。其中，基于磁性橡膠的柔性機(jī)器人形狀感知系統(tǒng)是一種創(chuàng)新的連續(xù)體機(jī)器人形狀感知解決方案，該技術(shù)可以精確感知各類柔性醫(yī)療機(jī)器人或柔性器械的空間三維形狀，為醫(yī)生提供可視化引導(dǎo)，進(jìn)一步提升微創(chuàng)手術(shù)的精準(zhǔn)度和安全性。

軟磁體及柔性連續(xù)體機(jī)器人

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廣州日?qǐng)?bào)《廣東手術(shù)機(jī)器人功力大增，靈巧手剝葡萄皮》

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