医工融合“捧红”医用机器人

时间:2017-12-21 16:41  来源:未知   作者:  admin   点击:    次  

劈开胸骨,打开胸腔,手术结束后再用钢丝固定,一道20厘米长的“蜈蚣”形伤疤永远“趴”在胸前,传统开胸手术的危险性让人不寒而栗。心脏外科手术能否不开胸?对外科医生来说,以前如同科幻小说般遥不可及,如今却在手术机器人的帮助下成真。

“只需要在病人胸前打3个小孔,再分别将代表机器人的‘左手’‘眼睛’‘右手’的3只手臂通过小孔插入病人胸腔,医生在操控台上操作,系统就会将医生的动作通过遥控精确地传递到机械臂,转化为机械手在病人体内的动作,从而完成手术,患者术后第二天即可下床行走。”中国工程院院士、中国人民解放军心脏外科研究所所长高长青视频分享了机器人完成胸外科手术的过程,其手术精准度和微创性让人惊讶不已。

4月21日,由中国生物医学工程学会和中国医学科学院主办的“2017中国生物医学工程大会暨创新医疗峰会”在京召开,医用机器人大师讲坛的分论场座无虚席。众多医疗界“大咖”在分享医用机器人手术成果的同时,也对其未来前景充满希望。

中国工程院院士、中国医学科学院院长、北京协和医学院校长曹雪涛表示,健康需求驱动医工融合,以生物医学工程作为重要领域的医疗科技在广泛交叉和深度融合中不断创新,特别是以“大数据、移动医疗、云计算、智能机器人、数字影像”等前沿领域为代表的医疗相关产业,正以前所未有的力量驱动社会经济的发展,极大推动医学技术的进步。

医生的“眼”和“手”

“达芬奇”就是高长青操作的手术机器人的名字,销售达芬奇手术机器人系统的美国直觉外科公司在2016年的营收就已超过27亿美元,医用机器人全球市场正高速增长。

据BCG波士顿咨询测算,截至2016年1月,全球医用机器人行业每年营收达到74.7亿美元,预计2020年将达到110多亿美元。医用机器人甚至有望取代军用机器人成为第二大机器人版块。

“医用机器人内涵是机器人,但更是医疗器械。它能够辅助医生工作,扩展医生的能力,具有医用性、临床适应性、良好的交互性。”哈尔滨工业大学机器人研究所副所长杜志江介绍,医用机器人分为外科手术机器人、放疗机器人、康复与助老助残机器人、医院用非治疗类机器人等多个类别。

如今,医用机器人如雨后春笋般涌现,除了最为常见的“达芬奇”,还有赛博刀机器人、天智航脊柱机器人、北理工颌颅面机器人、“天玑”机器人等等。据了解,全球商业化的手术机器人就已经超过30种。

骨科手术机器人是最早开展研究的手术机器人之一。北京积水潭医院院长田伟及其团队就运用我国自主研发的骨科手术机器人,成功完成了世界首例基于术中实时三维影像的机器人辅助脊柱胸腰段骨折的微创内固定手术,为一名椎体骨折患者经皮植入6枚椎弓根螺钉。术后第二天,患者即可下地行走。

田伟称,骨科导航机器人技术将是骨科手术技术的未来。“骨科手术长期存在的瓶颈就是‘眼’和‘手’,骨科导航机器人引发了三维影像获取、动作引导跟踪、测量新技术和实时定位导航等领域的技术革命。”他表示,骨科导航机器人改变了以往的手术方式,是复杂结构手术的关键帮手,提高常规手术质量,促进计算机辅助脊柱外科微创手术技术的安全进步。

高长青也表示,外科导航的机器人手术,外科医生可见实时三维扫描图像,重叠于手术屏幕上,或者说人体组织将成透明化,可避免损伤内部结构,使外科操作更为精准。

谈及医用外科手术机器人的未来,高长青表示,机器人不单是一台机器,还是一个信息系统,可以作为一个平台与其他信息融合。这也意味着,大数据外科时代,未来手术过程可以预先程序化。

“现在,大手术不再是外科高手的标志了。现在的外科高手,要会把复杂手术做成简单手术,把大手术做成小手术。21世纪的外科是无创和微创的外科,病人恢复快、功能好才是金标准。”在高长青看来,外科已经从“切除”时代进入到了“修复”时代。

创新莫忘外科安全

“只有想不到,没有做不到。”在高长青看来,创新是外科的灵魂,而颠覆性技术创新带来的改变是极其巨大的,可造成“技术突袭”,甚至改变“游戏规则”。但只要是创新就存在风险,医用机器人也不例外,其发展还存在很多难点和挑战。

清华大学智能与生物机械实验室主任季林红就以机器人辅助心血管介入手术为例称,该领域就涉及很多相关技术研究,硬件上的智能导管涉及磁场驱动、近端牵引驱动、智能材料驱动、液压驱动等研究;软件上涉及介入手术中导航路径的研究、安全防护技术、实时的碰撞检测等。

但是,季林红指出,目前高昂的硬件开销导致新型导管难以普及,也缺乏针对介入器械行为进行精准预测的理论研究。而在软件上,国内外机器人辅助心脏介入手术的规划和安全防护也尚缺乏全面、系统的理论研究和成熟的实用技术。

“机器人辅助介入手术中对导管/导丝运动状态做出合理约束,以及明确血流对于导管/导丝的影响,进而规划合理安全的引导路径尤为重要。”季林红强调说。

追求完美是外科医生最基本的要素,而安全却是第一要素。中科院深圳先进技术研究院研究员胡颖表示,微创手术机器人在操作安全性方面就面临诸多挑战。比如手术空间和视野狭小,解剖标志点和空间位置关系不明显;会受呼吸、心跳、偶发扰动等动态环境的影响;力觉反馈缺失等。

安全和有效是所有医疗器械注册的门槛,而医用机器人特别是外科手术机器人,仍有很多问题亟待解决。比如针对柔性所带来的精准感控、多信息集成以及可视化和传感、最全面的人机交互等,都需要加大研发力度。

谈及如何确保外科安全,高长青认为,首先要“准备好”,除了理念及技术上的准备,病人的病情也一定要适用该技术,并及时随访和反馈;其次要“高质量”,任何技术都要以无害为先;最后要“以人为本”,团队合作也是重要方面。

医工融合门槛高

随着现代医学与人机交互、医学图像计算、虚拟/增强现实导航、生物医用材料与智能手术器械等技术的不断融合,在医工融合的大势所趋下,外科距离机器人时代为时不远。

“医学正在成为知识流的融合点和创新的爆发点,生物医学工程发展的每一步也都离不开医学与工程技术的紧密结合。”曹雪涛表示,先进医疗设备及医用机器人研发体现了医学与工程学交叉融合于系统集成,机器人和高端医疗器械也被列入“中国制造2025”十大重点领域。

不过,传统上工科和医科是分离的,而医用机器人却需要双方密切协作。杜志江就指出,医用机器人特别是手术机器人是高度知识、技术密集型系统,医工融合门槛很高,目前国内紧缺机器人人才、医疗器械人才、医学人才,尤其是跨界的复合型人才。

他还表示,手术机器人研发周期长达6~10年,投资大、风险大,需要持续性投入,这就需要政府的引导、资本的支持和企业的努力,需要多方努力打通研发、注册、生产、销售的产业链条,并建立“政产学研医资”的长效机制。

目前,国内高端医疗器械大量进口,医用机器人也不例外,我国要培养自己的医用机器人品牌,还需付出艰苦努力。

在英国帝国理工学院哈姆林手术机器人研究中心主任杨广忠看来,中国医用机器人突围需要创新、专注和机制三点。要理论、技术与临床合作研究。要医工多学科交叉,需要10年以上的长期专注。要国家支持、创新文化、合作氛围和公司投资。

“生物医学工程在高新技术应用基础上必须以创新的思路去创建新的方法体系、研制新一代生物医学工程产品,才有可能在医疗科技未来之路上领先前行。”曹雪涛说道。