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    AI賦能醫療,手術機器人“智商”可以有多高?
    2022-09-13 13:09
    來源:文匯報
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      在今年的世界人工智能大會上,醫療機器人表現搶眼。上海研發的多臂腔鏡手術機器人斬獲大會最高榮譽SAIL獎,智能咽拭子采集機器人、智能外骨骼機器人、膝關節手術機器人、血管介入機器人等設備的亮相,令人們對未來更精準、高效、安全的智能化醫療產生更多期待與遐想。

      作為“制造業皇冠頂端的明珠”,醫療機器人的設計制造應用需要多學科融合發展的推動。從專業角度來看,今天我們所見的醫療機器人的智能化水平,實際上還有相當大的提升空間。然而,接受完全可替代醫生的機器人,我們真的準備好了嗎?

      醫療機器人是高端智能醫療裝備的代表。經過近40年的發展,它們已成為越來越受醫生歡迎的手術助手。我國醫療機器人的科研與產業在經歷20多年發展后,也呈現出“遍地開花、爭相斗艷”的態勢。在全球后疫情時期,“大健康”產業進入了快速發展期,醫療裝備產業發展既面臨重大機遇,又面臨極大挑戰,醫療機器人也迎來了更寬闊的發展跑道。

      劃時代序幕 手術臺出現機器人

      按照醫療機器人應用的場景不同,醫療機器人一般可分為醫院自動化設備、手術機器人、康復與輔助機器人三大類。其中,手術機器人是醫療機器人領域的核心,其技術要求和門檻都是最高的。

      一般認為,首次將機器人技術與手術場景相結合是在1985年。這一年,美國洛杉磯醫院工業機器人PUMA 560被應用于神經外科顱內活檢,實現了機器人輔助定位下的精準采樣。這一探索性的大膽嘗試,拉開了機器人作為智能手術工具的劃時代序幕。

      1992年,IBM與美國加州大學合作研發的ROBODOC骨科機器人誕生。它可協助外科醫生進行髖關節置換手術,也成為首個獲得FDA(美國食品藥品監管局)批準的手術機器人。

      上世紀90年代中期,歐美等發達國家迎來了手術機器人領域的產品突破期。由美國斯坦福研究所成立的Computer Motion公司開發出的自動內窺鏡優化定位系統(AESOP)實現了手術機器人的商業化。這款機器人可由醫生通過聲音指令控制機器人手臂,操縱內窺鏡攝像機來輔助腹腔鏡手術,從而避免了扶鏡手生理疲勞造成的鏡頭不穩定。

      2000年,在以上前期研究基礎上,美國直覺外科公司根據腹腔鏡手術臨床需求,對AESOP機器人系統進行重新設計,研發出一款通用型的手術機器人系統,即達芬奇機器人,并獲得FDA批準。

      21世紀之前,我國在手術機器人方面的研發尚處于起步階段。從時間軸上看,我國手術機器人的發展較歐美等發達國家滯后十年左右。但是,我國手術機器人的研究在醫工合作下成為后起之秀,也在很多關鍵技術上呈現出另辟蹊徑的特色,并在近十多年間出現了多類產品的突破發展。

      與此同時,國內大量的臨床需求吸引了國外手術機器人公司紛紛將目光投向中國市場。國外產品在進入國內市場的同時,也會進一步與國內臨床醫生的手術范式習慣相融合,并在功能上進行調整。目前,已有一些國外手術機器人公司與國內高校、研究機構、醫院和企業開展合作,聯合建立研發中心,助推新一代手術機器人的升級發展。

      而今,盡管國外手術機器人在全球市場依然占據主導地位,但未來國內科研機構和企業的發展潛力不容小覷。

      微創而精準 “醫生助手”日益智能

      手術機器人經歷了好幾個發展階段,即從最初的工業機器人遷移應用,到通用型手術機器人,后又進一步演化為多種面向不同術式的專用型手術機器人。

      按照手術對象,手術機器人一般可分為硬組織機器人、軟組織機器人等。也可通過更為直觀的分類方法,按照臨床應用領域劃分為骨科機器人、神經外科機器人、腔鏡機器人、經自然腔道機器人、血管介入機器人等。目前,進入臨床應用的手術機器人代表生產商主要集中在歐美,他們在中國的可及手術量均超過100萬例/年。

      主從式是目前手術機器人實施手術的主要操作模式。主從式操作系統由一臺主處理機記錄、控制其他從處理機的狀態,并分配任務給從處理機。達芬奇手術機器人就是這種主從式操作模式。它主要由三個部分組成:外科醫生控制臺、床旁機械臂系統、成像系統。

      通過控制臺,醫生可對床旁機械臂系統實施“一對一”映射性操作。由于醫生可以坐著完成手術,不易疲勞,時間長、高難度的復雜手術會變得更加輕松。這種“手眼同軸”的便利,使得外科醫生能夠更加自然順暢地進行微創手術的精細操作。

      另外,達芬奇機器人還有兩個優勢:一是成像系統可提供清晰放大的3D視野,有效手術視野范圍大,其視覺輔助功能可幫助醫生更好地對病灶處開展手術;二是配套有多種具有七個自由度且可轉腕的手術器械,帶有動作縮放功能,讓醫生在狹窄腔體內的操作更加靈活、精準,并且避免了醫生術中的手部顫抖。

      隨著機器人技術與人工智能的發展,手術機器人的智能化水平被賦予了更多期待。業界學者曾類比自動駕駛技術分級,對手術機器人的自主化水平進行了0至5級的劃分。

      從0級沒有任何自主化,到最高5級機器人可完全取代醫生,手術機器人的發展還有漫漫長路。目前,全球應用最為廣泛的達芬奇手術機器人所代表的還只是0級,美國史賽克公司的MAKO交互式骨科機器人則達到了自主化1級。

      目前,自主化2級手術機器人正受到越來越多科研人員的關注。美國約翰斯·霍普金斯大學和美國國立兒童醫院聯合開發了一種監督式的自主軟組織手術機器人,它可在醫生指出需要縫合的位置自主進行縫合,醫生也可在必要時進行干預。

      需要指出的是,完全自主化的5級目前屬于“科幻級”的設想。由于當前手術機器人的研究都是以“醫生助手”為目標,故而與之相關的倫理、法律、安全性等將是一系列大問題。

      “小而美”出道 顛覆傳統形象認知

      立足當下展望未來,手術機器人的發展趨勢是將術前、術中的影像相融合,以進一步提高手術精準程度,同時結合現實增強可視化技術,通過“穿透視覺”的方法,讓醫生在形狀、位置、觸覺等多傳感信息的反饋融合下,實現精準定位操控,更方便地完成手術。為了實現這一目標,諸如人工智能實時計算、交互力觸覺以及人體復雜柔性環境識別等一系列關鍵技術還有待突破。

      在手術機器人的本體創新上,各類不同形態的手術機器人層出不窮,逐步呈現出輕量化、小型化、專用化等特色,令人耳目一新。

      國內手術機器人公司可在這方面著力突破。手術機器人的靈感源頭往往來自臨床,臨床醫生可以結合多年經驗提出很多好想法。同時,輕量化、小型化設計的手術機器人尤其適合初創公司開發、生產,此類產品的開發更有利于推動醫工結合,以醫生為主體實現成果轉化。

      在專用化的發展趨勢之下,“小而美”的手術機器人可能會給醫生帶來不同以往的使用體驗。傳統手術機器人往往體積龐大,術前準備、術后消毒整理等繁雜流程一定程度上限制了其高效使用。未來的手術機器人將朝著“身材”小巧不占空間、易于處理、“一次完成”的方向“進化”,或將顛覆我們對手術機器人的傳統形象認知。

      隨著智能水平的不斷提升,手術機器人在發展理念上也開始越來越多地關注人機交互問題。這種人機交互既包括物理層面,也包括信息和數據流方面的有效互通,“協作”成為手術機器人乃至整個機器人應用方向上一個時髦的關鍵詞。當然,這也是一個技術難點。值得高興的是,醫生、病患乃至普通公眾對醫療機器人的熱情,也體現了人類對機器智能的信賴程度正在不斷提高。

      科幻級智能 有待社會倫理準備

      隨著醫學技術的發展,臨床上對疾病的診斷越來越早,干預也愈發精準,這對診療手術器械提出了更高要求。

      當前,我們談及的手術機器人操作精度都是毫米級、亞毫米級,今后的機器人顯微手術操作精度會達到微米級。在這種情況下,微型器械的制造將成為一個很大的挑戰。

      微納機器人與醫療結合是一個前沿的研究方向。微納機器人是指機器人的運動及檢測精度可達到微米和納米級別。而且,這種機器人是一個三維結構,需要從納米尺度開展制造。

      起初,微納機器人只是一個較為科幻的概念,距離臨床的真實需求還相當遙遠,其設計主要用于藥物遞送和細胞操作??茖W家們通過化學能、磁能、光能、聲能、熱能等各種供能方式,讓這些人工制造的“機器人”在微納米尺度運動起來。

      在醫療上,我們期待微納機器人能夠開展更早期的顯微干預,并集成傳感和驅動,更好地完成微量或精準的疾病治療。微納機器人等具備精準操作本領的手術機器人將會對精準醫療的發展產生巨大影響。

      屬于高端醫療裝備的醫療機器人,其發展需要匯集各方資源,開展廣泛合作。例如,醫療機器人的研究中包含很多科學問題有待科學家去解決,也需要產學研的協同去完成一些前沿技術的應用。當然,相關政策和資金投入也非常關鍵,需有長期投資的理念和培育的眼光。

      毋庸諱言,醫療機器人在走向產品落地的過程中會遇到各種復雜問題,也存在很多不確定的安全、倫理等風險。過去三十年,醫療機器人融合電子器械、影像等相關技術,不斷推進AI賦能醫療。未來三十年,不斷進階的智能化將是醫療進步的重要推手。 

      介入手術機器人 產業賽道蓄勢待發

      心血管疾病是全球第一大死亡原因,經皮冠狀動脈介入術(PCI)已成為心血管病重要的治療方案。我國介入手術量逐年增長,目前PCI病例數已超過100萬。由于心血管內科專業執業醫師,尤其從事心血管介入治療的醫師數量不足且區域分布不均,臨床上對于介入手術機器人的發展與應用需求迫切。

      介入手術機器人的臨床價值非常明確。首先,通過主從操控,可降低醫生在介入治療中受到的輻射傷害。其次,能夠大幅提升手術的標準化和同質化水平,讓手術不會因醫生個人因素而產生較大偏差。第三,它的出現向遠程冠脈介入手術邁出了第一步。

      在這一領域,目前國外大型醫療設備企業和創業公司已有多款產品蓄勢待發,國內則有近十家企業準備進入該賽道。雖然國內目前尚無血管介入手術機器人產品獲批,但由于硬件相對成熟、前期研究基礎較扎實,預計未來一兩年內,介入手術機器人有望在國內取得上市許可。

      不可否認,介入手術機器人依然有很多問題需要解決,最主要的是人機交互問題。目前介入手術機器人并未使手術的智能化和自動化水平顯著提高。例如,得到極高認可的達芬奇手術機器人已經使手術操作在極小創口下變得極為方便,但依然存在裝機復雜等問題。

      因此,近年來,介入手術機器人的技術演進,主要集中在智能化方面。比如,途靈CorPath GRX系統集成了technIQ智能輔助高級功能,通過記錄醫生經常使用的器械操作手法并讓機器人自動運行,以提高手術的效率和可預測性。同時,CorPath GRX還能以亞毫米級的精度測量病變,從而可量化地提升手術操作精度,智能規劃手術路徑和器械輸送,由此提升治療效率,降低手術風險和并發癥。

      隨著醫療影像分析技術的進步,“虛擬支架”的概念被越來越多地提及。隨著數字化術前評估技術的發展,基于血管形態學和功能學的智能診斷,讓醫生可在術前進行可視化虛擬支架放置和手術規劃,從而更精準地選擇最佳手術方案。而在傳統介入手術中,主要依靠的是醫生的主觀經驗。

      雖然介入手術機器人在國內上市指日可待,但如何確定一個合理的收費模式或商業化路徑,仍需仔細考量。不過,可以明確的是,醫療機器人技術的進步與應用不應該成為下一個創收點,而是要為人類健康帶來更大收益。

      新技術、新發明推動著醫學向專業化、精細化方向發展,醫療機器人也正朝著智能化的方向不斷迭代。未來,醫療機器人的智能演化將從目前的自動化系統逐步發展到一定的自主性系統。這就要求整個系統不僅要有廣泛的領域知識,還需要有豐富的感知、認知功能,能根據任務調整規劃,更好地輔助醫生完成手術。

      延伸閱讀

      醫療機器人三大種類

      醫院自動化設備

      主要針對醫院環境中大量低效重復工作、無塵環境或試劑有毒有害等操作行為開展的自動化、無人化設備,目前這部分智能設備正朝著定制化、精準操控的方向發展。

      手術機器人

      作為醫療機器人的核心,手術機器人是集醫學、生物力學、機械學、計算機科學、微電子學等多學科前沿技術為一體的大型醫療器械,它借助控制臺、成像系統和機械臂,以微創手術的形式,協助醫生實施精準控制并完成復雜的外科手術。按照臨床應用領域,可劃分為骨科機器人、神經外科機器人、腔鏡機器人、血管介入機器人等。

      康復及輔助機器人

      康復機器人是近年發展起來的高端康復醫療技術,被認為是特殊環境下的“可穿戴設備”,具備助殘行走、康復治療、減輕勞動強度等功能。目前,康復機器人主要適用于腦卒中、腦部損傷、脊柱損傷、神經性損傷、肌肉損傷和骨科疾病等造成的上肢或下肢運動功能障礙,幫助患者對大腦運動神經進行重塑,恢復大腦對肢體運動的控制,從而提高患者日常生活能力。

      手術機器人智能化水平分級

      自主化0級

      手術機器人沒有任何自主化,醫生在操作手術機器人的時候需要執行所有手術任務,機器人系統實現了對醫生操作命令的響應,并可遵循指令實現即時的遠程操作。目前,全球應用最為廣泛的達芬奇手術機器人就是這一級別手術機器人的代表。

      自主化1級

      在手術任務操作過程中,由醫生連續控制機器人系統,同時機器人能夠提供一些機器引導或者輔助,如具有虛擬夾具(或主動約束)的手術機器人,St r yker公司的MAKO交互式骨科機器人就屬于這一等級。

      自主化2級

      手術機器人可達到任務自動化。醫生依然操作手術機器人開展手術,當醫生在開展術中某一環節的子任務時,可由機器人自主完成該特定任務。與自主化1級的區別在于,在這一智能化水平級別,操作者是斷續而不是持續控制系統。

      自主化3級

      手術機器人可實現有條件下的自主化。機器人系統可以根據手術目標生成任務策略,無需人類醫務人員的過多干預即可完成任務。但策略的確定仍需由醫生決定是否可行。

      自主化4級

      手術機器人高度自主化,這類機器人在術中類似于住院醫師,在主治醫生的監督指導下進行外科手術。

      自主化5級

      機器人完全自主決策、實施手術、無需醫生監督。要實現這一等級,目前其相關倫理、法律、安全性等問題還都有待解決。迄今為止手術機器人研發還是以輔助醫生開展手術為目的,而非讓機器人替代醫生進行手術。

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