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医疗机器人:未来第二大机器人发展现状与应用前景

[日期:2017-04-17] 来源:雷锋网  作者: [字体: ]

  医疗机器人这种叫法可能有点误导,会让人联想到独立操作预编程任务,而无需监督的机器。这样的应用在工业上很流行,但在处理人体任务时,人的技能也是非常重要的。

  

医疗机器人:未来第二大机器人发展现状与应用前景

 

  一般认为,医疗机器人应该是医疗器械,但又不同于医疗器械。它能够辅助医生,扩展医生的能力,智能水平也会不断增长,同时也要满足以下三个方面:医用性、临床适应性以及良好的交互性。

  医疗机器人在最近几十年才开始被使用,但他们的存在感正在急剧加强。

  有媒体曾报道,根据波士顿咨询的预计,现在每年医疗机器人的营收是40亿美元,2020年将达到114亿美元。这其中最知名的医用机器人公司Intuitive Surgical在2014年的营收就达到了21亿美元。而得益于医用机器人的快速增长,未来商业机器人会取代军用机器人,成为第二大机器人市场,市值达到170亿美元。

  医疗行业对机器人感兴趣的原因很多,这可以与制造业中采用自动化机械的原因作比较。这不是说医疗机器人解决的问题是一样的,但所带来的益处无疑是相似的。机器人为行业带来的好处,可能比最专业和最勤奋的医疗工作者更多,主要包括速度、准确性、可重复性、可靠性和成本效益。一个机器人不管用得多久,都不会疲劳,它在第一百次使用时的准确性,也与第一次使用时一样。

  就目前来说,医疗机器人主要分为以下几类:

  外科手术机器人:可用于手术影像导引和微创手术,多数由外科医生控制,医生掌握输入设备,机器人按指令在患者身上操作。

  康复机器人:用于辅助和治疗老年、永久或临时的残疾患者以及行动不便的人群,用户通过视觉反馈和各种输入设备控制机器人,从而执行简单的任务,例如将食物放在口中,或翻书,或站立和行走等。

  医用服务机器人:常见形式是在医院中运输类移动机器人,用于取药或分配药物,还有消毒和杀菌机器人等,可以解决医院工作人员供不应求的问题,分担一些沉重而繁琐的工作。

  实验室机器人:用于进行本药或进行重复性的实验,比如艾滋病毒检测,可以节省时间,为其他目的腾出人力,主要普及原因是能够以高速,可靠和无疲劳的方式执行重复任务。

  当然,上面的分类不一定能涵盖所有医疗用的机器人,其它还有用于陪伴的情感类机器人,它们可以帮助治疗痴呆症和认知障碍,也能用于康复类型的家庭护理。

  据统计,目前手术机器人占比最高,在六成以上。这主要利益于它发展的较早,实用性和效果最为显著。不过随着机器人和人工智能类技术的发展,康复和服务机器人也在迎头追赶。下文中雷锋网会重点介绍手术机器人的历史。

  

医疗机器人:未来第二大机器人发展现状与应用前景

 

  一项技术的起源往往植根于其前身的优势和劣势,而对于手术机器这,这位前者就是腹腔镜手术。

  腹腔镜设备本身无法提供触觉反馈(力和触觉),也没法让手眼实现自然协调和灵巧操作。在观看二维视频监视器的同时移动腹腔镜仪器,也有些违反直觉。另外,操作时仪器要与显示器上所瞄准目标相反的方向移动。这些都让腹腔镜的优点难以发挥,而为了克服这些限制,也就推动了手术机器人的发展。

  手术机器人的首次使用,是1985年的PUMA 560,它可以精确控制神经外科活检。三年后的1988年,PUMA 560被用在了前列腺手术中。该系统也促成了PROBOT的出现,它是一个专门为前列腺手术设计的系统。

  在PROBOT开发的同时,Integrated Surgical Supplies也在开发另一款机器人。1992年ROBODOC诞生,这一机器人可协助外科医生进行了全髋关节置换手术,它也是第一个获得FDA批准的手术机器人。

  同样是在20世纪80年代中后期,美国国家航空航天局NASA的Ames研究中心的一组成员在研究虚拟现实技术时,对使用这种技术开发远程呈现(telepresence)手术生起了兴趣。这种远程外科手术的概念也成为手术机器人发展背后的主要动力之一。

  在90年代初,Ames团队的几位科学家加入了斯坦福研究所SRI。与SRI的其他机器人以及虚拟现实专家合作,这些研究者开发了一种用于手术的灵巧的远程手术操作器。他们的主要设计目标之一,是给外科医生提供直接在患者身上进行手术的感觉,而不是像在其它房间做手术。

  在开发这些机器人的过程中,一些普通外科医生和内镜医师也加入了开发团队,并意识到,这些系统在改善常规腹腔镜手术的局限性方面具有很大的潜力。

  另一方面,美军也注意到了SRI的工作,并对通过远程呈现“将外科医生带到受伤士兵身边”,降低战时死亡率的可能性很感兴趣。在美军资助下,研究人员设计了一种系统,其中受伤的士兵会被放入配备了机器人手术设备的车辆中,然后由附近的移动高级外科医院(MASH)的外科医生远程操作手术。

  这套系统备受期待,很可能防止士兵在到达医院前过度失血,从而减少战时死亡率。该系统已经在动物模型上取得成功,但还没经过实际战场伤员护理测试。

  后来,几位为在美军开发手术机器人系统的外科医生和工程师,成立了一家商业公司Computer Motion,开始将机器人技术引入民用手术领域。值得注意的是,这家公司获得了美军的种子资金,并开发出了自动内窥镜优化定位系统(AESOP),这是一种由外科医生控制的机器人手臂,用于操纵内窥镜摄像机。

  AESOP上市后不久,Integrated Surgical Systems公司(也就是现在的Intuitive Surgical)获得了SRI Green Telepresence Surgery手术系统的授权。然后他们对该系统进行了广泛的重新设计,并最终成为了达芬奇手术系统。2000年,达芬奇机器人获得FDA批准,成为第一个综合腹腔镜手术机器人系统。

  达芬奇手术系统主要包括三个部分:手术控制台、控制系统以及机械臂。医生坐在手术控制台上对电脑做出相应的指令,摄像头提示人体器官里面的相应情况,医生依据这些反馈信息做出手术决策。

  在达芬奇诞生后的一年中,Computer Motion的Zeus系统也投入生产。手术机器人系统此后一段时间的发展,基本由上述两家公司主导。此后在2003年,Intuitive Surgical收购了Computer Motion,Zeus系统也不再积极销售。

  

医疗机器人:未来第二大机器人发展现状与应用前景

 

  手术的发展一样,其它类型的机器人,如假肢和外骨骼等,也有了巨大的进步。

  通用电气则在上世纪60年代就开发了第一个外骨骼装置。它被称为Hardiman,是一个液压和电动机身的穿戴设备。由于它太重了,都无法用于军事用途。现在这一领域也涌现出了了ReWalk等一系列公司。

  在机器人外骨骼的帮助下,中风患者可以比传统的物理治疗更快的恢复手臂运动能力。传感器检测肌肉力量、运动范围和脑活动,还能告知治疗师患者的进展。这类机器还有助于重新训练大脑,使健康的区域能够补偿损伤的区域。机器人系统还帮助患者重新学习步行和其他运动技能。

  配备了微处理器的人工膝关节在1993年开始进入市场。1998年,Adaptive Prosthesis将微处理器与液压和气动控制相结合,让假肢有了更自然的行走能力,对步行速度变化的应对也更灵敏。同期,首次亮相于1997年的C-Leg,进一步加强了膝盖弯曲控制。它已经发展的很精细,可适应每个用户的不同情况,并能进行像溜冰鞋和骑自行车这样的运动。

  如今机器人假肢还有了附着于肌肉和神经的传感器,使患者能够感受到触觉,甚至是用思维控制运动。仿生手还具备了精细的运动技能,可以完成写作,打字或弹钢琴这样的任务。

  

医疗机器人:未来第二大机器人发展现状与应用前景

 

  医疗机器人的应用范围近年来蓬勃发展。达芬奇机器人早已在医院执行了成千上万次手术,甚至已经具备了缝葡萄皮的精确能力。据雷锋网报道,到2015年,达芬奇手术系统当年就做了不下600000场次的手术。它可用于各种手术,范围从心脏瓣膜修复到肿瘤切除。

  不过仍要注意的是,医疗机器人,特别是自主的外科手术机器人,仍处于初级阶段。比如,柔性控制问题,针对柔性所带来的精准感控还没有解决;比如,多信息集成以及可视化和传感,以及怎样做到最全面的人机交互等等。甚至在监管和准入上也有诸多问题,安全和有效是医疗器械注册的必过门槛。

  未来的医用机器人肯定会让创伤越来越小,做到简单、安全、集成,并且适合医生操作的习惯。甚至未来会是直接控制,做到主从一体化,更小更方便。

  可以说,机器人手术已经完成了消除腹腔镜手术限制的这一目标。甚至,现代医学领域中最新最创新的技术,可以简单归结为:机器人。

  附:关于医疗机器人的历史小细节

  世界上第一台手术机器人是1983年,在加拿大温哥华首次开发和使用的Arthrobot,一种髋关节置换手术机器人。

  手术机器人的首次使用是1985年的PUMA 560。

  Intuitive Surgical公司在1995年成立。

  2003年12 月,在美国Tampa,一名女子的丈夫在医生使用手术机器人意外切断主血管后死亡,医院被起诉。

  2006年5月,意大利进行了第一起无人操作的机器人手术。

  2008年6月,德国航空航天中心(DLR)开发出了第一个拥有力反馈的微创手术机器人系统。

  2010年9月,卢布尔雅那大学医学中心进行了一次股骨脉管系统机器人手术,这次使用的可以说是真正的机器人,因为它没有复刻人手的动作,而是在按下按钮后自行操作。

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