仿人生物医学工程技术:下一项改变世界的技术?

2014-05-21 20:17:36来源: 生命科学研究快报

    导读:比尔•盖茨曾预测,未来每个家庭都将家用机器人,机器人将成为科技市场下一项改变世界的技术。DEKA手臂系统、达芬奇Xi手术系统、神经形态芯片等仿人生物医学工程技术,都为科学界和医学界带来了革新。

    新一代(第四代)达芬奇Xi手术系统已于2014年4月1日被美国食品与药品管理局(FDA)批准投入使用,而首个获批入市的意识控制助残机械臂——DEKA 手臂系统(DEKA Arm System)也已于2014年5月9日近期获美国FDA批准。

1 “星球大战风格”机械臂

    DEKA手臂系统被命名为“Luke”——源于电影“星球大战”中的卢克•天行者(Luke Skywalker)所使用的机械臂。与以往的意识控制助残机械臂不同的是,DEKA 手臂系统可以接收患者残肢处肌肉收缩的电信号,将肌电图(EMG)电极传输信号转换成多达10种的肢体动作,完成使用钥匙和锁、料理食物、吃饭、使用拉链和梳头等动作。美国国防部高级研究项目局(DARPA)曾指出,“为了接近人类手臂的自然状态,这个手臂系统具有与一个成年人相同的大小、重量、形状和握力”。

    该机械臂由DARPA提供资助,DEKA Integrated Solutions公司负责研发。DEKA手臂系统由DEKA公司于1992年创立,其创办人Dean Kamen是自学有成的发明家与工程师。除机械手臂系统外,该公司还研发了iBot疾病人行动机器人轮椅(为强生设计)和Homechoice洗肾机产品(为百特设计)等医疗产品。其中,iBot轮椅可仿人上下楼梯,而Homechoice是腹膜血液透析仪器则十分小巧,可带上飞机或汽车

2 仿人的达芬奇手术系统

    而在DEKA手臂系统获批约一个月前,FDA还批准了第四代达芬奇全自动手术系统。达芬奇全自动手术系统由总部位于美国加利福尼亚州的Intuitive Surgical公司研发,由外科医生通过控制台控制,采用微创方式完成复杂的外科手术。该系统的3D高清影像技术可以主刀医生提供高清晰、全方位立体式手术视野,通过医生控制台操控机器手臂来极大程度地解放外科医生,而仿真手腕手术器械则消除了颤动,减低手术风险,降低失败几率。截至2012年为止,由达芬奇机器人辅助完成的手术超过20万台。

    与之前的达芬奇全自动手术系统相比,达芬奇Xi系统采用了四个微创手术刀的设计,且为影像和器械提供了更为强大的可扩展性。得益于此,该手术系统的应用领域也从前列腺切除手术、心脏瓣膜修复和妇科手术扩展至更为复杂的手术。例如,在手术的过程中同时完成切除以及检查。

3 仿人生物医学工程的发展

    DEKA手臂系统、达芬奇Xi手术系统只是近期仿人生物医学工程发展的两个典型案例,事实上类似的例子已经有很多。以仿人型残疾人假肢为例,就有Otto Bock假肢、TBM假肢、HIT/DLR假肢、i-LIMB假肢、FluidHand假肢等多种功能的假肢已经得到开发。再如,2010年加拿大推广的神经外科手术的机器人具有特别敏感的触觉,可以让医生通过最清晰的视觉来完成大脑的显微手术。

    除了功能上的开发外,仿人生物医学工程中涉及的核心元器件的开发也在飞速发展,芯片企业也正在参与这一领域的研发。例如,英特尔投资公司(Intel Capital)就曾向世界顶尖的欧洲仿人机器人研制企业Aldebaran Robotics投资1 300万美元,后者面向个人服务、医疗护理及自闭症儿童辅助治疗等领域,研制并销售先进的可编程仿人机器人。这些机器人可执行包括面部与语音识别、定位感知功能等功能。

    事实上,神经形态芯片也是典型的案例之一。而得益于神经形态芯片的发展,必然有越来越多、日趋精密的仿人生物工程技术得到开发。在德国,研究人员已经在实验室内掌握了让神经细胞在芯片表面生长的技术,且成功控制神经细胞在芯片上的生长方式,使神经细胞能有目的地处理信息。

4 改变世界的技术?

    对此,微软创始人比尔•盖茨(Bill Gates)曾于2007年就预测,未来每个家庭都将家用机器人,2013年更是表示,机器人将成为科技市场下一项改变世界的技术。

    而在医疗领域,机器人医生这种技术在疾病治疗中的运用,将是未来发展的必然趋势。以前述的达芬奇机器人为例,在机器人使用前,微创医生需要超长的时间才能精密地掌握医疗技术。利用达芬奇机器人的立体成像、微创手术刀和控制台,医生可以在相对较短的时间内完成同类水平的手术——在某种程度上,其操作甚至比专家更为“精准”。

    随着信息技术等的复合应用,将会有越来越多的功能得以实现。例如,随着通信技术的发展,以下情景或许将成为现实:医生只需在任何一处利用通信终端,就可以远程遥控机器人为病人提供治疗服务——目前,在“密歇根中风网络”等案例中,远程遥控机器人的显示屏可以显示医生的动态面孔,而病床上的患者则可以通过远程遥控机器人实现与医生的对话,而医生则可以通过网络指挥机器人,为急诊室里的中风病人诊断病情并提供治疗方案。

    仿人生物医学工程技术,是否会如同互联网一样,成为下一项改变世界的技术?

关键字:技术

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/0521/article_4744.html
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