国内具有代表性的医疗机器人研发团队和成熟产品有哪些?

2016-01-15 20:06:00来源: 健康点
     1月14日讯:提到医疗机器人,很多概念级词汇都来自国外:大白也好,达芬奇也罢,这些机器人代表了国际最先进的理念和产品。手术机器人从1980年代发展至今,国内也有很多团队进行了相关领域的尝试,本文将其研发历程和现状进行一一梳理。

  主要功能模块

  通常,手术机器人主要的功能模块如下图所示。中间模块是最为核心的软件开发部分,包含图像重构、空间配准和定位控制等;而周围的硬件辅助设施如医学图像采集、机器人装置和定位装置需要与临床手术的空间要求完全契合;人机交互与显示则是与医生交互最为密集的部分,需要充分考虑手术需求和术者的使用场景。

  因此,国内率先展开手术机器人研究的团队大多由理工科院校的机械专业专家学者和对应医院的相关科室医生构成,结合放射影像学、计算机图像图形学、机器人学、医学等众多学科,研发出符合临床使用标准和手术需求的产品。

 1997:神经外科,Remebot

  国内最早的手术机器人尝试是从1997年开始的,由解放军海军总医院的神经外科专家田增民医生和北京航空航天大学机器人专家王田苗教授主导。该神经外科机器人采用 PUMA 262 被动式五关节机械臂,1998 年进入国家 863 计划课题。最新一代名为 Remebot(下图),目前已投入临床使用。

  神经外科手术一直存在手术空间小、定位困难等痛点。立体定向仪的发明是为了辅助医生准确定位患者头部病灶,同时充当手术操作平台。医生用四颗螺钉将框架固定在患者头部,通过空间坐标换算出病灶位置,手术器械则装载于框架结构上。

  该技术已被广泛应用于脑肿瘤、脓肿和血肿的手术治疗中,由于手术创伤较开颅手术而言小一些,患者多数愿意接受这种治疗方法。

  神经外科手术机器人 Remebot 是基于立体定向的思路,手术中机器人的计算机软件系统、机械臂和摄像头分别充当“脑”、“手”、“眼”,协作实现两个核心功能:。

  一是将医学影像三维呈现,辅助医生更加清晰全面地观察病灶,完成手术规划;。

  二是按命令轨迹运动将安装在其末端的手术器械准确送达患者头部病灶点;。

  三是按指令轨迹带动手术器械运动完成辅助操作任务。 通过机器人自动定位,无需再使用框架定位,减轻患者痛苦,提高手术精准度。

  目前,Remebot 已成功应用于临床,搭载不同的手术器械可进行活检、抽吸、毁损、移植、放疗等操作,适用于12类近百种神经外科疾病,涵盖脑出血、脑囊肿、帕金森病、癫痫、三叉神经痛等。

  胶囊内镜研究

  胃镜检查的传统方法是镜身从受检者的口腔经咽部进入食管及胃内,易使敏感性较高的咽部受到刺激。胶囊内镜则是通过口服内置摄像与信号传输装置的智能胶囊达到图像收集的目的。该技术最早于1990年代成型于以色列,目前 Given Imaging 公司的 M2A 胶囊内镜已进入临床使用,于 2002 年进入中国。

  国内的胶囊内镜研究也开始较早,OMOM 是重庆金山科技集团在国家“863计划”、国际合作计划等多个国家级科研项目的资助下,经过5年科技攻关研制而成的胶囊内窥镜系统。2004年,团队初完成了胶囊内镜关键技术的开发,拿出了原理样机;经过一系列的动物试验之后,2004年6月实现了第一代产品定型。

  胶囊内镜的工作原理是:患者像服药一样将尺寸为φ13.0mm×27.9的智能胶囊吞下,它即随着胃肠肌肉的运动节奏沿着胃→十二指肠→空肠与回肠→结肠→直肠的方向运行,同时对经过的腔段连续摄像,并以数字信号传输图像给病人体外携带的图像记录仪进行存储记录。这个小机器人的工作时间达6~8小时,吞服8~72小时后就会随粪便排出体外。医生通过影像工作站分析图像记录仪所记录的图像就可以了解病人整个消化道的情况,从而对病情做出诊断。

  胶囊内镜核心模块是远程可控的 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 系统,背后是信息技术服务公司IBM为其提供的基于DB2数据库的IT平台。

    2005:双平面骨科机器人,天智航

  双平面骨科机器人是由北京航空航天大学和北京积水潭医院合作研发的机器人系统, 主要适用于股骨颈空心钉内固定术,骨盆骶髂关节螺钉内固定术等骨科手术,解决传统手术中需要反复X射线透视、定位困难和操作缺乏稳定性等问题。

  在针对骨盆骨折、长骨骨折等复杂部位骨折患者的螺钉固定术中,机器人可以在髓内钉插入长骨髓腔之后, 辅助确定远端螺孔的位置和方向,进而提高手术精度。术中引入 C 臂实时 X 线图像,再结合光电、电磁、机器人等不同的定位系统确定髓内钉远端孔的位置,有效降低术中辐射。

  2015年11月19日,北京天智航医疗科技股份有限公司在全国中小企业股份转让系统(新三板)挂牌。股票名称“天智航”,股票代码834360,成为国内首家在新三板挂牌的医疗机器人企业。

  2014:腔镜机器人,妙手

  “妙手”是类似于达芬奇的主从式腔镜手术机器人,隶属国家 863 计划资助项目,主要研发团队来自天津大学。该系统包含主操作手 (左手和右手)、从操作手 (左手和右手)、图像系统、控制系统、各种手术器械和其他辅助器械,可以在医生控制下完成切割、分离、剥离、缝合、打结等手术操作,科研阶段已成功地对兔子颈部和腿部动脉进行了血管吻合手术。

  该系统于2014年进入临床试验阶段,最早由中南大学湘雅三医院采用新一代“妙手S”机器人,分别为3位患者进行了胃穿孔修补和阑尾切除手术。如下图所示,医生通过操纵杆控制伸入患者体内的机械臂,利用末端多样的手术器械和灵活的腕部转动完成不同动作。

  与达芬奇类似,这类主从式手术机器人对医生而言主要有以下几方面的价值:

  1.手术舒适度提高,医生可以坐姿执行腹腔镜手术,手臂处有充分支撑,且手部抖动也会被适当减弱,避免疲劳;

  2.成像效果好,相较传统的腹腔镜手术需根据视野内物体形变判断距离,机械臂末端的摄像头带来的直视效果更为准确;

  3.机械臂灵活,反馈率高,延迟微弱,可以完成各种复杂的动作,且活动范围所受的限制小于人手。

  根据天津大学机械学院院长王树新的介绍,妙手在三个方面实现了重要突破:

  一是运用了微创手术器械多自由度丝传动解耦设计技术,解决了运动耦合问题,固定、防滑、防松,更有利于精度保持;

  二是实现了从操作手的可重构布局原理与实现技术,使机器人的“胳膊”更轻,更适应手术的需要;

  三是运用系统异体同构控制模型构建技术,解决了立体视觉环境下手-眼-器械运动的一致性。进入人体内部的探视镜头突破了人眼的极限,可以将手术视野放大数倍甚至数十倍。医生只需通过计算机遥控,就能进行需要往常多人才能完成的手术。

  就目前而言,国外医疗机器人产品也在积极拓展中国市场,如妙手的直接竞争对手达芬奇在中国的扩张速度极快,截至2015年11月,大陆和香港地区共引入了 46 台,2015年第三季度手术量实现同比 15% 的增长。

  综合来看,国内的医疗机器人产品普遍进入了高校科研和临床试验向产业化过渡的重要时期。以上四个产品商业化相对较快,已经称得上业内的佼佼者。国内还有一些科研成果正在转化,如哈尔滨工业大学研制的微创外科手术机器人系统、沈阳自动化研究所研制的脊柱外科机器人系统等。

关键字:医疗机器人  医学影像  神经外科  机械

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/article_6306.html
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