醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人現(xiàn)狀與展望

胡洋洋 張文強(qiáng)

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人現(xiàn)狀與展望

胡洋洋 張文強(qiáng)

醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人是指用于醫(yī)院、診所的醫(yī)療或輔助醫(yī)療以及健康服務(wù)等方面的機(jī)器人，主要用于患者的救援、醫(yī)療、康復(fù)或健康信息服務(wù)，是一種智能型服務(wù)機(jī)器人。隨著我國(guó)進(jìn)入老齡化，醫(yī)療、護(hù)理和康復(fù)的需求不斷增加，同時(shí)由于人們對(duì)生活品質(zhì)追求的提高，使得醫(yī)療不管在質(zhì)上還是量上都要滿足更高水準(zhǔn)的要求。另一方面，醫(yī)護(hù)人力相對(duì)缺乏，醫(yī)療及健康服務(wù)機(jī)器人具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

根據(jù)功能和用途的不同，本文著重從康復(fù)機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人和健康管理機(jī)器人三個(gè)方面進(jìn)行綜述。

康復(fù)機(jī)器人

康復(fù)機(jī)器人是近年來(lái)興起的一種運(yùn)動(dòng)神經(jīng)康復(fù)治療技術(shù)，屬于醫(yī)療機(jī)器人的一個(gè)重要分支?？祻?fù)機(jī)器人不僅提供了有效的治療手段和完善的評(píng)估方案，而且為深入研究人體運(yùn)動(dòng)康復(fù)規(guī)律，以及大腦與肢體的控制、影響關(guān)系提供了另一種有效途徑。

使用機(jī)器人輔助治療可以提高效率和訓(xùn)練強(qiáng)度，比常規(guī)的治療手段更有潛力。目前，國(guó)際上眾多的研究機(jī)構(gòu)和康復(fù)機(jī)構(gòu)都爭(zhēng)相在神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人方面進(jìn)行開發(fā)和產(chǎn)品化研究。機(jī)器人輔助神經(jīng)康復(fù)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練已經(jīng)成為康復(fù)技術(shù)最主要的發(fā)展趨勢(shì)。

具有代表性的康復(fù)機(jī)器人有華盛頓大學(xué)開發(fā)的7個(gè)自由度的上肢康復(fù)機(jī)器人CADEN-7，可以實(shí)現(xiàn)肩部的伸/屈、旋內(nèi)/外、大臂旋轉(zhuǎn)、肘屈/伸、前臂轉(zhuǎn)動(dòng)、腕關(guān)節(jié)屈/伸、外展/內(nèi)斂等?；趦?nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù)管理，定義日常生活活動(dòng)中上肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，通過工作空間分析、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍，并結(jié)合考慮上肢的生理學(xué)和解剖學(xué)特點(diǎn)，實(shí)施康復(fù)訓(xùn)練方案。

瑞士皇家理工學(xué)院與 Balgrist大學(xué)附屬醫(yī)院合作開發(fā)的6個(gè)自由度上肢康復(fù)機(jī)器人ARMin，能夠?qū)崿F(xiàn)整機(jī)的上下平動(dòng)、肩旋內(nèi)/外、大臂轉(zhuǎn)動(dòng)、肘屈/伸、肩部屈/伸、前臂轉(zhuǎn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)。隨后又與Ljubljana大學(xué)合作研制的ARMinII，增加了腕關(guān)節(jié)屈/伸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了7個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，并且為患者提供重力補(bǔ)償，協(xié)助肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)進(jìn)行復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)是康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用中的一項(xiàng)重要技術(shù)，利用物聯(lián)網(wǎng)搭建的虛擬環(huán)境，部分或全部去掉現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)環(huán)境，利用傳感即運(yùn)動(dòng)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬世界的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為康復(fù)治療提供了重復(fù)練習(xí)、成績(jī)反饋、維持動(dòng)機(jī)三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)手段，設(shè)置合理的虛擬環(huán)境及有效的信息反饋，患者可以對(duì)自身狀況進(jìn)行客觀評(píng)估，從而大大提高了康復(fù)訓(xùn)練的效果。

為了實(shí)現(xiàn)感覺信息的神經(jīng)反饋，康復(fù)機(jī)器人需要實(shí)時(shí)獲取接觸、握力、溫度等感覺信息，然后把這些信息通過適當(dāng)?shù)姆绞椒答伣o患者大腦，將患者的主觀運(yùn)動(dòng)意識(shí)與客觀獲取的感覺信息融合。如何實(shí)現(xiàn)感覺信息的精確神經(jīng)反饋是康復(fù)機(jī)器人進(jìn)一步研究亟需解決的問題。肢體運(yùn)動(dòng)神經(jīng)分布重建是核心技術(shù)之一，將殘留的臂叢神經(jīng)移植到人體肌肉（靶點(diǎn)肌肉）或者吻合到替代神經(jīng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)缺失運(yùn)動(dòng)功能信號(hào)源的重建。

三種手術(shù)技術(shù)特點(diǎn)的比較

比如，對(duì)于肩部截肢者，將殘留臂叢神經(jīng)移植到胸部肌肉，經(jīng)過數(shù)月的生長(zhǎng)，臂叢神經(jīng)便會(huì)在胸部肌肉內(nèi)重建。當(dāng)截肢者通過“意識(shí)”做幻影手臂的某一動(dòng)作時(shí)，運(yùn)動(dòng)指令會(huì)通過臂叢神經(jīng)傳遞至胸部肌肉并引起胸部肌肉收縮。采集胸部肌肉的表面肌電信號(hào)并解碼分析，就可預(yù)測(cè)截肢者的手臂運(yùn)動(dòng)意圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)多自由度假肢的神經(jīng)控制。外骨骼機(jī)器人與穿戴者有著緊密聯(lián)系，機(jī)器人必須準(zhǔn)確、快速地判斷穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖并做出決策。

手術(shù)機(jī)器人

手術(shù)機(jī)器人是一種智能化的手術(shù)平臺(tái)，已廣泛應(yīng)用于臨床多個(gè)學(xué)科，典型的有泌尿外科，比如前列腺切除術(shù)、腎移植、輸尿管成形術(shù)等；婦產(chǎn)科，比如子宮切除術(shù)、輸卵管結(jié)扎術(shù)等；普通外科，比如膽囊切除術(shù)等。最具影響力的是達(dá)芬奇機(jī)器人，具有三維成像、觸覺反饋和寬帶遠(yuǎn)距離控制等功能，被認(rèn)為是手術(shù)機(jī)器人最成功的典范。上表以腹腔鏡手術(shù)為例，對(duì)手術(shù)機(jī)器人與傳統(tǒng)手術(shù)的技術(shù)和功能進(jìn)行了比較。

達(dá)芬奇公司通過其手術(shù)機(jī)器人和3D模擬技術(shù)獲得最新的操作數(shù)據(jù)和反饋信息，通過改進(jìn)和完善，不斷推出最新機(jī)型，讓后來(lái)者很難跟上其研發(fā)腳步。

達(dá)芬奇機(jī)器人功能較多，相應(yīng)的售價(jià)也很貴，國(guó)內(nèi)大概是 2000 多萬(wàn)元人民幣，再加上昂貴的維護(hù)和售后服務(wù)等費(fèi)用，讓國(guó)內(nèi)中小型醫(yī)院和?？漆t(yī)院望而卻步。

未來(lái)的手術(shù)機(jī)器人可以從個(gè)性化功能需求出發(fā)，突出細(xì)分化領(lǐng)域應(yīng)用。按照手術(shù)流程可大到機(jī)體外科手術(shù)、小到簡(jiǎn)單傷口縫合，從功能和技術(shù)差異性角度突破達(dá)芬奇機(jī)器人的壟斷局面，比如手術(shù)定位和導(dǎo)航機(jī)器人，直到更強(qiáng)大的人工智能DIY 醫(yī)用機(jī)器人平臺(tái)和智能化 OR系統(tǒng)。

健康管理機(jī)器人

受益于醫(yī)療應(yīng)用在移動(dòng)智能設(shè)備上的普及，移動(dòng)醫(yī)療類健康管理產(chǎn)品迎來(lái)了一個(gè)重大契機(jī)。基于中西醫(yī)理論的健康管理機(jī)器人受到了格外重視，以中醫(yī)為例，上海中醫(yī)藥大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)聯(lián)合開發(fā)了中醫(yī)人工智能機(jī)器人，不僅將原本依賴于醫(yī)生主觀判斷的中醫(yī)面診、舌診和脈診技術(shù)精準(zhǔn)化，還利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)分析名中醫(yī)積累的經(jīng)驗(yàn)信息，使中醫(yī)寶庫(kù)在高科技時(shí)代更好地傳承。

中醫(yī)智能機(jī)器人專注于中醫(yī)的“望、聞、問、切”，具有鮮明的中國(guó)特色，其主要功能為面診、舌診、問診及脈診。首先通過機(jī)器人的視覺采集人體的面像和舌像，通過機(jī)器手或手環(huán)采集人體的脈搏，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能和深度學(xué)習(xí)算法，智能判讀人體的面像、舌像和脈搏數(shù)據(jù)，再結(jié)合問診信息，最后通過中醫(yī)醫(yī)理模型推斷人體的整體健康體質(zhì)類型，并根據(jù)具體情況提供個(gè)性化的康復(fù)建議，包括保健原則、飲食藥膳、起居養(yǎng)生、穴位按壓、中醫(yī)功法和音樂療法等。

作者單位：復(fù)旦大學(xué)機(jī)器人智能實(shí)驗(yàn)室

稿件來(lái)源：《中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)通訊》編輯部

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