深度解析醫(yī)療機器人現狀與前景
醫(yī)療機器人這種叫法可能有點誤導,會讓人聯想到獨立操作預編程任務,而無需監(jiān)督的機器。這樣的應用在工業(yè)上很流行,但在處理人體任務時,人的技能也是非常重要的。
一般認為,醫(yī)療機器人應該是醫(yī)療器械,但又不同于醫(yī)療器械。它能夠輔助醫(yī)生,擴展醫(yī)生的能力,智能水平也會不斷增長,同時也要滿足以下三個方面:醫(yī)用性、臨床適應性以及良好的交互性。
醫(yī)療機器人在最近幾十年才開始被使用,但他們的存在感正在急劇加強。
根據波士頓咨詢的預計,現在每年醫(yī)療機器人的營收是40億美元,2020年將達到114億美元。這其中最知名的醫(yī)用機器人公司Intuitive Surgical在2014年的營收就達到了21億美元。而得益于醫(yī)用機器人的快速增長,未來商業(yè)機器人會取代軍用機器人,成為第二大機器人市場,市值達到170億美元。
醫(yī)療行業(yè)對機器人感興趣的原因很多,這可以與制造業(yè)中采用自動化機械的原因作比較。這不是說醫(yī)療機器人解決的問題是一樣的,但所帶來的益處無疑是相似的。機器人為行業(yè)帶來的好處,可能比最專業(yè)和最勤奮的醫(yī)療工作者更多,主要包括速度、準確性、可重復性、可靠性和成本效益。一個機器人不管用得多久,都不會疲勞,它在第一百次使用時的準確性,也與第一次使用時一樣。
就目前來說,醫(yī)療機器人主要分為以下幾類:
外科手術機器人:可用于手術影像導引和微創(chuàng)手術,多數由外科醫(yī)生控制,醫(yī)生掌握輸入設備,機器人按指令在患者身上操作。
康復機器人:用于輔助和治療老年、永久或臨時的殘疾患者以及行動不便的人群,用戶通過視覺反饋和各種輸入設備控制機器人,從而執(zhí)行簡單的任務,例如將食物放在口中,或翻書,或站立和行走等。
醫(yī)用服務機器人:常見形式是在醫(yī)院中運輸類移動機器人,用于取藥或分配藥物,還有消毒和殺菌機器人等,可以解決醫(yī)院工作人員供不應求的問題,分擔一些沉重而繁瑣的工作。
實驗室機器人:用于進行本藥或進行重復性的實驗,比如艾滋病毒檢測,可以節(jié)省時間,為其他目的騰出人力,主要普及原因是能夠以高速,可靠和無疲勞的方式執(zhí)行重復任務。
當然,上面的分類不一定能涵蓋所有醫(yī)療用的機器人,其它還有用于陪伴的情感類機器人,它們可以幫助治療癡呆癥和認知障礙,也能用于康復類型的家庭護理。
據統(tǒng)計,目前手術機器人占比最高,在六成以上。這主要利益于它發(fā)展的較早,實用性和效果最為顯著。不過隨著機器人和人工智能類技術的發(fā)展,康復和服務機器人也在迎頭追趕。下文中會重點介紹手術機器人的歷史。
一項技術的起源往往植根于其前身的優(yōu)勢和劣勢,而對于手術機器人,這位前者就是腹腔鏡手術。
腹腔鏡設備本身無法提供觸覺反饋(力和觸覺),也沒法讓手眼實現自然協(xié)調和靈巧操作。在觀看二維視頻監(jiān)視器的同時移動腹腔鏡儀器,也有些違反直覺。另外,操作時儀器要與顯示器上所瞄準目標相反的方向移動。這些都讓腹腔鏡的優(yōu)點難以發(fā)揮,而為了克服這些限制,也就推動了手術機器人的發(fā)展。
手術機器人的首次使用,是1985年的PUMA 560,它可以精確控制神經外科活檢。三年后的1988年,PUMA 560被用在了前列腺手術中。該系統(tǒng)也促成了PROBOT的出現,它是一個專門為前列腺手術設計的系統(tǒng)。
在PROBOT開發(fā)的同時,Integrated Surgical Supplies也在開發(fā)另一款機器人。1992年ROBODOC誕生,這一機器人可協(xié)助外科醫(yī)生進行了全髖關節(jié)置換手術,它也是第一個獲得FDA批準的手術機器人。
同樣是在20世紀80年代中后期,美國國家航空航天局NASA的Ames研究中心的一組成員在研究虛擬現實技術時,對使用這種技術開發(fā)遠程呈現(telepresence)手術生起了興趣。這種遠程外科手術的概念也成為手術機器人發(fā)展背后的主要動力之一。
在90年代初,Ames團隊的幾位科學家加入了斯坦福研究所SRI。與SRI的其他機器人以及虛擬現實專家合作,這些研究者開發(fā)了一種用于手術的靈巧的遠程手術操作器。他們的主要設計目標之一,是給外科醫(yī)生提供直接在患者身上進行手術的感覺,而不是像在其它房間做手術。
在開發(fā)這些機器人的過程中,一些普通外科醫(yī)生和內鏡醫(yī)師也加入了開發(fā)團隊,并意識到,這些系統(tǒng)在改善常規(guī)腹腔鏡手術的局限性方面具有很大的潛力。
另一方面,美軍也注意到了SRI的工作,并對通過遠程呈現“將外科醫(yī)生帶到受傷士兵身邊”,降低戰(zhàn)時死亡率的可能性很感興趣。在美軍資助下,研究人員設計了一種系統(tǒng),其中受傷的士兵會被放入配備了機器人手術設備的車輛中,然后由附近的移動高級外科醫(yī)院(MASH)的外科醫(yī)生遠程操作手術。
這套系統(tǒng)備受期待,很可能防止士兵在到達醫(yī)院前過度失血,從而減少戰(zhàn)時死亡率。該系統(tǒng)已經在動物模型上取得成功,但還沒經過實際戰(zhàn)場傷員護理測試。
后來,幾位為在美軍開發(fā)手術機器人系統(tǒng)的外科醫(yī)生和工程師,成立了一家商業(yè)公司Computer Motion,開始將機器人技術引入民用手術領域。值得注意的是,這家公司獲得了美軍的種子資金,并開發(fā)出了自動內窺鏡優(yōu)化定位系統(tǒng)(AESOP),這是一種由外科醫(yī)生控制的機器人手臂,用于操縱內窺鏡攝像機。
AESOP上市后不久,Integrated Surgical Systems公司(也就是現在的Intuitive Surgical)獲得了SRI Green Telepresence Surgery手術系統(tǒng)的授權。然后他們對該系統(tǒng)進行了廣泛的重新設計,并最終成為了達芬奇手術系統(tǒng)。2000年,達芬奇機器人獲得FDA批準,成為第一個綜合腹腔鏡手術機器人系統(tǒng)。
達芬奇手術系統(tǒng)主要包括三個部分:手術控制臺、控制系統(tǒng)以及機械臂。醫(yī)生坐在手術控制臺上對電腦做出相應的指令,攝像頭提示人體器官里面的相應情況,醫(yī)生依據這些反饋信息做出手術決策。
在達芬奇誕生后的一年中,Computer Motion的Zeus系統(tǒng)也投入生產。手術機器人系統(tǒng)此后一段時間的發(fā)展,基本由上述兩家公司主導。此后在2003年,Intuitive Surgical收購了Computer Motion,Zeus系統(tǒng)也不再積極銷售。
手術的發(fā)展一樣,其它類型的機器人,如假肢和外骨骼等,也有了巨大的進步。
通用電氣則在上世紀60年代就開發(fā)了第一個外骨骼裝置。它被稱為Hardiman,是一個液壓和電動機身的穿戴設備。由于它太重了,都無法用于軍事用途,F在這一領域也涌現出了了ReWalk等一系列公司。
在機器人外骨骼的幫助下,中風患者可以比傳統(tǒng)的物理治療更快的恢復手臂運動能力。傳感器檢測肌肉力量、運動范圍和腦活動,還能告知治療師患者的進展。這類機器還有助于重新訓練大腦,使健康的區(qū)域能夠補償損傷的區(qū)域。機器人系統(tǒng)還幫助患者重新學習步行和其他運動技能。
配備了微處理器的人工膝關節(jié)在1993年開始進入市場。1998年,Adaptive Prosthesis將微處理器與液壓和氣動控制相結合,讓假肢有了更自然的行走能力,對步行速度變化的應對也更靈敏。同期,首次亮相于1997年的C-Leg,進一步加強了膝蓋彎曲控制。它已經發(fā)展的很精細,可適應每個用戶的不同情況,并能進行像溜冰鞋和騎自行車這樣的運動。
如今機器人假肢還有了附著于肌肉和神經的傳感器,使患者能夠感受到觸覺,甚至是用思維控制運動。仿生手還具備了精細的運動技能,可以完成寫作,打字或彈鋼琴這樣的任務。
醫(yī)療機器人的應用范圍近年來蓬勃發(fā)展。達芬奇機器人早已在醫(yī)院執(zhí)行了成千上萬次手術,甚至已經具備了縫葡萄皮的精確能力。據報道,到2015年,達芬奇手術系統(tǒng)當年就做了不下600000場次的手術。它可用于各種手術,范圍從心臟瓣膜修復到腫瘤切除。
不過仍要注意的是,醫(yī)療機器人,特別是自主的外科手術機器人,仍處于初級階段。比如,柔性控制問題,針對柔性所帶來的精準感控還沒有解決;比如,多信息集成以及可視化和傳感,以及怎樣做到最全面的人機交互等等。甚至在監(jiān)管和準入上也有諸多問題,安全和有效是醫(yī)療器械注冊的必過門檻。
未來的醫(yī)用機器人肯定會讓創(chuàng)傷越來越小,做到簡單、安全、集成,并且適合醫(yī)生操作的習慣。甚至未來會是直接控制,做到主從一體化,更小更方便。
可以說,機器人手術已經完成了消除腹腔鏡手術限制的這一目標。甚至,現代醫(yī)學領域中最新最創(chuàng)新的技術,可以簡單歸結為:機器人。
附:關于醫(yī)療機器人的歷史小細節(jié)
世界上第一臺手術機器人是1983年,在加拿大溫哥華首次開發(fā)和使用的Arthrobot,一種髖關節(jié)置換手術機器人。
手術機器人的首次使用是1985年的PUMA 560。
Intuitive Surgical公司在1995年成立。
2003年12 月,在美國Tampa,一名女子的丈夫在醫(yī)生使用手術機器人意外切斷主血管后死亡,醫(yī)院被起訴。
2006年5月,意大利進行了第一起無人操作的機器人手術。
2008年6月,德國航空航天中心(DLR)開發(fā)出了第一個擁有力反饋的微創(chuàng)手術機器人系統(tǒng)。
2010年9月,盧布爾雅那大學醫(yī)學中心進行了一次股骨脈管系統(tǒng)機器人手術,這次使用的可以說是真正的機器人,因為它沒有復刻人手的動作,而是在按下按鈕后自行操作。
請輸入評論內容...
請輸入評論/評論長度6~500個字
圖片新聞
最新活動更多
-
10 BD新浪潮
- 高級軟件工程師 廣東省/深圳市
- 自動化高級工程師 廣東省/深圳市
- 光器件研發(fā)工程師 福建省/福州市
- 銷售總監(jiān)(光器件) 北京市/海淀區(qū)
- 激光器高級銷售經理 上海市/虹口區(qū)
- 光器件物理工程師 北京市/海淀區(qū)
- 激光研發(fā)工程師 北京市/昌平區(qū)
- 技術專家 廣東省/江門市
- 封裝工程師 北京市/海淀區(qū)
- 結構工程師 廣東省/深圳市