作为一种在医疗领域应用的机器人系统，手术机器人的历史可以追溯到上世纪 80 年代，进入 21 世纪后手术机器人在临床上的应用逐渐增多，并且开始在多个领域得到广泛应用。
如今，手术机器人可以提供多视野、实时图像、仿真手腕器械等功能，已经在临床上展现出高精度和微创性等多种优势，医生可以通过操控台远程控制机械臂实现精细操作，减少疲劳并提高手术精准度，缩短手术时间从而降低手术风险。
▲图｜脊髓电极植入机器人动物实验（来源：USTB 官网）
近期，北京科技大学机械工程学院张建华教授团队与北京天坛医院何江弘主任团队联合完成了首例手术机器人辅助脊髓电极植入动物实验，手术效果良好且无不良事件，填补了国内脊髓电极植入机器人技术应用的空白。
“我们通过动物实验证明了这种仿人双臂介入手术机器人能够成功完成脊髓电极植入的手术流程，通过机器人可提高脊髓电极植入手术的效果和安全性。”北京科技大学张建华教授告诉生辉。
张建华博士就读于山东大学，期间曾进入美国威斯康辛大学做访问学者，目前他是北京科技大学机械工程学院教授，兼任十四五国家重点研发计划“智能机器人”专项专家委员会委员、河北省数字健康工程学会副理事长等职务。长期以来，他课题组的研究方向主要围绕医工交叉智能机器人的研发，如手术机器人、康复机器人等。
截至目前，他已经在 Neurocomputing、Measurement、Ocean Engineering、Signal Process、Journal of Mechanics in Medicine and Biology 等期刊上发表研究论文 80 余篇，获得专利 50 余项，曾主持 20 项国家及省级自然科学基金项目，曾获河北省人民政府科技进步一等奖、河北省科学技术发明一等奖、河北省杰出青年科学基金和天津市杰出青年科学基金等。
▲图｜北京科技大学机械工程学院张建华教授（来源：受访者）
开发智能机器人提高脊髓电极植入手术的疗效和安全性
“植物人”患者的大脑神经中枢功能广泛受损并丧失了认知和意识活动，但皮质下中枢可维持自主呼吸、心跳和血压等基本的生理功能。
根据公开资料显示，国内每年因车祸外伤、卒中、心跳骤停等原因导致新增约 30 万例植物人患者，总体存量达 80-90 万例，给患者的家庭以及社会带来了沉重负担。
“我们在开发介入式机器人的研究过程中，通过与北京天坛医院何江弘主任的合作接触到了'植物人促醒’这一临床研究领域，我们希望能够把工科技术用在植物人促醒来帮助到这些患者群体。”问及开展这项研究的初衷，张建华说道。
介入手术是一种微创医疗技术，其在影像引导下利用针眼大小的穿刺将治疗器械或药物递送到病变组织，从而进行物理、机械或化学治疗，目前该技术已被广泛应用于各种手术，如心脏、神经、外周血管介入，门脉高压症血管内介入，肿瘤介入，以及非肿瘤性病变和周围血管病变的血管内介入等。
据介绍，作为国内昏迷和意识障碍治疗领域的开创性专家，何江弘长期围绕神经损伤和修复开展大量临床研究及治疗工作，每年收治各类意识障碍患者数千余例，曾国内首创脊髓电极刺激技术用于植物人促醒（通过背部穿刺把电极植入到患者脊髓中并借助间歇性电刺激对植物人患者进行促醒）。目前，他在 Scopus 数据库的意识障碍领域全球排名第八，亚太地区排名第一。
▲图｜脊髓电极植入手术示意（来源：USTB 官网）
“其实我们早在多年以前就已经联合何江弘主任着手推进这项研究，我们从工科角度、何江弘主任从医学角度，'医工融合’共同推进脊髓电极植入机器人的研究进程，以期造福更多患者，这是初衷，同时也是我们坚持医工融合研究方向的动力。”张建华表示。
“我们跟踪了何主任的大量临床介入手术，发现这项手术的复杂程度超出想象，由于脊柱紧紧贴合脊髓中的神经中枢，在脊椎的腔体硬膜之间加入电极极为危险，稍有不慎可能会造成二次伤害，属于典型的'害、危、盲、难’手术。”他说道。
▲图｜仿人双臂手协同脊髓电极植入机器人系统（来源：USTB 官网）
“针对脊髓电极植入手术面临的临床痛点，我们研发出一种仿人双臂手协同的脊髓电极植入机器人系统，通过多臂系统的术前便捷摆位和术中安全协同控制算法实现电极导管和导丝的大行程高精度协同操作；通过柔性电极导管夹持界面以及驱动前置柔性电极的回转夹持连续推捻操作台，实现电极导管无损夹持和连续推捻递送。”他介绍道。
与此同时，“针对主从操作下手术力感知和反馈问题，我们建立了基于光纤光栅的柔性电极交互力传感技术并开发出仿医生推捻手感的力反馈操作手柄，实现了力度的高灵敏监测。”他补充道。
谈及开发这套机器人系统遇到的挑战，在张建华看来，“与其说遇到的挑战，倒不如说我们想要解决什么问题。我们希望开发的机器人能够让医生觉得好用，能够给患者带来益处，围绕'医生认可，患者受益’这八个字，我们提出了'源于医生且优于医生’的产品开发策略。”
具体而言，“首先，操作源于医生，需要遵循医生开展手术的操作流程，这一点从工科角度来讲就是工艺，即我们要让机器人复现医生手术时的人工操作手法，上手快、易操作，这是我们技术攻关的核心挑战。”他指出。
“基于此，我们从结构上设计出'搓捻一体化’的操作方式，配备精确的力度感知系统，能够实时感知到脊髓电极在硬膜和脊柱之间所受到的阻力大小；通过融合 AI 图像实现术前影像定位与术中导航相结合，能够实时显示出电极植入的位置，提高操作精度。”他介绍说。
对于这种脊髓电极植入机器人系统的主要特征，张建华总结了“仿人、精准、易用、安全”四点。
其一，仿人。“所谓仿人，一方面是机器人有两个机械臂，在机器人构型方面，双臂形式是较为合适的，当然后期也可以根据其他手术术式的需求再增加一个机械臂；另一方面，在操作端也是仿照医生的手术手法，与操作传统介入手术一样，采用'搓捻一体化’的控制方式操控导丝和导管。”他介绍道。
其二，精准。“一方面，操作过程中推送和旋捻的精度较高，目前已经实现的推送的精度能够达到 0.08mm，旋捻的精度达到 1.5°，优于人手操作精度，同时还实现了电极丝的'无损夹持’，避免手术造成二次伤害。”他说道。
其三，易用。“这主要体现在操作交互方面，在手术室外操作避免辐射危险，能够实时感知力反馈，能够实时看到操作画面。还有重要的一点，相较于传统手术医生手持电极丝进行导入，手难免会存在微小的震颤，而借助机器人可以滤除掉这种操作中的震颤。”他指出。
其四，安全。“模块化的快装结构，手术端采用套袋的方式进行消毒处理，手术过程实现无菌化操作。”他说道。
谈到接下来的研究动向，张建华表示，“目前的这套机器人系统仍然需要经验丰富的医生来进行操作，下一步我们想实现半自动乃至全自动的高度智能化机器人操作。具体而言，我们希望让机器人能够习得资深医生的操作手法，使其变成一位'资深医生’，从而减少操作机器人对于医生经验的高依赖性，比如让实习医生也能通过机器人高效安全地完成复杂手术。”
期待与投资方联合加速推进技术落地
与建立在化学、生物等基础学科之上的传统医学有所不同，目前的医学工程已经融合了大数据、物联网、机器人等技术并进入到“智能医学”时代，以机器人技术为例，手术机器人未来有望在医疗领域的更多场景中实现广泛应用，以及更多高级功能，比如自主判断、自动识别病变组织乃至自主实施手术等，是医疗科技发展的重要趋势之一。
张建华团队长期围绕“医工融合”专注于智能机器人的研究与开发，以期让机器人技术更为全面和深入地服务于手术、康复等医疗领域。
据介绍，在手术和康复领域，此前张建华和团队曾开发出多种机器人设备。“植物人苏醒后的护理也是个漫长的过程，多数患者可能意识清醒但难以开口说话，为了解决这个难题，我们基于物联网技术开发了一种小型装置，患者只需轻微动动手指即可下达不同的需求指令，从而让护工、家属、医生等接收到消息。”他说道，“而针对那些苏醒后恢复较差的患者，比如只有眼球能动，我们还曾开发了一种眼动仪，通过眼球注视即可实现指令的下达。”
“除此之外，刚苏醒的植物人患者以及脑卒中患者，手指通常无法正常活动，我们开发出一种'软体手套机器人’可以实现多种手指动作以帮助患者快速康复。”他介绍道，“针对患者的上肢下肢运动，我们也开发了多种'外骨骼机器人’来帮助患者肢体活动，在这个方面，我们未来还计划拓展应用领域，比如针对高位截瘫患者进行脊髓电极植入使其能够站立和行走。”
“在围绕医工融合的手术和康复领域，开发的机器人能够切实让患者用得上才是我们关注的重点。”张建华指出，在他看来，“医工融合的过程中，医生既是需求方也是用户方，对于工科而言，我们需要走上前做医生的一位'小学生’，如此才能更为深刻地了解医生的真实需求；对于医生而言，需要贴下心做临床的'大老师’，按照这个思路开发的机器人才能够更加实用。”他表示。
▲图｜传统手术中医生需要在 X 射线下进行脊髓电极植入（来源：USTB 官网）
“除了在植物人促醒领域，这种脊髓电极植入机器人在慢性疼痛治疗方面也拥有比较大的需求空间。”张建华介绍道。
作为一种重要的临床治疗方法，脊髓电极刺激广泛适用于意识障碍促醒、运动障碍康复以及慢性疼痛治疗等领域。就慢性疼痛而言，国内影响超 3 亿的患者，并且每年还有 1000-2000 万的新增患者。
“脊髓电极植入属于微创手术，能够实现疼痛的阻断，海外一些国家已经将脊髓电极植入阻断疼痛纳入医保项目，相较于国外，现阶段国内采用这种疼痛治疗方式的患者数量占比较少。”他指出。
产业化层面，“我们围绕医工融合研究的最终目标就是成果转化，只有转化后才能让患者受益，为医生减轻负担。以此次开发的这种脊髓电极植入机器人为例，我们目前已经具备了开展临床试验的条件，后续还将会开展一些动物试验，希望能在不久的将来推进到临床阶段。”张建华表示。
“就目前而言，我们是国内首个开发脊髓电极植入机器人的团队。在机器人开发过程中，我们主要专注于产品研发、性能优化提升以及产品迭代等，同时我们也非常期待能够找到合适的投资方开展深入合作，以此来加速机器人开发进程，使其尽快推进临床并造福患者。”张建华总结道。
免责声明：本文旨在传递生命科学和医疗健康产业最新讯息，不代表平台立场，不构成任何投资意见和建议，以官方/公司公告为准。本文也不是治疗方案推荐，如需获得治疗方案指导，请前往正规医院就诊。
联系客服
