天工、夸父、軒轅、逐日、神農(nóng)……4月19日，人類馬拉松運(yùn)動(dòng)員與人形機(jī)器人馬拉松“跑者”首次同時(shí)站在了同一賽道的起跑線上。
其實(shí)，隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的“賽場(chǎng)”早就拓展到社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域。其中，就包括醫(yī)療。
當(dāng)手術(shù)刀被永不顫抖的“鋼鐵之手”所操控，無影燈下開啟一場(chǎng)新的生死對(duì)決；當(dāng)機(jī)械骨骼喚醒沉睡的神經(jīng)，休眠多時(shí)的四肢開始重新感受生命的溫度；當(dāng)冰冷器械擁有了“超視力”，醫(yī)學(xué)影像迎來新的革命……從診斷機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人到康復(fù)機(jī)器人，各種各樣的醫(yī)療機(jī)器人正在讓現(xiàn)代醫(yī)學(xué)跨越血與肉的邊界，在精密計(jì)算后續(xù)寫著生命的傳奇。
作為醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的耕耘者，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員侯增廣多年來帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，不斷為金屬器械賦予智慧與技能，喚醒沉睡的神經(jīng)，譜寫著生命的拯救代碼。
國(guó)際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)丹尼斯·甘伯獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、北京自然科學(xué)獎(jiǎng)……在獎(jiǎng)?wù)聵s譽(yù)背后，是他們對(duì)生命的不懈叩問。
敢為人先
侯增廣出生于中醫(yī)世家。爺爺、父親治病救人的場(chǎng)景，是他童年記憶中最閃亮的畫面。兒時(shí)經(jīng)歷，影響了他的一生，他對(duì)醫(yī)學(xué)始終有著特別的親近，“醫(yī)學(xué)技術(shù)是能促進(jìn)人類福祉的事業(yè)。”
侯增廣自己也沒想到，在自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)W習(xí)工作了20多年后，他竟然以別樣的方式與醫(yī)學(xué)深度結(jié)緣。
2003年，在國(guó)外做訪問教授期間，侯增廣接觸到了同步輻射光源設(shè)施，這是探索生物醫(yī)學(xué)前沿的重大科學(xué)裝置。國(guó)外廣泛開展的自動(dòng)化與醫(yī)學(xué)結(jié)合的科研工作，為侯增廣展現(xiàn)了新的科研路徑。
如今，醫(yī)工交叉已經(jīng)成為科技創(chuàng)新的熱點(diǎn)。20多年前，這還是國(guó)內(nèi)少有人問津的新領(lǐng)域，自動(dòng)化與醫(yī)學(xué)的交叉探索，不僅不時(shí)髦，還意味著許多未知的風(fēng)險(xiǎn)。
35歲的侯增廣面臨著抉擇：沿著老路研究機(jī)器人的智能控制算法，四平八穩(wěn)；闖入新的醫(yī)工交叉領(lǐng)域，摸著石頭過河。
幾經(jīng)思考，侯增廣選擇了后者。
“科研最終還是要為社會(huì)服務(wù)，醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展能夠?yàn)槿祟惖慕】捣?wù)。”這個(gè)選擇，還藏著侯增廣隱隱的“不服氣”：在國(guó)際學(xué)術(shù)交流中，他能明顯感受到中國(guó)在醫(yī)療器械領(lǐng)域的差距，他希望自己的“轉(zhuǎn)型”，能帶來些許改變。
彼時(shí)，中國(guó)老齡化的趨勢(shì)日益明顯，腦卒中、老年癡呆等造成的失能、半失能老人數(shù)量在逐年增加；與之相對(duì)應(yīng)的是剛剛起步的康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)，研發(fā)力量薄弱，康復(fù)產(chǎn)品單一，市場(chǎng)、理念亟須建立與完善，康復(fù)需求激增與傳統(tǒng)醫(yī)療資源不足的矛盾凸顯。
“康復(fù)需要新的技術(shù)手段，醫(yī)生對(duì)康復(fù)技術(shù)和裝備有需求，這種需求要借助工程科技人員來實(shí)現(xiàn)。”侯增廣將轉(zhuǎn)型后的第一個(gè)目標(biāo)瞄向了康復(fù)機(jī)器人，希望通過研發(fā)新型康復(fù)器械，幫助治療師提升腦卒中患者的康復(fù)能力。
卒中患者，多數(shù)會(huì)有不同程度的功能障礙，比如運(yùn)動(dòng)功能障礙、認(rèn)知功能障礙、言語功能障礙等。這些功能障礙的本質(zhì)是神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。侯增廣和團(tuán)隊(duì)要做的，是利用機(jī)器人通過運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的手段來幫助患者實(shí)現(xiàn)功能恢復(fù)。
敢為人先，意味著要披荊斬棘。
進(jìn)入一個(gè)全新的研究領(lǐng)域需要決心，更需要耐心。從軟件算法到硬件系統(tǒng)，康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)反復(fù)試錯(cuò)。經(jīng)過近10年的沉心積累，侯增廣才發(fā)表了康復(fù)機(jī)器人的第一篇國(guó)際期刊論文，“這個(gè)過程還是挺煎熬的。”
事實(shí)證明了侯增廣研究的意義。目前，我國(guó)平均每10秒就有1人初發(fā)或復(fù)發(fā)腦卒中，40歲及以上人群腦卒中現(xiàn)患人數(shù)達(dá)1242萬。
各種各樣的康復(fù)機(jī)器人正在幫助他們。
按需輔助
要想讓康復(fù)機(jī)器人完全替代康復(fù)治療師的雙手，安全性、舒適性、有效性，都需要團(tuán)隊(duì)的一一攻關(guān)。其中，安全性是基礎(chǔ)。
“患者的運(yùn)動(dòng)能力是有限的，機(jī)器在跟患者發(fā)生接觸的時(shí)候，我們要避免造成患者的二次損傷。”侯增廣說。
這句話用更專業(yè)的術(shù)語來表述，那就是要想辦法實(shí)現(xiàn)“人機(jī)運(yùn)動(dòng)的相容”，使機(jī)器的運(yùn)動(dòng)輔助人的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證與人的自然運(yùn)動(dòng)“不打架”。
在這一點(diǎn)上，團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所研究員程龍深有感觸，他聚焦的是手部康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)。手是人最復(fù)雜的器官之一，自由度多，空間尺寸小，無疑為人機(jī)運(yùn)動(dòng)相容的實(shí)現(xiàn)帶來更大的挑戰(zhàn)。
“我們?cè)谠O(shè)計(jì)手的外骨骼的時(shí)候，必須考慮手指的轉(zhuǎn)軸跟康復(fù)機(jī)器人的轉(zhuǎn)軸能不能對(duì)上。”程龍解釋，與大關(guān)節(jié)的康復(fù)相比，這兩者的誤差在手部康復(fù)中要被控制得更為嚴(yán)格。
侯增廣研發(fā)的康復(fù)機(jī)器人，并不是帶領(lǐng)患者一味地“埋頭苦練”，而是想辦法調(diào)動(dòng)患者的主動(dòng)康復(fù)積極性。
“患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練，與被設(shè)備被動(dòng)地帶著訓(xùn)練，康復(fù)效果是有區(qū)別的，這一點(diǎn)在臨床上已經(jīng)有相關(guān)的證據(jù)。”侯增廣說。
團(tuán)隊(duì)打磨時(shí)間最久的下肢康復(fù)機(jī)器人中，創(chuàng)造性地引入了腦電帽——戴上腦電帽，患者就可以通過想象來完成腦控的自主行動(dòng)。
在上肢康復(fù)機(jī)器人中，患者在與虛擬界面的交互中，能被準(zhǔn)確診斷出“此時(shí)此刻”的康復(fù)需求。“通過一些算法的加入，機(jī)器人能實(shí)時(shí)掌握患者的運(yùn)動(dòng)意圖，可以通過傳感器檢測(cè)患者主動(dòng)使了多大的勁兒，再精準(zhǔn)匹配上最小的輔助力。”團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所副研究員王晨說。
每一款康復(fù)機(jī)器人問世的背后，都重復(fù)著團(tuán)隊(duì)成員無數(shù)次的“從頭再來”。不過，在讓人飽受挫折的實(shí)驗(yàn)周期里，也不時(shí)伴隨著勵(lì)志時(shí)刻：在中國(guó)康復(fù)研究中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，一位試用者的積極反饋總能吸引來更多的患者爭(zhēng)相參與實(shí)驗(yàn)，他們對(duì)新技術(shù)的渴求，深深地打動(dòng)了團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員。
“我找回了自己上下臺(tái)階的記憶。”一位臥床半年的高中女生的反饋，讓團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所研究員王衛(wèi)群常常感到安慰。他參與研發(fā)的下肢康復(fù)機(jī)器人，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了多模式的步態(tài)訓(xùn)練，不僅能幫助患者練習(xí)地面行走，還能模擬上下臺(tái)階，極大地豐富了患者的康復(fù)體驗(yàn)。在下肢康復(fù)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，王衛(wèi)群還針對(duì)腦卒中和脊髓損傷患者在不同康復(fù)階段的需求，開發(fā)了全周期康復(fù)機(jī)器人，并獲得了日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)。
實(shí)驗(yàn)中，患者要配合科研工作，長(zhǎng)時(shí)間采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因擔(dān)心影響患者休息，王晨總會(huì)覺得有些愧疚。一次，患者的一句話，讓王晨頓時(shí)卸下了心理包袱：“你們的研究，讓我能直觀地感受到自己的進(jìn)步，我比你們更想看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。”她參與研發(fā)的上肢康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)獲得了醫(yī)療器械注冊(cè)證，將惠及更多患者。
“用科技賦能人民健康，大有可為。”侯增廣說。憑借在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域20多年的技術(shù)積累，侯增廣牽頭申報(bào)的“面向主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人控制理論與方法”，榮獲北京市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
越來越多患者喪失的功能被喚醒，雙手重新感受微風(fēng)的吹拂，雙腳再次踏上堅(jiān)實(shí)的土地。
精準(zhǔn)介入
2023年5月26日，第17屆東方心臟病學(xué)會(huì)議在上海世博中心盛大開幕。
作為心臟病學(xué)領(lǐng)域最新理念和創(chuàng)新技術(shù)的展示盛會(huì)，開幕式上，中國(guó)科學(xué)院院士葛均波遠(yuǎn)程操控位于復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院手術(shù)室的血管介入手術(shù)機(jī)器人，順利完成冠脈造影、導(dǎo)絲輸送、光學(xué)相干斷層影像檢查、球囊擴(kuò)張等手術(shù)操作，和醫(yī)院的手術(shù)室團(tuán)隊(duì)一起成功為一位冠脈回旋支病變患者植入了可吸收支架。
不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，坐在臺(tái)下的侯增廣和團(tuán)隊(duì)成員全神貫注。相比較于淡定的老師，自動(dòng)化所年輕的研究員們?nèi)潭寄笾押埂?span style="display:none">cGV即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
在手術(shù)臺(tái)上大放異彩的血管介入手術(shù)機(jī)器人是團(tuán)隊(duì)的又一研究成果。
“此次遠(yuǎn)程血管介入手術(shù)過程延時(shí)僅為8毫秒，操作中感覺不到任何延時(shí)。”葛均波的一席評(píng)價(jià)讓團(tuán)隊(duì)每個(gè)人的心中都涌起一股欣慰和自豪。
提升患者的福祉，是促使侯增廣“轉(zhuǎn)型”的動(dòng)力，也是他后續(xù)科研項(xiàng)目源源不斷的靈感來源。血管介入手術(shù)機(jī)器人也不例外。
當(dāng)人的冠狀動(dòng)脈狹窄時(shí)，血流就無法順暢通過冠狀動(dòng)脈到達(dá)遠(yuǎn)端，導(dǎo)致遠(yuǎn)端心肌細(xì)胞死亡，從而引發(fā)心源性猝死或心臟驟停等情況。血管微創(chuàng)介入手術(shù)是近二三十年間發(fā)展起來的治療這一疾病的新術(shù)式，也就是通過X光影像導(dǎo)航，將器械通過血管腔道遞送至心臟冠狀動(dòng)脈的狹窄部位，通過球囊和支架擴(kuò)張使血流恢復(fù)暢通。
由于手術(shù)器械非常細(xì)小，猶如針一樣放置在圍繞心肌的冠狀血管中，因此該術(shù)式也被形象地稱為“扎心”手術(shù)。
創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，血管微創(chuàng)介入手術(shù)很快成為眾多患者的首選。但醫(yī)生們卻面臨不少挑戰(zhàn)。由于手術(shù)需要在X射線的引導(dǎo)下進(jìn)行，為了防輻射，醫(yī)生要武裝上20多斤的鉛衣。動(dòng)輒數(shù)小時(shí)的手術(shù)中，這么重的負(fù)擔(dān)給醫(yī)生帶來的挑戰(zhàn)可想而知。但是，即便是如此重的鉛衣，也不能擋住所有的輻射。
受此困擾的臨床醫(yī)生找到侯增廣團(tuán)隊(duì)，接到請(qǐng)求，團(tuán)隊(duì)想到的唯有“義不容辭”。
傳統(tǒng)手術(shù)室里，通常是幾位醫(yī)生共同配合完成一例血管介入手術(shù)。這也意味著，醫(yī)療機(jī)器人要集成多只“手術(shù)之手”，還要從容不迫地根據(jù)實(shí)際情況來切換，背后的工作量可想而知。“我們需要模擬人的肘部動(dòng)作來設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)，同時(shí)加以智能控制，來實(shí)現(xiàn)我們想要的功能。”團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所研究員周小虎說。
血管介入手術(shù)機(jī)器人上崗后，不僅降低了醫(yī)生的工作強(qiáng)度，還增加了醫(yī)生操控的精度。“比如說，在到達(dá)病變處時(shí)，如果需要控制支架或者是球囊往前行進(jìn)1毫米，醫(yī)生手部的動(dòng)作是很難達(dá)到如此高的精度，而通過機(jī)器人，就能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。”周小虎不無驕傲地說，目前，機(jī)器人最高精度可以達(dá)到0.26毫米。
東方心臟病學(xué)大會(huì)上遠(yuǎn)程手術(shù)的成功，賦予了血管介入手術(shù)機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)景。
“我們可以把機(jī)器人放到偏遠(yuǎn)地區(qū)的手術(shù)室里，大城市的專家足不出戶，在原來熟悉的醫(yī)院、熟悉的手術(shù)室，通過控制臺(tái)，遠(yuǎn)端控制機(jī)器人就能完成手術(shù)，優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源就這樣下沉到基層。”周小虎說。
在科研人員的“調(diào)教”下，血管介入手術(shù)機(jī)器人變得越來越智能：團(tuán)隊(duì)利用安裝在醫(yī)生手上的傳感器采集手術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)，將提取出的操作技巧遷移到機(jī)器人身上，進(jìn)一步精進(jìn)機(jī)器人的手術(shù)技能。
“經(jīng)過十幾年的努力，我們的手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)從第一代進(jìn)化到第六代，從開始跟跑國(guó)外團(tuán)隊(duì)，到后來的并跑再到現(xiàn)在的領(lǐng)跑，我們可以自豪地說，中國(guó)團(tuán)隊(duì)在血管介入手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域，已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。”周小虎說，針對(duì)腦血管相關(guān)手術(shù)操作的第七代、第八代產(chǎn)品正在完善中。
無影燈下，鋼鐵之手在方寸之間大顯身手。
聲觸未來
坐在桌前，頸部靠近機(jī)械臂伸出的探頭，三五分鐘后，機(jī)器人就能完成掃查，半個(gè)小時(shí)后，患者即可獲取自己頸動(dòng)脈健康數(shù)據(jù)。
2019年，國(guó)外留學(xué)歸來的王雙翌加入侯增廣團(tuán)隊(duì)，拓展了超聲機(jī)器人這一新的方向，為醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展拓寬賽道。
超聲掃查的典型案例就是人們最為熟悉的B超。作為一種無創(chuàng)、無輻射、低成本的醫(yī)學(xué)成像方式，它卻有個(gè)短板——影像質(zhì)量的高低很大程度依賴于操作人員的個(gè)體經(jīng)驗(yàn)。
在標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施維度，機(jī)器人顯然有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
在大量學(xué)習(xí)了醫(yī)生的操作手法、吸納了醫(yī)生前輩的掃查經(jīng)驗(yàn)后，超聲機(jī)器人具備了基本的上崗能力。在此基礎(chǔ)上，王雙翌和團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人裝上了能做出醫(yī)學(xué)判斷的“智能大腦”。
“我們將人工智能影像分析、現(xiàn)場(chǎng)操作人員的動(dòng)作、機(jī)器人的自主決策等深入地融合在一起，實(shí)現(xiàn)了基于影像、位置、力覺信息等多模態(tài)信息的融合和決策。也就是說，機(jī)器人能根據(jù)自己當(dāng)前的狀態(tài)，自己判斷下一步該做什么動(dòng)作。”王雙翌舉例，比如機(jī)器人在掃查過程中，會(huì)根據(jù)頸動(dòng)脈的成像情況，自主判斷探頭需不需要轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度、操作人員什么情況下該增加力道等。
智能的機(jī)器人，極大降低了超聲掃查人員的專業(yè)門檻，社區(qū)護(hù)工、養(yǎng)老院護(hù)士都能輕松完成這一任務(wù)。
“頸動(dòng)脈掃查能很好地服務(wù)于我國(guó)腦卒中百萬減殘工程，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、快速篩查。”在項(xiàng)目研發(fā)過程中，“讓技術(shù)真正服務(wù)于民生”是王雙翌最深的感慨。“對(duì)于基層來說，一個(gè)成熟的商用機(jī)械臂遠(yuǎn)不是最佳解決方案，我們還要考慮成本、考慮篩查的環(huán)境等。”經(jīng)過與基層醫(yī)療人員的深入溝通，才有了便攜式、輕量級(jí)超聲機(jī)器人的獨(dú)特設(shè)計(jì)。“我們希望，通過努力讓所有的早期篩查變得更普惠，讓人們?cè)诩议T口就能享受到篩查服務(wù)，讓‘防大于治’真正落地。”
團(tuán)隊(duì)的研究成果中，既有接地氣的應(yīng)用，也有高精尖的前沿探索。
2022年7月2日，解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心會(huì)議室內(nèi)，超聲專家遠(yuǎn)程遙控位于解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心的超聲機(jī)器人；在超聲機(jī)器人的精準(zhǔn)定位和指引下，解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)生將導(dǎo)絲順利通過患者心臟的卵圓孔，圓滿完成卵圓孔未閉封堵手術(shù)。
這是國(guó)際上首次應(yīng)用遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人完成卵圓孔未閉封堵術(shù)，手術(shù)過程僅28分鐘，全程零射線、零造影劑，避免了X射線對(duì)患者身體產(chǎn)生傷害。
在王雙翌看來，遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人搭建起了基層醫(yī)生與專家的溝通橋梁，基層的患者也能遠(yuǎn)程享受到高質(zhì)量的專家醫(yī)療服務(wù)。
“醫(yī)療機(jī)器人的完善沒有終點(diǎn)，醫(yī)生不斷給我們提出新的意見和需求，科研創(chuàng)新的腳步必須跟得上。”侯增廣說。
在侯增廣的團(tuán)隊(duì)里，“面向人民生命健康”不是一句口號(hào)，而是使命，更是擔(dān)當(dāng)。
天工、夸父、軒轅、逐日、神農(nóng)……4月19日，人類馬拉松運(yùn)動(dòng)員與人形機(jī)器人馬拉松“跑者”首次同時(shí)站在了同一賽道的起跑線上。
其實(shí)，隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人的“賽場(chǎng)”早就拓展到社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域。其中，就包括醫(yī)療。
當(dāng)手術(shù)刀被永不顫抖的“鋼鐵之手”所操控，無影燈下開啟一場(chǎng)新的生死對(duì)決；當(dāng)機(jī)械骨骼喚醒沉睡的神經(jīng)，休眠多時(shí)的四肢開始重新感受生命的溫度；當(dāng)冰冷器械擁有了“超視力”，醫(yī)學(xué)影像迎來新的革命……從診斷機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人到康復(fù)機(jī)器人，各種各樣的醫(yī)療機(jī)器人正在讓現(xiàn)代醫(yī)學(xué)跨越血與肉的邊界，在精密計(jì)算后續(xù)寫著生命的傳奇。
作為醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的耕耘者，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所研究員侯增廣多年來帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，不斷為金屬器械賦予智慧與技能，喚醒沉睡的神經(jīng)，譜寫著生命的拯救代碼。
國(guó)際神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)會(huì)丹尼斯·甘伯獎(jiǎng)、國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、北京自然科學(xué)獎(jiǎng)……在獎(jiǎng)?wù)聵s譽(yù)背后，是他們對(duì)生命的不懈叩問。
敢為人先
侯增廣出生于中醫(yī)世家。爺爺、父親治病救人的場(chǎng)景，是他童年記憶中最閃亮的畫面。兒時(shí)經(jīng)歷，影響了他的一生，他對(duì)醫(yī)學(xué)始終有著特別的親近，“醫(yī)學(xué)技術(shù)是能促進(jìn)人類福祉的事業(yè)。”
侯增廣自己也沒想到，在自動(dòng)化領(lǐng)域?qū)W習(xí)工作了20多年后，他竟然以別樣的方式與醫(yī)學(xué)深度結(jié)緣。
2003年，在國(guó)外做訪問教授期間，侯增廣接觸到了同步輻射光源設(shè)施，這是探索生物醫(yī)學(xué)前沿的重大科學(xué)裝置。國(guó)外廣泛開展的自動(dòng)化與醫(yī)學(xué)結(jié)合的科研工作，為侯增廣展現(xiàn)了新的科研路徑。
如今，醫(yī)工交叉已經(jīng)成為科技創(chuàng)新的熱點(diǎn)。20多年前，這還是國(guó)內(nèi)少有人問津的新領(lǐng)域，自動(dòng)化與醫(yī)學(xué)的交叉探索，不僅不時(shí)髦，還意味著許多未知的風(fēng)險(xiǎn)。
35歲的侯增廣面臨著抉擇：沿著老路研究機(jī)器人的智能控制算法，四平八穩(wěn)；闖入新的醫(yī)工交叉領(lǐng)域，摸著石頭過河。
幾經(jīng)思考，侯增廣選擇了后者。
“科研最終還是要為社會(huì)服務(wù)，醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展能夠?yàn)槿祟惖慕】捣?wù)。”這個(gè)選擇，還藏著侯增廣隱隱的“不服氣”：在國(guó)際學(xué)術(shù)交流中，他能明顯感受到中國(guó)在醫(yī)療器械領(lǐng)域的差距，他希望自己的“轉(zhuǎn)型”，能帶來些許改變。
彼時(shí)，中國(guó)老齡化的趨勢(shì)日益明顯，腦卒中、老年癡呆等造成的失能、半失能老人數(shù)量在逐年增加；與之相對(duì)應(yīng)的是剛剛起步的康復(fù)醫(yī)學(xué)事業(yè)，研發(fā)力量薄弱，康復(fù)產(chǎn)品單一，市場(chǎng)、理念亟須建立與完善，康復(fù)需求激增與傳統(tǒng)醫(yī)療資源不足的矛盾凸顯。
“康復(fù)需要新的技術(shù)手段，醫(yī)生對(duì)康復(fù)技術(shù)和裝備有需求，這種需求要借助工程科技人員來實(shí)現(xiàn)。”侯增廣將轉(zhuǎn)型后的第一個(gè)目標(biāo)瞄向了康復(fù)機(jī)器人，希望通過研發(fā)新型康復(fù)器械，幫助治療師提升腦卒中患者的康復(fù)能力。
卒中患者，多數(shù)會(huì)有不同程度的功能障礙，比如運(yùn)動(dòng)功能障礙、認(rèn)知功能障礙、言語功能障礙等。這些功能障礙的本質(zhì)是神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。侯增廣和團(tuán)隊(duì)要做的，是利用機(jī)器人通過運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的手段來幫助患者實(shí)現(xiàn)功能恢復(fù)。
敢為人先，意味著要披荊斬棘。
進(jìn)入一個(gè)全新的研究領(lǐng)域需要決心，更需要耐心。從軟件算法到硬件系統(tǒng)，康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)反復(fù)試錯(cuò)。經(jīng)過近10年的沉心積累，侯增廣才發(fā)表了康復(fù)機(jī)器人的第一篇國(guó)際期刊論文，“這個(gè)過程還是挺煎熬的。”
事實(shí)證明了侯增廣研究的意義。目前，我國(guó)平均每10秒就有1人初發(fā)或復(fù)發(fā)腦卒中，40歲及以上人群腦卒中現(xiàn)患人數(shù)達(dá)1242萬。
各種各樣的康復(fù)機(jī)器人正在幫助他們。
按需輔助
要想讓康復(fù)機(jī)器人完全替代康復(fù)治療師的雙手，安全性、舒適性、有效性，都需要團(tuán)隊(duì)的一一攻關(guān)。其中，安全性是基礎(chǔ)。
“患者的運(yùn)動(dòng)能力是有限的，機(jī)器在跟患者發(fā)生接觸的時(shí)候，我們要避免造成患者的二次損傷。”侯增廣說。
這句話用更專業(yè)的術(shù)語來表述，那就是要想辦法實(shí)現(xiàn)“人機(jī)運(yùn)動(dòng)的相容”，使機(jī)器的運(yùn)動(dòng)輔助人的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保證與人的自然運(yùn)動(dòng)“不打架”。
在這一點(diǎn)上，團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所研究員程龍深有感觸，他聚焦的是手部康復(fù)機(jī)器人的研發(fā)。手是人最復(fù)雜的器官之一，自由度多，空間尺寸小，無疑為人機(jī)運(yùn)動(dòng)相容的實(shí)現(xiàn)帶來更大的挑戰(zhàn)。
“我們?cè)谠O(shè)計(jì)手的外骨骼的時(shí)候，必須考慮手指的轉(zhuǎn)軸跟康復(fù)機(jī)器人的轉(zhuǎn)軸能不能對(duì)上。”程龍解釋，與大關(guān)節(jié)的康復(fù)相比，這兩者的誤差在手部康復(fù)中要被控制得更為嚴(yán)格。
侯增廣研發(fā)的康復(fù)機(jī)器人，并不是帶領(lǐng)患者一味地“埋頭苦練”，而是想辦法調(diào)動(dòng)患者的主動(dòng)康復(fù)積極性。
“患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練，與被設(shè)備被動(dòng)地帶著訓(xùn)練，康復(fù)效果是有區(qū)別的，這一點(diǎn)在臨床上已經(jīng)有相關(guān)的證據(jù)。”侯增廣說。
團(tuán)隊(duì)打磨時(shí)間最久的下肢康復(fù)機(jī)器人中，創(chuàng)造性地引入了腦電帽——戴上腦電帽，患者就可以通過想象來完成腦控的自主行動(dòng)。
在上肢康復(fù)機(jī)器人中，患者在與虛擬界面的交互中，能被準(zhǔn)確診斷出“此時(shí)此刻”的康復(fù)需求。“通過一些算法的加入，機(jī)器人能實(shí)時(shí)掌握患者的運(yùn)動(dòng)意圖，可以通過傳感器檢測(cè)患者主動(dòng)使了多大的勁兒，再精準(zhǔn)匹配上最小的輔助力。”團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所副研究員王晨說。
每一款康復(fù)機(jī)器人問世的背后，都重復(fù)著團(tuán)隊(duì)成員無數(shù)次的“從頭再來”。不過，在讓人飽受挫折的實(shí)驗(yàn)周期里，也不時(shí)伴隨著勵(lì)志時(shí)刻：在中國(guó)康復(fù)研究中心進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，一位試用者的積極反饋總能吸引來更多的患者爭(zhēng)相參與實(shí)驗(yàn)，他們對(duì)新技術(shù)的渴求，深深地打動(dòng)了團(tuán)隊(duì)每個(gè)成員。
“我找回了自己上下臺(tái)階的記憶。”一位臥床半年的高中女生的反饋，讓團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所研究員王衛(wèi)群常常感到安慰。他參與研發(fā)的下肢康復(fù)機(jī)器人，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了多模式的步態(tài)訓(xùn)練，不僅能幫助患者練習(xí)地面行走，還能模擬上下臺(tái)階，極大地豐富了患者的康復(fù)體驗(yàn)。在下肢康復(fù)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，王衛(wèi)群還針對(duì)腦卒中和脊髓損傷患者在不同康復(fù)階段的需求，開發(fā)了全周期康復(fù)機(jī)器人，并獲得了日內(nèi)瓦國(guó)際發(fā)明展金獎(jiǎng)。
實(shí)驗(yàn)中，患者要配合科研工作，長(zhǎng)時(shí)間采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因擔(dān)心影響患者休息，王晨總會(huì)覺得有些愧疚。一次，患者的一句話，讓王晨頓時(shí)卸下了心理包袱：“你們的研究，讓我能直觀地感受到自己的進(jìn)步，我比你們更想看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。”她參與研發(fā)的上肢康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)獲得了醫(yī)療器械注冊(cè)證，將惠及更多患者。
“用科技賦能人民健康，大有可為。”侯增廣說。憑借在康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域20多年的技術(shù)積累，侯增廣牽頭申報(bào)的“面向主被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人控制理論與方法”，榮獲北京市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
越來越多患者喪失的功能被喚醒，雙手重新感受微風(fēng)的吹拂，雙腳再次踏上堅(jiān)實(shí)的土地。
精準(zhǔn)介入
2023年5月26日，第17屆東方心臟病學(xué)會(huì)議在上海世博中心盛大開幕。
作為心臟病學(xué)領(lǐng)域最新理念和創(chuàng)新技術(shù)的展示盛會(huì)，開幕式上，中國(guó)科學(xué)院院士葛均波遠(yuǎn)程操控位于復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院手術(shù)室的血管介入手術(shù)機(jī)器人，順利完成冠脈造影、導(dǎo)絲輸送、光學(xué)相干斷層影像檢查、球囊擴(kuò)張等手術(shù)操作，和醫(yī)院的手術(shù)室團(tuán)隊(duì)一起成功為一位冠脈回旋支病變患者植入了可吸收支架。
不到一個(gè)小時(shí)的時(shí)間里，坐在臺(tái)下的侯增廣和團(tuán)隊(duì)成員全神貫注。相比較于淡定的老師，自動(dòng)化所年輕的研究員們?nèi)潭寄笾押埂?span style="display:none">cGV即熱新聞——關(guān)注每天科技社會(huì)生活新變化gihot.com
在手術(shù)臺(tái)上大放異彩的血管介入手術(shù)機(jī)器人是團(tuán)隊(duì)的又一研究成果。
“此次遠(yuǎn)程血管介入手術(shù)過程延時(shí)僅為8毫秒，操作中感覺不到任何延時(shí)。”葛均波的一席評(píng)價(jià)讓團(tuán)隊(duì)每個(gè)人的心中都涌起一股欣慰和自豪。
提升患者的福祉，是促使侯增廣“轉(zhuǎn)型”的動(dòng)力，也是他后續(xù)科研項(xiàng)目源源不斷的靈感來源。血管介入手術(shù)機(jī)器人也不例外。
當(dāng)人的冠狀動(dòng)脈狹窄時(shí)，血流就無法順暢通過冠狀動(dòng)脈到達(dá)遠(yuǎn)端，導(dǎo)致遠(yuǎn)端心肌細(xì)胞死亡，從而引發(fā)心源性猝死或心臟驟停等情況。血管微創(chuàng)介入手術(shù)是近二三十年間發(fā)展起來的治療這一疾病的新術(shù)式，也就是通過X光影像導(dǎo)航，將器械通過血管腔道遞送至心臟冠狀動(dòng)脈的狹窄部位，通過球囊和支架擴(kuò)張使血流恢復(fù)暢通。
由于手術(shù)器械非常細(xì)小，猶如針一樣放置在圍繞心肌的冠狀血管中，因此該術(shù)式也被形象地稱為“扎心”手術(shù)。
創(chuàng)傷小、恢復(fù)快，血管微創(chuàng)介入手術(shù)很快成為眾多患者的首選。但醫(yī)生們卻面臨不少挑戰(zhàn)。由于手術(shù)需要在X射線的引導(dǎo)下進(jìn)行，為了防輻射，醫(yī)生要武裝上20多斤的鉛衣。動(dòng)輒數(shù)小時(shí)的手術(shù)中，這么重的負(fù)擔(dān)給醫(yī)生帶來的挑戰(zhàn)可想而知。但是，即便是如此重的鉛衣，也不能擋住所有的輻射。
受此困擾的臨床醫(yī)生找到侯增廣團(tuán)隊(duì)，接到請(qǐng)求，團(tuán)隊(duì)想到的唯有“義不容辭”。
傳統(tǒng)手術(shù)室里，通常是幾位醫(yī)生共同配合完成一例血管介入手術(shù)。這也意味著，醫(yī)療機(jī)器人要集成多只“手術(shù)之手”，還要從容不迫地根據(jù)實(shí)際情況來切換，背后的工作量可想而知。“我們需要模擬人的肘部動(dòng)作來設(shè)計(jì)機(jī)械機(jī)構(gòu)，同時(shí)加以智能控制，來實(shí)現(xiàn)我們想要的功能。”團(tuán)隊(duì)成員、自動(dòng)化所研究員周小虎說。
血管介入手術(shù)機(jī)器人上崗后，不僅降低了醫(yī)生的工作強(qiáng)度，還增加了醫(yī)生操控的精度。“比如說，在到達(dá)病變處時(shí)，如果需要控制支架或者是球囊往前行進(jìn)1毫米，醫(yī)生手部的動(dòng)作是很難達(dá)到如此高的精度，而通過機(jī)器人，就能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。”周小虎不無驕傲地說，目前，機(jī)器人最高精度可以達(dá)到0.26毫米。
東方心臟病學(xué)大會(huì)上遠(yuǎn)程手術(shù)的成功，賦予了血管介入手術(shù)機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)景。
“我們可以把機(jī)器人放到偏遠(yuǎn)地區(qū)的手術(shù)室里，大城市的專家足不出戶，在原來熟悉的醫(yī)院、熟悉的手術(shù)室，通過控制臺(tái)，遠(yuǎn)端控制機(jī)器人就能完成手術(shù)，優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療資源就這樣下沉到基層。”周小虎說。
在科研人員的“調(diào)教”下，血管介入手術(shù)機(jī)器人變得越來越智能：團(tuán)隊(duì)利用安裝在醫(yī)生手上的傳感器采集手術(shù)動(dòng)作數(shù)據(jù)，將提取出的操作技巧遷移到機(jī)器人身上，進(jìn)一步精進(jìn)機(jī)器人的手術(shù)技能。
“經(jīng)過十幾年的努力，我們的手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)從第一代進(jìn)化到第六代，從開始跟跑國(guó)外團(tuán)隊(duì)，到后來的并跑再到現(xiàn)在的領(lǐng)跑，我們可以自豪地說，中國(guó)團(tuán)隊(duì)在血管介入手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域，已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平。”周小虎說，針對(duì)腦血管相關(guān)手術(shù)操作的第七代、第八代產(chǎn)品正在完善中。
無影燈下，鋼鐵之手在方寸之間大顯身手。
聲觸未來
坐在桌前，頸部靠近機(jī)械臂伸出的探頭，三五分鐘后，機(jī)器人就能完成掃查，半個(gè)小時(shí)后，患者即可獲取自己頸動(dòng)脈健康數(shù)據(jù)。
2019年，國(guó)外留學(xué)歸來的王雙翌加入侯增廣團(tuán)隊(duì)，拓展了超聲機(jī)器人這一新的方向，為醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展拓寬賽道。
超聲掃查的典型案例就是人們最為熟悉的B超。作為一種無創(chuàng)、無輻射、低成本的醫(yī)學(xué)成像方式，它卻有個(gè)短板——影像質(zhì)量的高低很大程度依賴于操作人員的個(gè)體經(jīng)驗(yàn)。
在標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施維度，機(jī)器人顯然有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
在大量學(xué)習(xí)了醫(yī)生的操作手法、吸納了醫(yī)生前輩的掃查經(jīng)驗(yàn)后，超聲機(jī)器人具備了基本的上崗能力。在此基礎(chǔ)上，王雙翌和團(tuán)隊(duì)為機(jī)器人裝上了能做出醫(yī)學(xué)判斷的“智能大腦”。
“我們將人工智能影像分析、現(xiàn)場(chǎng)操作人員的動(dòng)作、機(jī)器人的自主決策等深入地融合在一起，實(shí)現(xiàn)了基于影像、位置、力覺信息等多模態(tài)信息的融合和決策。也就是說，機(jī)器人能根據(jù)自己當(dāng)前的狀態(tài)，自己判斷下一步該做什么動(dòng)作。”王雙翌舉例，比如機(jī)器人在掃查過程中，會(huì)根據(jù)頸動(dòng)脈的成像情況，自主判斷探頭需不需要轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度、操作人員什么情況下該增加力道等。
智能的機(jī)器人，極大降低了超聲掃查人員的專業(yè)門檻，社區(qū)護(hù)工、養(yǎng)老院護(hù)士都能輕松完成這一任務(wù)。
“頸動(dòng)脈掃查能很好地服務(wù)于我國(guó)腦卒中百萬減殘工程，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、快速篩查。”在項(xiàng)目研發(fā)過程中，“讓技術(shù)真正服務(wù)于民生”是王雙翌最深的感慨。“對(duì)于基層來說，一個(gè)成熟的商用機(jī)械臂遠(yuǎn)不是最佳解決方案，我們還要考慮成本、考慮篩查的環(huán)境等。”經(jīng)過與基層醫(yī)療人員的深入溝通，才有了便攜式、輕量級(jí)超聲機(jī)器人的獨(dú)特設(shè)計(jì)。“我們希望，通過努力讓所有的早期篩查變得更普惠，讓人們?cè)诩议T口就能享受到篩查服務(wù)，讓‘防大于治’真正落地。”
團(tuán)隊(duì)的研究成果中，既有接地氣的應(yīng)用，也有高精尖的前沿探索。
2022年7月2日，解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心會(huì)議室內(nèi)，超聲專家遠(yuǎn)程遙控位于解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心的超聲機(jī)器人；在超聲機(jī)器人的精準(zhǔn)定位和指引下，解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心的醫(yī)生將導(dǎo)絲順利通過患者心臟的卵圓孔，圓滿完成卵圓孔未閉封堵手術(shù)。
這是國(guó)際上首次應(yīng)用遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人完成卵圓孔未閉封堵術(shù)，手術(shù)過程僅28分鐘，全程零射線、零造影劑，避免了X射線對(duì)患者身體產(chǎn)生傷害。
在王雙翌看來，遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人搭建起了基層醫(yī)生與專家的溝通橋梁，基層的患者也能遠(yuǎn)程享受到高質(zhì)量的專家醫(yī)療服務(wù)。
“醫(yī)療機(jī)器人的完善沒有終點(diǎn)，醫(yī)生不斷給我們提出新的意見和需求，科研創(chuàng)新的腳步必須跟得上。”侯增廣說。
在侯增廣的團(tuán)隊(duì)里，“面向人民生命健康”不是一句口號(hào)，而是使命，更是擔(dān)當(dāng)。
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