哈佛医学院权威盘点:过去10年,医疗机器人最重磅突破有哪些?

2021
11/22

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机器人学是一门具有前瞻性的学科,旨在帮助人类克服一些重大挑战。

撰文:库珀 编审:寇建超 排版:李雪薇

机器人学是一门具有前瞻性的学科,旨在帮助人类克服一些重大挑战。然而, 在医疗机器人领域,清楚地了解研究界最近取得的成就,以及这些工作在临床需求和商业化方面的地位,对于规划未来发展路径十分重要。 近日,哈佛医学院通过一篇综述文章分析了过去十年医疗机器人领域的八个关键研究主题,通过搜索标准确定了十年中被引用最多的论文,目的是为读者提供一种便捷的方式,可以快速认知过去十年来,科学家在医疗机器人领域取得的一些最激动人心的进展,该综述文章已发表在《科学机器人》(Science Robotics)期刊上。 早在 30 多年前,第一批机器人学家就开始探索使用机器人进行外科手术。20 年前,第一批商业机器人系统安装在医院。在过去十年内,医疗机器人发展势头强劲,目前世界各地的大型医院都安装了机器人手术系统,并进行了数百万次手术。 随着医疗系统对手术机器人的接受程度越来越明显,机器人学研究者越来越关注下一代医疗机器人的形态,注意力不限于外科机器人,也包括执行身体康复的机器人、用于患者与非现场医护人员互动的临场感机器人、药房自动化、用于诊所消毒的机器人等等。

10121637017978351图|10 年中 8 个热门话题的临床应用示例(来源:Science Robotics)

医疗机器人最初是为了让外科医生能够远程操作或提高对患者的精确性而开发的,但科研人员通常会将目光投向更远的未来,超越商业开发活动,评估过去十年的研究活动,有助于瞥见未来几十年医学机器人将走向何方。

过去十年的热门科研话题 研究人员通过搜索 2010-2020 年期间《科学》杂志上被引用最多的医疗机器人论文,确定了八个热门研究主题,包括 机器人腹腔镜、用于微创手术的非腹腔镜机器人、辅助穿戴式机器人、治疗康复机器人、胶囊机器人、磁驱动、软体机器人和连续体机器人等。

83471637017979283图|热门研究主题(来源:Science Robotics)

数据显示,工程和医学期刊上关于医疗机器人的出版物数量呈指数级增长,从 1990 年的 6 篇增至 2020 年的 3500 多篇。医学期刊论文主要是关于腹腔镜机器人的出版物(占总数的 60% 至 70%),伴随着达芬奇外科手术机器人系统的成功,2020 年发表的相关论文超过 1300 篇。

67151637017979565图|达芬奇机器人手术系统

腹腔镜手术相关的工程论文在 2019 年也达到了 126 篇的高峰,工程论文主要是治疗康复和辅助可穿戴机器人,过去十年内,《医疗机器人》期刊 80% 的论文都与这两个主题有关。然而,值得注意的是,这些主题的医学论文数量不到工程论文数量的2 5%。这可能是因为医学期刊论文经常报道临床试验的结果,这比工程研究的成本和时间都要高。 此外,磁驱动技术是日趋成熟的,可以观察到工程和医学论文呈指数增长,这一主题的持续发展一定程度上取决于微型机器人的临床应用能否得到发展。软机器人学论文的图表显示,该主题仍处于开发周期的早期。

90971637017980229图|1990 年至 2020 年,医疗机器人技术论文发表在工程和医学期刊论文上的增长趋势(来源:Science Robotics)

连续体机器人技术是不寻常的,因为手动驱动的连续体式医疗器械早在 1990 年就存在了。近几十年来,新的连续体机器人体系结构得到了发展,使这些设备成为机器人的关键进展不是机械设计,而是数学建模,关于这一主题的医学论文起步缓慢,但新的临床系统开发会让相关论文不断增多。 胶囊机器人是最不成熟的,但却是最专业的热门话题技术。这项技术可能正处于拐点。如果这些机器人的能力能够被证明足以取代目前的临床方法,那么对这个主题的兴趣将加速,有证据表明,磁驱动下的软胶囊机器人就是这种情况,这种方法有可能在消化道内进行无创诊断和治疗。

各路医疗机器人的发展概况 

1.机器人腹腔镜 腹腔镜机器人技术可能是医疗机器人技术中最成熟、商业上最成功的子领域。在过去十年中,在三个方面取得了进展:临床、商业和学术,越来越多的研究是在临床上进行的,例如,关于根治性前列腺切除术、膀胱癌根治性膀胱切除术、直肠癌切除术和子宫切除术的研究。 在商业上,过去十年见证了达芬奇机器人的不断进化发展,该系统能够在机械臂上安装内窥镜和腹腔镜器械、半自动手臂和患者推车定位,以及改进器械耦合,使用增长迅速,根据其年度报告,2019 年完成了 120 多万个手术程序。与此同时,在过去十年中,达芬奇机器人的开发商 直觉手术(ISRG) 公司在机器人腹腔镜手术中占据垄断地位开始失效,导致几家大型医疗设备公司启动了开发自己的机器人的计划,目前正在引进市场。 

十年来,学术研究在两个方面取得了进展。第一个是使用腹腔镜机器人作为开发增强能力的平台,这方面的主要子主题包括:研究用开放式平台机器人的引入、外科自动化发展的初步努力,以及将力传感集成到腹腔镜工具的持续工作。第二个研究方向是考虑新的机器人结构,可以减少手术的侵入性。 具体而言,这个领域包含很多细分研究,例如: 

1)开放平台,研究小组开发自己的腹腔镜机器人系统是一项巨大而重复的任务,认识到这一需求,两个小组为研究社区引入了开源机器人平台,一个是 Raven II,这是一个非临床机器人手术研究平台;此外是一个控制包,即达芬奇研究工具包或 dVRK。 

2)手术自动化,腹腔镜机器人系统用于执行广泛的标准手术任务,它们还固有地提供仪器运动的完整驱动以及描述仪器运动的高质量视频和丰富数据集,研究重点已转向可能需要使用自动化辅助补充遥控机器人手术的用例,安全有效地自动化手术子任务的潜在好处包括提高精确度、融合非视觉或触觉传感器信息、遵守精确的术前计划、改善重复性应力损伤和对外科医生的其他生理危害。 

3)导航、术中成像和可视化,术前计算机断层扫描或磁共振图像用于生成在计算机控制下执行的手术计划,而临床医生提供一般监督。随着该领域开始关注软组织手术,预先编程的动作让位给临床医生指导的远程手术控制。使用术中或术前数据的图像引导在所有类型的机器人手术中变得越来越重要,这些技术能够评估组织灌注和组织表面下解剖细节的可视化,最大限度地降低损伤神经和血管等潜在重要结构的风险。 

4)接触力传感与控制,手动和腹腔镜器械都会将外科医生的手从被操纵的组织上移开,从而扭曲或完全抑制力量和触觉。触觉传感将允许在机器人手术期间在操纵器处再现组织触诊。此类传感的技术障碍包括腹腔镜器械的小尺寸(直径 5 至 10 mm)、可重复使用器械中灭菌措施的热和腐蚀性、一次性使用器械的成本以及传感点和工具组织接触点或区域之间施加的力学。 

5)单端口腹腔镜机器人,与标准的开放式手术相比,腹腔镜手术减少了侵袭性,但一个典型的手动或机器人手术需要对单个器械和可视化内窥镜进行三个或四个切口。将多个仪器控件、驱动器和内窥镜可视化功能组合到一个接入端口需要增加机械复杂性和密度。值得注意的创新单端口原型包括。 

6)分离式手术机器人,经典的腹腔镜手术模式是通过一个孔/套管针在腹壁的一个枢轴点插入一个细长的器械,这种几何结构从根本上限制了外科医生完成手术任务所需的运动。打破这一限制的研究面临着以下挑战:在身体内部实现所有驱动和传感,提供合适的电源和通信,设计独立部署的机器人在手术现场的安全部署和检索。 腹腔镜机器人技术最重要的进步是对患者最直接的好处,包括更好地治疗肿瘤,减少对健康组织的切除,检测和减少罕见的手术错误,减少手术过程中的创伤和感染风险等。 

2.非腹腔镜手术-特定机器人 受达芬奇腹腔镜手术机器人的成功启发,过去十年中,外科医生和工程师也在探索非腹腔镜手术的新机器人解决方案。重点领域包括腔内和自然孔口干预以及显微外科机器人。 关于腔内和自然孔口手术,在过去十年中探索的外科机器人的新兴应用中,研究人员注意到腔内和内窥镜机器人的工作,其目的是通过消除皮肤切口进入内部解剖结构的需要,并通过提供允许沿着弯曲解剖通道更深入进入的解决方案,进一步降低发病率。最近还推出了新的商业系统,重点是用于自然孔口微创活检的可引导导管。 此外,显微外科手术方面,视网膜显微手术带来了独特的挑战,超过了现有手动手术系统的能力。研究人员已经采取了三种方法来应对这些挑战:

(i)具有震颤过滤功能的手持式机器人,(ii)手持式(合作)机器人,以及(iii)具有远程运动中心的远程操作机器人,具有主动震颤消除功能的手持式机器人已被改进用于视网膜手术。 研究人员相信,使用体内传感来提高外科医生的绩效,能够将术中感知与自适应辅助行为结合,将使外科医生能够实现快速临床部署,并改善感知和性能。 

3.辅助可穿戴机器人 辅助可穿戴机器人技术专注于可穿戴机器人设备的设计和控制,旨在提高肌肉骨骼或神经肌肉损伤患者的移动性或功能性。该领域的贡献领域包括为上肢和下肢截肢患者开发机器人肢体(也称为动力假肢),以及为神经肌肉损伤患者(如脊髓损伤、中风、多发性硬化患者)开发外骨骼(也称为动力矫形器)。 在过去的十年里,相关研究被引入到了人工膝关节和踝关节中。由于受电设备具有意志力,因此需要新的控制方法来确保人与设备之间的协调,实现这一点的方法包括分段无源阻抗控制和相位变量控制,建立了由数据简化和分类方法组成的模式识别结构,能够基于运动模式实时推断给定的运动活动。 除了外骨骼外,在这十年中还引入了软“外骨骼服”的概念,相对于使用刚性连杆的外骨骼,软外骨骼服使用低模量材料(通常与肌腱驱动一起)来传输运动辅助,而无需沿非驱动自由度施加次级运动约束。据推测,该领域将在未来十年内建立实用方法,帮助行动不便的个人。 

4.治疗康复机器人 康复机器人旨在为神经损伤(最常见的是中风和脊髓损伤)后的肢体提供重复运动治疗,从而恢复个体的能力。这些机器人装置能够以诱导或促进神经可塑性的方式执行伸展、抓取、行走和脚踝运动,从而恢复运动范围和运动协调性。 一些康复机器人采用外骨骼的形式,适合腿、手臂或手,而另一些是末端效应器型机器人,通过手柄或脚平台与人体接触。康复的机器人既可以作为提供治疗的手段,也可以作为评估的工具,提供传统临床评估所衡量的运动能力进展的精细视图。 自 20 世纪 90 年代早期引入康复机器人手段以来,在其设计、制造、控制和临床方面取得了很多重要进展。在 2010-2020 年期间,康复机器人研究主要集中在四个领域。 第一种是新颖的装置设计,越来越多地采用外骨骼形式,重点放在上肢的远端关节上,并结合了用于驱动和结构的顺应性和软材料;第二是开发新的控制算法,以调节人与机器人之间的交互,从而最大限度地吸引人的参与;第三是创建意图检测方法,以推断和支持患者所需的运动,而不是规定或预先编程的轨迹;第四是扩大使用机器人设备对神经恢复进行客观和定量评估,而不仅仅是治疗的实施。 在过去十年中,研究人员越来越关注手部和手腕康复机器人的设计,因为自我喂食、梳理和护理的能力需要手部功能和灵巧度的恢复。此外,康复机器人的控制方法也取得了令人印象深刻的进步,主要是那些促进机器人和患者之间合作的方法。研究人员还开发了新的方法来检测患者的运动意图,使用表面肌电图来测量肌肉本身的电活动,或使用脑电图(EEG)从头皮表面记录的电位变化来推断意图。 尽管已经证明这类机器人设备能够有效地为中风和脊髓损伤后的上下肢提供治疗,但与传统治疗相比,迄今为止,功能的临床结果指标改善并不明显。未来的研究工作越来越集中于更好地理解神经可塑性的机制,包括如何可靠地诱导和利用神经可塑性以最大限度地提高治疗效果,这些努力越来越依赖于神经科学的进步,包括记录神经元活动的新技术。 

5.胶囊机器人 在新千年伊始科研界推出了无线胶囊内镜,作为检查胃肠道的一种微创方法。通过吞下“药丸”在肠道深处采集图像的可能性彻底改变了胃肠内窥镜领域,并引发了一个全新的研究领域:医用胶囊机器人。 但研究界意识到了一个重大挑战,对这种方法的热情迅速下降:使用现有技术,将复杂机制(包括充足的电源)集成到“药丸大小”的设备(通常为 24 毫米长、11 毫米直径)是一种不切实际的解决方案。为了解决这一限制,探索了磁驱动的替代方法。磁耦合的使用绕过了复杂机制的需要,降低了电源需求,从而降低了设备的总体尺寸和复杂性。 医用胶囊机器人现在是标准介入内镜的临床可行替代品。虽然提供了一个优雅的机械解决方案,但该领域的研究人员面临着开发可靠控制策略的挑战——由于磁场的高度非线性特性,这是一项复杂的任务。 后来通过将磁驱动与软机器人技术相结合,成功地在药丸大小的机器人中展示了有效的介入能力。一个由外部磁场操作的智能、兼容的设备显示了主动移动到感兴趣的位置并递送药物或收集组织活检的可行性。 实现这一点的关键因素是引入了实时定位技术,了解胶囊的位置和方向(即姿势)对于规划所需运动的磁力和扭矩应用至关重要,临床上可行的定位实例主要基于磁定位。随着下一个十年的开始,当与多模式成像(例如,多光谱、自体荧光和微超声)和微/纳米机器人技术相结合时,胶囊机器人的智能磁控制可能提供前所未有的诊断和治疗能力。 

6.医学磁驱动 使用磁场提取意外嵌入眼睛内的铁屑的证据至少可以追溯到 17 世纪,也可以追溯到工业革命时期。在 20 世纪 50 年代,第一次研究在导管尖端安装磁铁来引导导管。 在过去的十年中,磁驱动领域的一个重要突破是多自由度电磁导航系统建模。这项工作概括了任意数量的几何排列的电磁学的物理和数学,以在给定的磁性体上施加磁力和转矩。 此外,受鞭毛细菌螺旋运动和精子等鞭毛真核生物行波运动的启发,第一批磁导微机器人出现在 2010 年之前。螺旋结构尤其适合于磁驱动,因为旋转场产生的转矩与流体阻力转矩成比例。在过去的十年中,稳健的制造技术和有效的模型已经被开发出来,为开发能够执行有用的医疗任务的微型机器人创造了机会。 如果放宽对磁性材料选择的限制,使磁性颗粒被纳入柔性聚合物结构中,那么可以创建毫米级机器人设计,展示出了许多新的和令人兴奋的运动策略。目前磁驱动的趋势表明,磁端导管和内窥镜的研究也正在回归其根源,人们越来越感兴趣的原因是,人们有望以更小的规模生产出比复杂的拉线或电机设备更经济的可操作医疗设备。 这些磁场和磁场梯度可以无害地穿透整个人体,下一个十年将看到使用这项技术实现更有效的医疗治疗,从而迅速加速商业努力。 

7.医学软机器人 基于软概念、内在柔顺结构和智能材料的机器人技术从一开始就与仿生学和生物灵感学紧密结合。另一方面,人们对具有柔顺身体的仿生机器人越来越感兴趣,这推动了智能材料的研究,这些材料可用于制造软机器人,或为软机器人提供传感和驱动能力,从宏观到纳米尺度。 考虑到过去十年中被引用最多的论文(不包括材料论文和调查论文),可以确定与医学相关的两种工作类型:一种包括用于康复或人体增强的可穿戴软机器人;第二类包括用于介入和外科手术的机器人或用于介入和外科手术的组件。关于手术和干预领域,可以确定三个平行的子主题:(i)用于手术或干预的软设备,其中整个传统设备被软机器人设计所取代,包括宏观和微观规模;(ii)软、仿生或兼容组件,可作为独立设备工作,或可集成到更传统的系统中;(iii)先进模拟器的软组件和系统,用于训练和研究机器人和生物人工器官之间的特定生理功能。 有一个最近的研究方向,不容易归入任何类别,软机器人用于体内辅助或治疗设备,软机器人技术也在培育软材料和新型制造技术的研究,这可以在生物医学应用中开辟意想不到的途径。 

8.医学用连续体机器人 连续体机器人通过弯曲变形而不是通过离散关节改变形状,它们可以通过自然孔口进入身体,在体腔中导航,并在通过固体组织时绕过关键结构。与传统设计相比,连续体机器人的弯曲顺应性也提高了其安全性。 这种技术的一种变体,称为多骨架设计,用既能施加拉力又能施加压缩力的杆代替钢筋束。在 2010-2020 年期间,连续体机器人的研究集中在四个领域:(i)将外部接触和负载纳入机器人建模和控制中;(ii)开发控制机器人刚度的方法;(iii)创建“软”连续体机器人,以及(iv)为特定临床应用设计连续体机器人。 一个重要的研究方向是将外部荷载纳入运动学模型,并从运动输入变量(例如,钢筋束张力)推断外部荷载,或提出了一种无模型方法,其中在任务执行期间估计接触约束运动学模型。过去十年的重要工作也已经发展了机械设计方法,用于增强和控制连续机器人的刚度,对于固有刚度足够的情况,已经开发了控制算法,可以修改运动学输入,以实现所需的叶尖刚度。 部分连续体机器人通常由柔顺的聚合物材料制成,最早的一些例子是气动或液压驱动的,随着软机器人技术在过去十年中的爆炸性增长,这些驱动方法和使用更符合要求的材料现在正在探索用于医疗应用。 尽管早期验证实验本质上是学术性的,很少关注最终的医疗应用,但在过去十年中,人们越来越重视创建原型系统,这些技术示范项目可以直接导致商业化努力。同样重要的是,特定于程序的原型有助于识别关键知识缺口,从而刺激未来的基础研究。

51451637017980638图|增加医疗机器人的特定应用趋势

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科研探索与商业化应用有待更进一步 工程杂志的出版物涵盖了医疗应用新机器人技术的创造和新型医疗机器人的设计,医学杂志的出版物通过评估人类患者中现有的机器人设计完成了研究过程。 尽管该领域还不能指出临床试验表明机器人手术为患者提供了更好的手术结果,或与非机器人手术相比降低了手术成本,但已经证明了许多患者的益处,这些措施包括缩短住院时间、加快康复、减少再手术和减少输血。 对于外科医生来说,医疗机器人提供了更好的人体工程学,与直接手控程序相比,机器人可以减少颈部和背部疼痛以及手部和手腕麻木,减少身体和精神压力,机器人技术也可以显著减少外科医生和患者的辐射暴露,这些因素一定程度上提高了外科医生的从业质量,并有可能延长他们的职业生涯。 为了推动这一进程,将未来的工程研究工作引导到最有希望的方向将是有益的,这就需要了解机器人及其基础技术如何在医学上增加价值。例如能量输送机器人(用于放射治疗的机器人)提供精度、可重复性和速度的组合,这是其他方法难以比拟的。类似地,与非机器人设备相比,电动假肢可以增加日常生活任务的数量和质量,从而直接改善患者的预后。同样,胶囊机器人最终可能会取代一些开放式肠道手术,提高难以到达身体部位的诊断可能性,减少现有腔内肠道手术的不适感。 在指导机器人技术研究以实现增值最大化的过程中,最重要的技术目标是那些能够基于当前技术实现的新型干预措施的目标。在未来十年中,软机器人技术很可能成为一项非常重要的使能技术。

60901637017981126(来源:Wikimedia Commons)

目前,材料界也正在开展许多最有希望的工作,这些工作涉及利用嵌入式传感器和驱动器创建薄聚合物层。尽管这项工作现在似乎离医疗应用还很远,但这些能力可能会对介入、康复和辅助机器人产生重大影响,传感、成像、驱动和能量存储方面的其他使能技术也可能作为消费电子产品的交叉点出现。 自1990年以来,在19000多篇关于医疗机器人技术的工程论文中,只有少数几篇可以被认为能够用于现有的商业医疗机器人。即使是具有高技术影响力的论文,其专利引用数量也不多,在某种程度上,这可能是由于技术开发与其商业应用之间可能出现的严重滞后,也许,一个同样重要的因素是技术研究与医疗器械商业化现实之间的不匹配。 将机器人技术应用于临床所需,不仅仅是撰写被广泛引用的研究文章,而是必须确定真正的临床需要,必须开发相关技术来满足这些需求,考虑机器人如何为临床医生和患者增加价值的细节。 此外,也必须开发有吸引力的商业模式,以确保能够获得足够的投资,使技术通过复杂的路径,任何医疗设备都必须通过这些路径才能取得商业成功,这些潜在的机会意味着技术研究者需要离开他们的象牙塔,与临床医生、监管机构、投资者和商业界形成更为深入的合作。 

参考资料: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi8017

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关键词:
机器人,研究,手术,技术,医疗

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