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助力醫(yī)院全自動化的醫(yī)療穿刺采血機器人研發(fā)成功！
COVID-19全球流行，在應(yīng)對新冠疫情時，各國的醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)都受到極大挑戰(zhàn)。無疑，此輪新冠疫情將影響全球的醫(yī)療衛(wèi)生體系發(fā)展方向。目前，已經(jīng)有建筑師、醫(yī)療衛(wèi)生顧問討論如何改變現(xiàn)代醫(yī)院的設(shè)計，讓醫(yī)療衛(wèi)生系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對危機。
從一方面來看，新冠疫情爆發(fā)早期，醫(yī)護人員大量接觸感染病人，防護不到位，醫(yī)護人員感染率較高。在疫情中，問診機器人、消毒機器人、物流機器人等自動化設(shè)備成為醫(yī)院剛需產(chǎn)品。可見，對于醫(yī)院來說，未來要減少醫(yī)院人員日常工作中的感染風(fēng)險，公共衛(wèi)生體系將朝著信息化、自動化方向發(fā)展。
來自哈工智能中央研究院的磅策機器人，從減少感染科護士采血感染風(fēng)險的愿景出發(fā)，研發(fā)了一款在超聲引導(dǎo)下的醫(yī)療穿刺采血機器人，實現(xiàn)血液標(biāo)本自動收集、標(biāo)本自動分揀整理，助力醫(yī)院實現(xiàn)全自動化驗檢。
哈工智能是國內(nèi)聚焦于高端智能裝備制造和人工智能機器人的高科技上市公司，聚焦于高端智能裝備制造和人工智能機器人，有著深厚的機器人研發(fā)經(jīng)驗，并以AI+ROBOT為核心發(fā)展理念，完善機器人生態(tài)圈。
雖然哈工智能在工業(yè)機器人方面已完成了全產(chǎn)業(yè)鏈布局，但醫(yī)療與工業(yè)是兩個天差地別的行業(yè)，磅策機器人如何將工業(yè)機器人研發(fā)的經(jīng)驗移植到醫(yī)療領(lǐng)域中？采血機器人如何在醫(yī)療場景中真正實現(xiàn)落地？動脈網(wǎng)采訪了磅策機器人CEO謝雷與CTO張兆東。
最為普遍的采血存在什么樣的痛點
磅策機器人團隊過去長期與機器人打交道，但是在他們看來，公司的發(fā)展一定是與社會責(zé)任相并重的。積累的技術(shù)方向應(yīng)該用到最需要的場景中。
“我們最后選擇了醫(yī)療機器人這個領(lǐng)域作為研發(fā)嘗試的新領(lǐng)域，用我們在機器人領(lǐng)域積累的經(jīng)驗去解決醫(yī)療領(lǐng)域的問題?！?/span>
在調(diào)研中，磅策機器人的團隊發(fā)現(xiàn)，在醫(yī)療機器人應(yīng)用可以大致分為四大方向：首先是機器人+治療方向;第二是機器人+診斷;第三是監(jiān)護方向;第四是檢驗檢測方向。謝雷認(rèn)為，在治療領(lǐng)域，已經(jīng)有很多頭部企業(yè)聚集，達芬奇機器人所屬的直覺外科一騎絕塵。在診斷領(lǐng)域，更多偏向AI軟件。監(jiān)護領(lǐng)域更多是硬件設(shè)備為主。最后，磅策機器人選擇診斷檢測這個智能機器人應(yīng)用相對空白的細分領(lǐng)域切入。
最初，磅策機器人團隊發(fā)現(xiàn)檢驗科最容易和機器人結(jié)合的環(huán)節(jié)是采血后對血液試管的預(yù)處理環(huán)節(jié)。試管的搖勻、試管貼標(biāo)等流程能夠快速將工業(yè)機器人產(chǎn)品移植到醫(yī)療場景中。但磅策機器人團隊想要做的是與醫(yī)療場景緊密結(jié)合的產(chǎn)品，而不是簡單地將工業(yè)中的產(chǎn)品復(fù)制到醫(yī)療領(lǐng)域中。
在調(diào)研中，磅策機器人團隊更進一步發(fā)現(xiàn)，在采血環(huán)節(jié)，護士被針扎而感染的風(fēng)險非常大。謝雷表示：“我們想要研發(fā)采血機器人來減少護士感染風(fēng)險，尤其是感染科和傳染病醫(yī)院的護士。我們曾經(jīng)對醫(yī)護人員進行過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)年度人均針刺傷0．75次，輻射下的醫(yī)生工作和患病率超60%。”
除了風(fēng)險意外，護士采血工作量也非常大。磅策機器人CEO謝雷告訴動脈網(wǎng)：“在top100的三甲醫(yī)院，日均采血次數(shù)達到6000人次;單個醫(yī)護人員日均服務(wù)150人次，檢驗師在很多醫(yī)院都要充當(dāng)采血護士?！?/span>
三維成像保證穿刺精準(zhǔn)性
扎針的動作對于護士來說是必修課。但是對于機器人來說，想要學(xué)習(xí)并完成扎針的動作需要首先擁有人類的“視覺能力”和“判斷能力”。
張兆東表示，醫(yī)用場景對于機器人的要求較高，磅策的團隊在機械控制和人工智能領(lǐng)域都有著較深的積累，磅策團隊克服的主要難點在于能否做到精準(zhǔn)穿刺。
“因為我們在機器人領(lǐng)域有著較深的積累，一開始我們認(rèn)為采血機器人的設(shè)計并不難，只需要去模擬護士扎針采血過程，用機械控制原理去完成就行。真正研發(fā)設(shè)計后才發(fā)現(xiàn)真正的難題在血管選擇和穿刺控制上。因為血管的狹窄程度、深度、走向不同，穿刺的深度都有不同。在工業(yè)機器人設(shè)計中，我們只需要讓機器人從A點到B點，但是在采血機器人的設(shè)計中，需要機器人做出精準(zhǔn)的判斷和決策?！?/span>
為了讓采血機器人能夠透視血管，磅策機器人研究了很多機器視覺AI技術(shù)，整合兩種技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)穿刺。
首先是紅外成像技術(shù)，通過血管中血紅蛋白的對紅外光的反射，采集血管走向的數(shù)據(jù)，然后是應(yīng)用超聲成像。
“紅外成像的圖像就像是平面的GPS，在天空中雖然能看到具體的坐標(biāo)，但是無法判斷地下是否還有東西。在采血過程中，護士可以通過感覺判斷針進入血管的深度，但是對機器而言，它是無法感知的?！?/span>
為了讓機器能夠立體、精準(zhǔn)地感知血管的存在，磅策機器人決定在成像模塊中加上超聲圖像。
加上超聲圖像，這讓磅策機器人團隊遇到了不小的困難，整個技術(shù)團隊大多數(shù)都沒有醫(yī)學(xué)超聲圖像解析經(jīng)驗。我們通過很多行業(yè)內(nèi)醫(yī)學(xué)超聲專家給我們補充了豐富的相關(guān)經(jīng)驗，并達成在醫(yī)學(xué)超聲影像下穿刺應(yīng)用的長期合作。
“大家都知道超聲需要醫(yī)務(wù)人員打在正確的位置才能獲得圖像，不是說超聲隨意在什么地方都能獲得圖像。在采血機器人上，超聲探頭必須要與血管有一定角度，才能獲得圖像。我們在將這些要求轉(zhuǎn)化為工程語言時下了很多功夫?！?/span>
應(yīng)用超聲圖像方面是磅策團隊研發(fā)投入花費時間最多的環(huán)節(jié)。有了超聲圖像后，可以掌握血管切面的圖像，獲得血管直徑、深度的信息，幫助采血機器人建立起血管的三維坐標(biāo)。
結(jié)合了紅外成像和超聲成像的磅策機器人在輔助超聲定位下，可以實現(xiàn)快速3D圖像定位，根據(jù)成像的血管分布圖，快速計算出最優(yōu)血管。在血管分割方面，通過超聲圖像進行探測并分割出動靜脈的直徑與位置。
在空間運動控制上，通過圖像與超聲的融合處理，該機器人可以計算出運動軌跡并完成穿刺采血。
兩種圖像識別技術(shù)的疊加，大大提高磅策機器人穿刺的精準(zhǔn)度。通過精準(zhǔn)的計算，采血機器人能夠控制采血穿刺的入針角度和穿刺深度，給患者帶來的疼痛感低于人工穿刺。
為了讓采血機器人穿刺與護士采血的仿真程度更高，磅策機器人還增加了穿刺力反饋控制模塊，可以實時監(jiān)測穿刺力距，電機失速的數(shù)據(jù)變化，輔助視覺及運動部件的算法閉環(huán)，更好地提高穿刺的穩(wěn)定性。
“在力反饋這一塊，我們也花費了較多時間研發(fā)，我們?nèi)栕o士如何做到一針見血，護士告訴我們，人的血管在皮膚下有一種特殊的感覺，當(dāng)針穿刺進入血管后會有一種‘空落感’ 。機器捕捉這種特殊的感覺是很難的。我們想出了一個辦法是加很多傳感器，預(yù)測力量的變化?！?/span>
磅策機器人的產(chǎn)品目前還在研發(fā)迭代中，現(xiàn)在磅策的產(chǎn)品已經(jīng)可以做到在一分鐘內(nèi)完成采血。目前，磅策的采血機器人可以分為六大系統(tǒng)：
穿刺采血系統(tǒng)：可以在醫(yī)學(xué)圖像AI計算后，進行引導(dǎo)穿刺;
電子壓脈系統(tǒng)：可以實現(xiàn)接觸膜更換，以及手臂的恒力壓緊;
試管管理系統(tǒng)：實現(xiàn)試管貼標(biāo)、試管分揀、試管搖勻等工作;
耗材管理系統(tǒng)：自動實現(xiàn)針頭更換、消毒試劑更換和耦合劑更換;
止血護理系統(tǒng)：自動實現(xiàn)止血壓緊處理;
人機交互系統(tǒng)：通過HIS/LIS系統(tǒng)，實現(xiàn)自動數(shù)據(jù)核對，同時進行示范教學(xué)展示。
通過六大系統(tǒng)覆蓋了采血過程的各個環(huán)節(jié)。保證穿刺及采血成標(biāo)準(zhǔn)化，保證全流程符合采血標(biāo)準(zhǔn)且監(jiān)控防錯環(huán)節(jié);避免患者及醫(yī)護人員全程交叉感染問題、針刺傷問題。在自動化方面，采血及穿刺全流程自主無需人員介入干預(yù)。多種技術(shù)的疊加也保證了磅策機器人的產(chǎn)品能夠應(yīng)對肥胖患者、老年患者等各種特殊體質(zhì)患者。
希望首先落地于傳染病醫(yī)院
在落地場景上，謝雷表示，作為一款新產(chǎn)品，磅策機器人團隊希望最早的落地是在傳染病醫(yī)院和科室。
“COVID-19在全球爆發(fā)，讓我們看到傳染性疾病的可怕。發(fā)熱門診是非常高危的一個工作場景。如果我們按照嚴(yán)格的隔離、減少感染標(biāo)準(zhǔn)去管理發(fā)熱門診。那么采血機器人可以減少很大的風(fēng)險。背靠哈工智能，我們做出這款產(chǎn)品，首要的動機是從社會價值上考量。”
護士采血往往需要在多場景移動情況下完成，因此，磅策機器人也在研發(fā)便攜式采血機器人。在全世界來說，采血都是最普遍的就醫(yī)程序之一，采血非常普遍并不意味著它是一項簡單的事。
