苏州大学机电工程学院院长孙立宁:医疗机器人

苏州大学机电工程学院院长孙立宁:医疗机器人

时间:2020-01-09 10:18 作者:admin 点击:
阅读模式 14:22 导语:苏州大学机电工程学院院长孙立宁在CCF-GAIR上的演讲精编,内附雷锋网与孙立宁的访谈记录。

雷锋网消息,7月7日,中国计算机学会(CCF)主办,雷锋网与香港中文大学(深圳)承办的第二届CCF-GAIR全球人工智能与机器人峰会在深圳如期开幕。在7月9日举行的未来医疗专场上,苏州大学机电工程学院院长、苏州医用机器人协同创新研究院院长、苏州大学相城机器人与智能装备研究院院长孙立宁为我们带来了一场宏观的关于医疗机器人的演讲。孙立宁院长是一位学者,也是一位企业家。他是苏州博实机器人技术有限公司董事长,同时也是国家杰出青年基金获得者、长江学者奖励计划特聘教授、国家万人计划领军人才。

在演讲结束之后,雷锋网与孙立宁院长进行了简短的交谈,本文系孙立宁在大会上报告的全部内容精编以及雷锋网 (公众号:雷锋网) 与孙立宁院长的访谈实录精编。

孙立宁大会演讲记录

(雷锋网做了不改变原意的精编)

医用机器人的发展机遇

医疗器械产业发展迎来了新契机

从大的领域来看,医疗机器人属于医疗器械。这方面我们国家的宏观形势非常关注,从国家中长期规划、国务院医药卫生体制改革以及战略新兴产业等等,都提出了关于高端医疗器械的发展。

1、医学研究的深度和广度不断扩展

随着医学研究的深度和广度不断扩展,从过去的组织器官发展到细胞和分子层面,已经发展到整体和系统的方面。研究也开始从各个角度开始进行,包括生物、环境、人的心理、社会和大的社会工程方面。

2、从多学科交叉的融合与渗透

当前的科学和生命科学、生物技术、纳米技术、信息技术、认知技术、先进制造技术不断壮大。

3、新的诊断与治疗技术手段不断出现

诊断方面,过去看X光发展到CT、核磁现在到分子诊断。治疗方式方面,从过去的手术包括治疗、吃药,发展到微创,以及到基因诊断。

4、新技术推动医学新的发展方向

而从大的健康领域来看,不仅仅是看病、吃药的问题,而是从预防、预测、个性化诊疗包括人工智能技术的发展,都为这个领域提供了很好的变化。

新一代生物、信息、制造技术快速向医疗器械领域汇聚

发达国家注意到当前的大数据、智能传感器、快速基因测序、分子诊断、微纳制造包括柔性可延展电子器件、可穿戴设备包括人工智能都向这方面发展。

在检测方面,出现功能一体化的影像产品,比如低剂量X光、诊疗一体化的设备等。在药械融合方面,包括可吸收的生物材料、可以植入的材料、打印技术等等,都为新型高端医疗器械提出新的解决方案。

医疗体系的变化

当前的医疗体系发生了很大的变化,从过去治病、看病到现在的健康以及医疗器械的信息化、智能化、网络化、便携化的日趋发展,促进了整个医疗体制的改观。具体来说,当前的医疗器械处于前所未有的大好时机。

发展机遇

中国制造2025包括十个领域,过去的“生物医药”,发展到现在的“生物医药与高性能医疗器械”。这里面很大一块是医用机器人、高端的医疗器械。高档数控与机器人领域中,也讲了医疗机器人将作为重要的发展方向。在近期工信部、发改委、财政部联合印发的《机器人产业发展规划(2016-2020年)》中,预测到2020年会有10个标志性的产品,其中手术机器人就是预测的重要的标志性成果。国家重点研发计划智能机器人重点专项已经发布指南,我们也注意到服务机器人里将手术、康复、助老助残作为重要的发展方向。

2014年我参加国家医疗器械“十三五”规划。讲到医疗装备的发展趋势,高性能、智能化,是国家的战略新兴产业。从检测设备开始,从彩超到深化检测又发展了手术导航机器人和康复训练机器人,又发展到个性化机器人。

2015-2016年我参加中国科协组织的国家创新力评估组,其中有一个关于智能生活的领域评估,包含包含几个主题:智能交通、智能服务、智能健康、泛在安全。这里面智能健康发展的思想,就讲机器人技术、微纳米技术、3D与信息技术的融合,未来的发展会涉及到疾病诊断与监测、微创治疗、远程医疗、移动医疗、健康监护、康复、助老助残、健康信息化、网络健康顾问服务。通过互联网技术的发展,未来在健康信息化和网络健康顾问方面会得到非常重要的发展。而在装备层面,无论检测、诊断和助老助残包括微创手术都跟机器人先进制造技术的关系是非常密切的。从大的宏观形式看,医疗装备是越来越高端,就出现了医疗机器人的发展方向。

医用机器人产业现状 机器人分类

从用机器人来辅助和帮助医生解决患者的问题来讲,大概分成四个方面。

第一,手术机器人。 辅助和替代医生进行手术作业。这方面骨科用得比较多,这一类产品国外有不少,都是在关节置换过程中,通过生物力学的计算和精准的图像匹配,实现精准作业,从效果上比人来得快。刚才Nelson教授讲了国外好多好多新的产品,这方面的的确确是一个重要的发展方向,也是一个很好的产业。

第二,康复机器人和医用服务机器人。 康复类机器人在解决老年人、残疾人的替代方面,目前又发生了很大的变化。医用服务机器人,在医院里帮助护士和医生对患者进行看护,药品的传输,这些监控方面的工作,也采用了自动化、无人的机器人方面的替代。

第三,检测类机器人。 过去的CT运动和结构相对比较简单,现在发展成用机器人的结构来实现传统的检测设备高端化,又出现机器人化的医疗装备。国外已经有很多产品,包括机器人化X光机、机器人化超声检测与诊断系统等。过去是人来手术,现在机器看片子,机器手术。这样的好处是精准。这方面骨科用得比较多,这一类产品国外有不少,都是在关节置换过程中,通过生物力学的计算和精准的图像匹配,实现精准作业,从效果上比人来得快。

第四,微纳血管介入机器人。 刚才谈到未来机器人进入到血管,现实地看,过去我们到医院里,医生在X光机下进行导丝/导管,医生和患者同时用大量X射线进行,而现在用机器人实现导丝/导管,很精准。国外也有类似的磁类导航和力反馈的,是操作型的机器人还不是小机器人进入到血管。

医用机器人如雨后春笋般涌现

从国外的发展来看,有达芬奇手术、赛博刀、Mako骨科手术、ROSA神经外科以及脊柱手术机器人等等,瑞典、以色列、法国等都有大量研发和市场推广工作,又出现康复的、检查的、诊断的机器人,如雨后春笋涌现。

中国的情况起步也不是很晚,近十年来从国家基金委、863计划里支持了北航为代表的一些研发。像北航王田苗教授的脑定位,进行神经微创。中科院先进技术研究院的脊柱机器人、北理工的颌面机器人等等。目前在国内比较高端的机器人研究比较多的单位,都开始从事这个领域。2008年前后,北航王田苗教授通过远程机器人导航,实现一个9岁孩子的手术。这个中央电视台已经进行了报道,效果非常好。

腹腔手术

在当前医疗机器人里,大家接受的是通用的腹腔手术。

过去手术无论是胆囊还是肠道,都是开膛剖肚。十几年前医生在台面上进行操作,大概需要几个小时。很辛苦,还可能发生颤抖。现在美国人发明了一个立体的屏幕,通过机械手带动几个机械微创器件,通过它的遥控,实现操作。能够实现远程、稳定、微创。陆陆续续在国际上得到快速发展。像日本、加拿大还有意大利,都在开始这方面的研究。

天津大学的王教授做了妙手,在国内进入了临床试验阶段。我本人的团队哈工大已经开发出腹腔手术,跟国外的水平也比较接近了。

骨科机器人

过去我们做接骨,人在X光下进行感觉操作。如果对准三个毫米以内就算成功,三毫米以外这个手术就失败了。成功率基本在70%。现在用机器人来看,通过X光导航,两个机械臂进行拉伸,对准用机器人打孔,自动把钉子锁上,在2004年前后就研发成功了。目前这个平台也陆陆续续进行了很多关键技术的应用。

微创手术机器人系统&肠道诊疗微机器人系统

机器人进入血管还早,进入肠道还比较容易。首先开发出药丸子,吞下去就能看到图像。这个被动药丸,卖了63个国家。下一代会是主动的,能在肠道里走,镜头能调整和释放药物,进行活检,但至少还要五年时间才能实现。

还有人类的结肠,用肛肠镜进行探测。这里面简单说就是蛇形机器人,柔体的,在肠道里能自动的根据肠道情况进行适应,这个更现实。包括像老年人脊椎弯掉,大手术很困难,通过X光照射,就发现用生物力学的方法,用机械臂打几个孔,把里面注射球囊,这样脊椎就直了。

总结一下当前国内的情况。

一方面是高校。在医用机器人研究中,北航、北理工、哈工大、中科院研究所、深圳中科院(深圳)自动化所、沈阳自动化所等等实力很强。另一方面,十几年前大家说研发医用机器人感到很不理解,很危险,离产业很远,政府并不关心。而现在看来地方政府非常关心,深圳提了机器人研究院,立了很多项目。包括苏州政府、上海交大,都在全国成立医用机器人研发平台。

市场数据

这是国内的研发情况,产业的情况看,的的确确很大的市场。在各类手术机器人中,手术类占60%。其他比如放射占20%,急救、外骨骼和康复占得比较少,但整体看,市场很大,并且康复机器人有望成为医疗机器人中的一个主要市场力量。

从国际上的报道看,目前来看,工业机器人市场份额最大,第二是军用机器人,但医疗机器人在2025年将达到170亿美金,将成为取代军用机器人的第二大市场。

发展趋势

紧跟临床技术发展

看几个医用机器人的发展趋势,显然人们希望从手术类来看,创伤越小越好,达到席教授跟Brad Nelson那种,吃一个药进去就最好了。但还很远。手术微创越来越成为主流发展方向。现在的机器人是开放式,搞一个大口子。现在用四个或者几个钳子,放到腹腔,就留了几个孔,未来发展希望单孔。这一个孔进去,通过机械手的变形作用,显然是一个很好的概念,但是还比较难。这个技术没有停止,国际上像美国直觉,加拿大、意大利、慕尼黑、美国内布拉斯加包括瑞士还有交大,都在开发柔性的操作臂。这里面医生提了很多好的项目。未来在胃的手术,通过食道放进去一个柔性机械臂,通过变形长成两个到三个,在胃里就可以手术了。包括前列腺等等,这都是这个领域未来5-10年重点的发展方向。前两年科技部又立了两家单孔手术机器人和多孔手术机器人,要求他们3-5年实现很好的应用。

我们看到达芬奇手术机器人费用太贵太大,一般的医生用不起。这里面的核心问题是解决医生能精准操作,现在研发是一体化的,医生还是操作,但手术机械是电动的,人通过控制就可以,不有操作。上个星期跟我们国家孙院士谈了,他高度的评价,这种对中国当前推广低成本、自动化的器件,非常有帮助。刚才也看到了柔性臂的研究,在结构上非常精巧。

医疗机器人的研究热点

从医疗机器人技术层面,大家看看有哪些。

第一,三维重建与配准,通过各种图像实现图像重构,提高手术可视化程度。 对器官组织得看到,通过各种图像实现图像重构,无论是骨头还是组织器官。

第二,术前术中导航与规划。 通过计算机模拟,进行导航规划提高手术精度,生物组织不是拿刀随便手术的,必须跟医生的经验,在什么地方注入和切割,这里面要通过计算机模拟,进行导航规划提高手术精度。

第三,新型结构,小型的柔性的高精度带传感器的结构,是未来的发展方向。 无论单孔还是双孔还是骨科,微型器件非常关键,这里面出现了很多针对不同手术,不同作业要求的新型的手术器械。

第四,智能材料,提高手术疗效。 过去的机械结构很难变形,现在通过新兴材料,能制造柔性机器人,还包括可移植的人工心脏、心脏瓣膜等等。

第五,智能控制和多信息融合,提高手术精度。 手术过程中人获得了图像,也需要获得操作过程的力反馈。这些信息的融合怎么能够让人机交互更好,就存在智能控制与信息融合方面的问题。

第六,手术生物建模,拓展医生手术抉择能力。 人在手术的时候是靠经验的,所以就必须把组织骨头和肌肉或者器官、肝脏、胃等等进行生物建模。这里面不仅是成效,更重要的是生物组织材料的特性要确定,引导机器人实现正确的操作。

第七,人机交互,提高手术的可操作性。 提高手术可操作性、假肢控制。这方面是非常前沿的。

从技术层面上分成了七方面。

协同创新平台

医疗机器人是一门跨界学科,研发周期长,门槛比较高,所以就必须建立一个政、产、学、研、医、资结合的平台,把这些资源整合起来。

本人也做了一些探讨,怎么样把产业做大?要素是什么?肯定要有技术、人才、资本、高校、政府、医院、医生、标准、检测,这些方面在一个平台上连起来才能做好。

比如怎么发挥政府资源和作用,我们成立了一个平台,把专家、学者、教授作为专业导师,给他们扶持帮助、给他们投资,有项目先做一做,做得差不多了,有一些社会资源的帮助跟企业对接,然后使得这个研发解决很多麻烦。

比如后来本人建议苏州政府把他们串起来建立一个研究院,主要引进一些技术、人才和项目。通过帮助他们引进社会资本专门做医疗器械方向,做大的时候就形成一个产业园,这是比较理想的状态。通过一年多的实践,做得还可以。

为了创新,肯定要进行研发支撑。国家给你经费,地方政府也给一些平台,支撑发展,规划发展。

以上是讲讲大的形式看医疗机器人装备,是机器人和医疗器械,国家很重视。我们抱团取暖,能很好的合作,把产业做大,共同发展。谢谢大家!

访谈记录

雷锋网:您对手术机器人未来的预期是什么样的?是会作为医生的辅助,还是全自动运行的机器人?

孙立宁: 我们现在都把医用机器人叫做「XX医用辅助机器人」,重点就在「辅助」两个字上。医生是一个非常复杂的职业,机器的智能暂时还达不到那个程度。所以医生作为人类来讲,在一些操作上并没有那么精准,而机器精度高,还有一些机器人识别的能力,就能够帮助医生去提高精度和效率,但总的来说,机器人还是在医生的控制之下工作,医生才是主体,机器人只是辅助。

雷锋网:在医疗机器人中,除了手术机器人,还有哪些领域还在未来有很大的发展潜力。

孙立宁:

我刚才讲了医疗机器人有四类:

第一类就是手术,手术机器人目前看来,是医疗机器人重点关注点。

第二类比较容易实现的就是医院辅助机器人,辅助护士做一些服务性的工作,不过多涉及到患者的身体,安全性没问题,所以容易实现。

第三类是康复类机器人,这个类别之前体量就很大了,比如假肢厂、轮椅厂,但是做的都比较低端,目前产业升级之后呢,所面临的问题就是国内医保的问题,一个康复机器人最便宜三五万块,很多家庭承担不起。但估计未来五年,假肢会出现“感知能力”之后,就会有一个比较大的量。

还有一类就属于大健康领域了,比如穿戴医疗设备等等,这方面发展也会很大。

雷锋网:您在演讲中提到了软体手术机器人,目前这个类别的机器人的发展状况是什么样的?

孙立宁: 现在手术机器人,比如用于肠道手术的是四个孔,但对人体的破坏还是有些大,现在的研究就是希望将来可以达到微创手术效果,比如手术机器人一个孔进入到肠道,然后进行变形成四个爪,这个就是柔性的核心了了。

柔性是属于医用机器人比较前端的技术,总体处于研发阶段,目前国内外很多研究都是公司和大学开始合作开展立项,进行柔性机器人的研究了,中国也有三四个单位有原型样机出来了,但是要想达到实际临床应用,我估计得五年。

雷锋网:您在演讲中提到微型机器人,并且说微型机器人进入血管还很远,大约会在未来多久实现?

孙立宁: 目前微型机器人可以做到进入肠道,被动式的机器人随肠道蠕动,用无线发射的方式帮医生获取肠道内的图像,这种机器人目前已经产业化了。但是这种微型机器人和能够进入血管的机器人是非常不同的,肠道中的机器人大到十几个毫米,而血管中的要更小。目前能够进入血管的机器人整处于技术攻关的状态,我估计还得有10年才能进入到血管中实验,如果临床应用可能还需要20到30年。

雷锋网:脑机、康复机器人目前的研究目的是治疗,但是根据趋势来看,未来很有可能会被用在增强方面,您对这个事情怎么看?这些技术会不会对人类造成一些负面影响?

孙立宁: 拿康复机器人来说,未来往增强方面发展就是助力机器人,现在的生产线不能全用人来搬东西,也不能全机器人来工作,所以助力机器人在一定情况下能发挥很大的作用,目前日本已经开始这么做了。就这个例子来说,其实并不算是一个新鲜事,机器增强人这种形态早就存在了,比如说——车,车的本质来说就是给人加个带轮子的套子,让人跑的更快而已,助力机器人之类的形态更多了。

任何新技术的产生都有负面影响,电能电死人、工程机械操作不安全等等,机器人也是一样,只不过机器人形态变化大、动作更多,伤害的几率可能更大,但是只要人们在安全方面处理得当,加上相关部门制定相关标准和政策管好,就没什么问题。

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