基于医工融合的高端医疗装备研究进展

2022-04-19姚佳烽邓琪刘凯

机械制造与自动化 2022年2期

姚佳烽，邓琪，刘凯

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016)

0 引言

随着人类社会的不断进步，人们对健康的需求日益提高，从而驱动医疗技术向前发展。医疗技术的研究是一个全球性的复杂问题，涉及到多个学科领域的知识，仅靠传统单一学科的医学研究难以取得较大的突破。因此，基于学科交叉[1-2]的医工融合技术的价值不断凸显，已经成为现代医学发展的新方向。

医工融合是指基于医学和工程学科之间的交叉融合、优势互补、相互渗透、协同创新来解决医学健康领域的相关问题。医工融合技术在20世纪已经得到国内外学者的关注。世界上例如哈佛大学、斯坦佛大学等一些顶级名校早在20世纪70年代就开展医工结合学科的研究，并成立了相关的研究所和研究中心[3]。国内对医工结合的研究兴起于20世纪80年代末期，许多重点学校例如清华大学、北京大学、上海交通大学、东南大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、同济大学、北京航空航天大学、天津大学等纷纷建立了基于医工融合的交叉学科研究所[4]，为医工融合的发展提供了一个广阔的平台。

目前，随着医学与计算机、机械、电气等学科的深度融合，高端医疗装备被不断地研究和开发，为医学临床的诊断技术、治疗技术和康复技术提供了新设备、新方法，对医学的发展具有重要的意义。本文对一些基于医工融合的高端医疗装备进行论述，主要介绍了医学电阻抗设备、医疗手术机器人以及医疗康复机器人的研究现状和研究趋势。

1 医学电阻抗设备的研究现状

电阻抗是一个公认的物理概念，在这个概念中，可以通过测量物体电学特性以评估其组成成分。由于电阻抗技术具有简单、无创、快速、便携、可重复等优点[5]，在过去30年的时间里，逐渐被应用到医学领域当中[6]，基于电阻抗技术的先进医疗设备被不断地开发出来。

1.1 基于电阻抗断层成像技术的医疗设备研究现状

电阻抗断层成像(EIT)技术[7-9]是一种非侵入性成像技术[10]，在医学成像领域有着广泛的研究前景[11]。电阻抗断层成像的原理是借助一组电极按照特定的驱动测量模式重建测量场中的电导率分布或电导率变化[7]，根据这一原理，可以利用EIT技术研究人体内电导率的变化，进而根据人体内电导率的变化推断出人体的生理状态[12]。由于电阻抗断层成像技术具有无创、无危害、结构简单、成本低等优点[11]，在医学成像领域受到了很多研究学者的关注。

2019年，姚佳烽等[13]开发了开发一套μEIT系统，用来对微流道中细胞溶液的细胞位置分布进行成像，如图1所示。该装置的开发实现了细胞在流动过程中的可视化监测，为肿瘤细胞分离效果的检测提供了新的方法和思路。

图1 装置示意图和微流控芯片

2021年，RANDAZZO A等[14]提出了一种用于脑卒中监测的EIT成像设备，所提出的设备能够有效地检测头部模型内不同尺寸和位置的夹杂物。该设备的研发有望实现中风类型的早期检测，有利于脑卒中的正确治疗。

2021年，姚佳烽等自主研发了用于肺检测的床旁无辐射实时电阻抗成像设备，如图2所示。该设备包含嵌入式硬件系统、人工智能成像算法的软件系统、触屏人机交互界面HMI和基于大数据云服务的长期健康管家系统。该设备相较于临床上常用的X线胸片、CT等检查具有无辐射、便携性高和功能性成像等优点，可以辅助医生实时掌握患者的肺部通气状况，对于个性化调整呼吸康复方案，具有重要的临床意义。

图2 用于肺检测的电阻抗成像设备

EIT成像技术凭借其无创、无辐射等优势，在医学成像领域已经得到很多学者的研究认可，基于EIT成像技术的先进医疗设备不断开发和应用，弥补了现有的医学成像设备有辐射、不便携等缺陷，是医学影像技术一个重要发展。

1.2 基于生物电阻抗谱技术的医疗设备的研究现状

生物电阻抗谱(BIS)[15-16]技术是一种利用不同频率下生物组织的电阻抗特性来推测相应的生理信息的技术[17]。由于生物电阻抗谱(BIS)系统干扰小、过程信息全面、结果可靠等优点在医疗检测领域得到了广泛的应用[18]。近年来，许多基于BIS技术的生物医学检测设备不断地被开发出来。

2021年，姚佳烽等[19]研发了用于舌体肿瘤组织识别的BIS设备，设备的结构如图3所示。该设备用生物阻抗谱的方法对其正常组织区域、混有肿瘤组织区域及肿瘤组织区域进行了电学特性研究，成功地识别出肿瘤组织所在的区域，为主刀医生彻底切除舌体肿瘤提供了一种新的检测方法。

图3 BIS 检测仪器

2021年，LI J P等[20]设计了用于红细胞沉降检测的EIS装置，如图4所示。该装置克服了传统的红细胞沉降检测耗时长的缺点，可用于实时快速地检测红细胞的沉降。这项研究为血液沉降检测提供了一种新的设备，有利于临床上多种疾病的检测与诊断[21-23]。

生物电阻抗谱技术以其快速、非侵入、便携性好等优点在医学检测领域得到广泛的研究，基于生物电阻抗谱技术的医疗设备的研发和应用，是医学检测设备的一大进步。

2 医疗机器人研究现状

医疗机器人是医工融合的典型设备，其研究领域涉及到医学、生物学、计算机技术、网络通信技术和机械等多个学科。医疗机器人的研究和应用对医疗技术的发展具有重要意义。医疗手术机器人和医疗康复机器人是医疗机器人中两种常见的类型。

图4 红细胞沉降检测设备结构图

2.1 医疗手术机器人

与传统的手动手术相比，用机器人辅助外科手术具有很多的优势。第一，在机器人辅助的手术中，可以避免因外科医生的手部震颤而影响手术效果[24]；第二，由于手持手术器械的灵活度有限，难以精确地控制器械灵巧地操作，从而会增加患者的疼痛、出血和手术切口的大小，而手术机器人可以有效地克服这个缺点[25]。此外，在一些高精度的手术过程中，使用传统的手动手术容易出现手术的失误，而利用手术机器人就不会出现这种情况。正因为手术机器人的诸多优势，一直受到很多学者的关注。

近年来，微创手术(MIS)，由于具有恢复时间短、疤痕小等潜在优势在实践中被广泛用于执行不同的医疗程序[26]。但是，由于微创手术的切口小，工作区域受限[27]，很难利用传统手术来实现。为了解决这些问题，一些用于微创手术的机器人被研发和应用[28]。但是由于现有的微创外科手术(MIS)机器人体积大、结构复杂、价格昂贵，大大增加了手术成本，限制了MIS机器人技术的应用。因此，小型化和便携化逐渐成为MIS机器人研究的一个重要方向。2020年，ZHANG H F等[25]设计了一款新型MIS机器人，该微创手术机器人将传统微创技术的高效性与机器人操作的灵巧性相结合，解决了现有主从式MIS机器人体积大、质量重的问题以及现有手持机器人直观可操作性差的问题。

随着计算机技术和网络通信技术的发展，远程手术机器人逐渐发展起来。远程手术机器人的应用可以有效解决医疗资源分布不均匀的问题。此外，在例如地震、战场或射线等手术环境中，使用远程手术机器人协助对患者进行治疗，可以防止医生受到伤害[29]。近年来，相关研究人员对远程手术机器人进行了广泛的研究。2019年6月，世界首例基于5G网络的“一对多”远程骨科机器人手术在北京积水潭医院完成，身在北京的骨科专家同时为山东和浙江的两位患者进行了手术，这次尝试进一步发展了远程手术、远程医疗的形式[30]。同年9月，全军肝胆外科研究所与康多机器人公司合作，完成了全球首例多点协同5G远程多学科机器人手术试验，并且成功地对动物实施了胃肠切除和肝切除[31]，为远程手术机器人的发展奠定了技术基础。

医疗手术机器人的应用是外科手术的一个重大进步，对于提高手术精准性、节省外科医生体力等方面具有重大意义。

2.2 医疗康复机器人

中风是21世纪最常见的神经系统疾病之一[32]，中风的患者往往会患有行动不便、运动障碍和认知障碍，这些患者都需要专业人员为其做特殊护理。由于老龄化现象的日益严重，中风的患者数量会日益增多，医疗系统将无法为每一位中风的患者提供特殊护理。医疗康复机器人可以帮助中风的患者进行运动训练和康复训练，可以有效解决医疗系统中康复师短缺的问题[33],成为近年来医疗机器人领域的研究热点。

运动康复机器人是康复机器人的一种类型，可以帮助运动功能障碍的患者进行骨骼、肌肉和关节的训练，以恢复或改善其运动功能。2021年，MENG Q L等[34]将末端执行器型机器人与外骨骼型机器人相结合，提出了一种新型基于末端执行器的4自由度空间训练上肢康复机器人，如图5所示。该机器人可协助人类上肢进行肩关节屈曲、伸展、内收、外展和肘关节屈曲、伸展的康复训练。同年，OYMAN E L等[35]提出了一种电缆驱动康复机器人的设计和控制，该机器人可以很容易地配置为在不需要任何矫形器的情况下锻炼不同的关节，如肘部、肩部、臀部、膝盖和脚踝。

认知障碍机器人是康复机器人的另一种类型。认知障碍康复机器人可以通过一些与运动相关的刺激与患者进行交互，增强患者对环境的感知，从而恢复患者的认知能力[36]。2012年，KUBOTA N等[37]为单侧空间忽视患者开发了CRT机器人。该机器人基于3D距离图像传感器，可以观察人体运动。观察到的数据可以为治疗师提供重要信息，以显示康复状态。2018年，ANDRIELLA A等[38]开发了一个嵌入机器人的决策系统，该机器人可以与认知功能障碍的患者建立有效的互动，护理者可以利用该系统在进行认知训练时激励和支持患者。

医疗康复机器人的研究和应用是临床康复技术的一个重大进步，对于行动不便、运动障碍或者认知障碍患者的康复治疗具有很大的帮助，有着广阔的研究前景。