在迪斯尼的動畫電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》里講述了一位小朋友和機(jī)器人健康助手大白(Baymax)的故事。大白的在片中的使命就是關(guān)心他人，作為一個(gè)專業(yè)的健康顧問，只需一次簡單快速的掃描，大白就能檢測出生命指數(shù)，并且根據(jù)疼痛程度治療疾病。大白還可不斷學(xué)習(xí)，升級疾病庫，完善自身系統(tǒng)。實(shí)際上，大白遠(yuǎn)不僅僅是純粹的虛構(gòu)角色，大白的形象和功能設(shè)定參考了卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院等頂級研究機(jī)構(gòu)對下一代機(jī)器人的趨勢看法，是人們對未來醫(yī)療機(jī)器人具體形態(tài)的科學(xué)設(shè)想。
機(jī)器智能時(shí)代已經(jīng)來臨，智慧醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用也越來越普遍。智慧醫(yī)療機(jī)器人是傳感器、自動化、人工智能等多種技術(shù)相結(jié)合形成的智能體，在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用主要涵蓋了醫(yī)療手術(shù)、康復(fù)運(yùn)動、醫(yī)療后勤、醫(yī)護(hù)輔助四大場景，在高精度微創(chuàng)手術(shù)、康復(fù)訓(xùn)練、病房消毒、醫(yī)療物資運(yùn)送、院前導(dǎo)診、藥房抓藥等多方面都發(fā)揮著作用，在現(xiàn)代化的醫(yī)院當(dāng)中，智慧醫(yī)療機(jī)器人正發(fā)揮著越來越不可忽視的作用。智慧醫(yī)療機(jī)器人核心技術(shù)架構(gòu)手術(shù)機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人是智慧醫(yī)療機(jī)器人最重要的兩種產(chǎn)品形態(tài)，由于其功能上的不可或缺性，受到智慧醫(yī)療機(jī)器人廠商和醫(yī)療機(jī)構(gòu)的最廣泛關(guān)注。國外的智慧醫(yī)療機(jī)器人廠商由于起步較早，具備一定的技術(shù)優(yōu)勢，占據(jù)了較多的高端市場份額，但國內(nèi)的智慧醫(yī)療機(jī)器人廠商也在迎頭趕上，不斷加大技術(shù)和市場投入，并在導(dǎo)診機(jī)器人、后勤機(jī)器人等一些特色產(chǎn)品領(lǐng)域占據(jù)了一定的市場，此外，政策上的扶持也給國內(nèi)智慧醫(yī)療機(jī)器人廠商帶來了更多市場機(jī)會和競爭優(yōu)勢。智慧醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展也存在諸多挑戰(zhàn)。高精度手術(shù)機(jī)器人依舊存在故障風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可危及到患者的生命安全，如最知名的達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，就存在操作臺抓手無“力反饋”、術(shù)后患者手術(shù)車無法移動、手術(shù)過程中儀器突然顯示黑屏等潛在風(fēng)險(xiǎn)。在人機(jī)交互方面，目前的語音交互技術(shù)尚不完全成熟，無法100%識別對話者意圖，當(dāng)應(yīng)用于智慧醫(yī)療機(jī)器人時(shí)，面對復(fù)雜的醫(yī)療場景，就更難達(dá)到理想效果。技術(shù)進(jìn)步是驅(qū)動智慧醫(yī)療機(jī)器人發(fā)展的最核心因素。人工智能技術(shù)在處理計(jì)算機(jī)視覺、自然語言處理、語音識別等技術(shù)任務(wù)方面存在天然優(yōu)勢，能夠大大增強(qiáng)智慧醫(yī)療機(jī)器人的交互能力，傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，則提高了智慧醫(yī)療機(jī)器人的精細(xì)化感知能力。醫(yī)療場景多樣復(fù)雜，對機(jī)器人的運(yùn)行要求也較為嚴(yán)格，智慧醫(yī)療機(jī)器人作為結(jié)合多類高精尖技術(shù)的綜合體，需要工業(yè)界、AI技術(shù)商、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等多方共同協(xié)作，才能開發(fā)出滿足實(shí)際醫(yī)療場景需求的機(jī)器人產(chǎn)品。機(jī)器之心希望通過本報(bào)告《機(jī)器智能時(shí)代下醫(yī)療機(jī)器人的新變革——醫(yī)療行業(yè)中智慧醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望》，幫助醫(yī)療機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)企業(yè)管理者及技術(shù)研發(fā)人員、機(jī)器人零部件及材料供應(yīng)商、醫(yī)護(hù)人員、醫(yī)療機(jī)構(gòu)管理人員系統(tǒng)性了解智慧醫(yī)療機(jī)器人的發(fā)展近況，為關(guān)注醫(yī)療行業(yè)智能化升級的從業(yè)者全面展示智慧醫(yī)療機(jī)器人的應(yīng)用全貌，并提供詳實(shí)的案例參考。
4.1 醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人代表產(chǎn)品及應(yīng)用案例MAKO關(guān)節(jié)外科骨科機(jī)器人Stryker公司的MAKO關(guān)節(jié)外科骨科機(jī)器人在2015年8月獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)核準(zhǔn)，是一款半主動型手術(shù)機(jī)器人，可用于單髁、全膝及全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)。它通過術(shù)前CT掃描設(shè)計(jì)手術(shù)計(jì)劃，術(shù)中依據(jù)個(gè)體化模型實(shí)時(shí)校正，在觸覺反饋系統(tǒng)下防止過度操作。2015-2017年間，Mako機(jī)器人在美國、英國、澳洲與德國65家醫(yī)院使用，共進(jìn)行超過1400次手術(shù)。臨床數(shù)據(jù)表明，在2年內(nèi)使用Mako部分膝關(guān)節(jié)置換的翻修率僅有0.5%，采非Mako手術(shù)則為3.5%，代表臨床質(zhì)量獲得大幅提升。另外，前者30天并發(fā)癥率也降低36%，使用Mako手術(shù)者，在90天內(nèi)并發(fā)癥比率與再入院成本也比非Mako手術(shù)低66%。SpineAssist脊柱外科手術(shù)機(jī)器人SpineAssist機(jī)器人系統(tǒng)是由以色列公司開發(fā)用來進(jìn)行脊椎手術(shù)的小型機(jī)器人，是目前用于脊柱手術(shù)臨床使用較成熟的機(jī)器人系統(tǒng)。SpineAssist機(jī)器人系統(tǒng)的原理是首先將患者的脊柱CT資料輸入機(jī)器人軟件，軟件將CT資料轉(zhuǎn)換為3D影像，術(shù)者通過影像選擇合適手術(shù)部位、介入方式及置入物尺寸，來形成術(shù)前手術(shù)方案，然后將機(jī)器人固定在患者脊柱上，機(jī)器人到達(dá)方案中手術(shù)介入點(diǎn)修復(fù)誤差，開始螺釘置入的手術(shù)過程。該機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)適用于脊柱手術(shù)過程中螺釘置入固定。一項(xiàng)基于2005年6月至2009年6月期間在美國，德國和以色列的14家醫(yī)院進(jìn)行的840多例病例的臨床實(shí)驗(yàn)表明，SpineAssist在脊柱手術(shù)中98％的種植體位置具有臨床準(zhǔn)確性。相比之下，文獻(xiàn)中記錄的手動植入物在大約10％的病例中放置是錯(cuò)位的，研究表明，與自由手術(shù)相比，SpineAssist有助于顯著降低錯(cuò)位螺釘和神經(jīng)功能缺損的發(fā)生率。4.2 康復(fù)運(yùn)動機(jī)器人代表產(chǎn)品及應(yīng)用案例2007年，美國國防部的高級計(jì)劃研究機(jī)構(gòu)(DARPA)為幫助因?yàn)閼?zhàn)爭而截肢的軍人更好的回歸日常生活，花巨資資助啟動以研發(fā)新一代的假肢為目的的“Evolutionizing-Prosthetics”研究課題。2014年，DAPRA的研究員研制出全新一代LUKE仿生假肢，LUKE可以一次處理多個(gè)指令，這使它能盡可能的自然運(yùn)動。DARPA宣稱，LUKE假肢能辨別10種不同肌電信號指令，并且可以完成十分靈巧的手臂和手部動作，同時(shí)還配置了握力反饋。根據(jù)對其的早期測試，LUKE已經(jīng)可以相當(dāng)靈活的完成日常生活非常精細(xì)的動作，如梳頭、開鎖等。在獲得FDA批準(zhǔn)生產(chǎn)后，DARPA宣布向沃爾特·里德國家醫(yī)療中心(WRNMMC)提供該種假肢。接下來，它將跟其他來自同一產(chǎn)品線的假肢一同為退伍軍人服務(wù)。WRNMMC將選出符合規(guī)定的退伍軍人，而制造LUKE的MobiusBionics公司將在醫(yī)院展開假肢操作培訓(xùn)。Fourier M2上肢康復(fù)機(jī)器人Fourier M2是傅利葉智能自主開發(fā)的新一代上肢康復(fù)機(jī)器人，匯集多種功能訓(xùn)練模式，可實(shí)現(xiàn)多樣化的任務(wù)導(dǎo)向訓(xùn)練，將運(yùn)動控制訓(xùn)練和認(rèn)知訓(xùn)練相結(jié)合，肌力訓(xùn)練和關(guān)節(jié)活動度訓(xùn)練結(jié)合的訓(xùn)練方式。在實(shí)際應(yīng)用場景中，上肢康復(fù)機(jī)器人通過力反饋技術(shù)，可以模擬治療師的手感，像治療師的手一樣，牽引中風(fēng)、腦癱、上肢功能障礙等患者的上肢進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。機(jī)器人還可以判斷每個(gè)動作是否標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)患者的反饋實(shí)時(shí)智能進(jìn)行調(diào)整，不斷根據(jù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)庫，給予最優(yōu)的方案。設(shè)備的多個(gè)方位上都內(nèi)置了各類高精度傳感器，讓整個(gè)訓(xùn)練過程做到有量可循，即每一次訓(xùn)練后系統(tǒng)會自動生成圖文并茂的報(bào)表，幫助康復(fù)治療師為患者制定個(gè)性化的康復(fù)訓(xùn)練方案。Fourier M2是中國首個(gè)批量出口歐美的康復(fù)機(jī)器人，可用于醫(yī)院康復(fù)科、社區(qū)康復(fù)中心、養(yǎng)老服務(wù)機(jī)構(gòu)等。4.3 醫(yī)療后勤機(jī)器人代表產(chǎn)品及應(yīng)用案例鈦米自動配送機(jī)器人系統(tǒng)主要用于手術(shù)室、靜配中心、檢驗(yàn)科、住院藥房、中心供應(yīng)室等醫(yī)療場景與病區(qū)之間的大批量物資配送，可實(shí)現(xiàn)院內(nèi)重點(diǎn)科室全覆蓋。鈦米自動配送機(jī)器人可自主路徑規(guī)劃、自動導(dǎo)航與靈敏避障，自主通過自動門與上下電梯，可實(shí)現(xiàn)多臺機(jī)器人同時(shí)配送不間斷。鈦米自動配送機(jī)器人通過身份識別與權(quán)限管理，保障物資配送與使用的安全性，打造智慧化物資配送與管控的閉環(huán)管理。鈦米自動配送機(jī)器人系列已在全國超百家醫(yī)院落地使用，包括鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院、武漢協(xié)和醫(yī)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院等。在仁濟(jì)醫(yī)院中，自2017年9月到2018年8月，鈦米機(jī)器人配送平均每天33趟，全年累計(jì)代替巡回護(hù)士走了7320公里，約1830萬步，減少護(hù)士取耗材時(shí)間約610小時(shí)，不僅減少了巡回護(hù)士工作量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了二級庫房醫(yī)療物資尤其是高值耗材的入庫、申領(lǐng)、出庫、配送等全程管理。醫(yī)療設(shè)備制造商Xenex消毒服務(wù)公司生產(chǎn)的消毒機(jī)器人可以有效利用脈沖氙紫外線技術(shù)，凈化手術(shù)室，消滅隱藏于醫(yī)療設(shè)備中的可能造成醫(yī)院獲得性感染的微生物。Xenex的除菌機(jī)器人所使用的脈沖氙氣是一種環(huán)境友好型的惰性氣體，可以創(chuàng)建全光譜，通過高強(qiáng)度紫外線燈，不到五分鐘就能夠快速消滅感染性細(xì)菌。不同于由汞燈泡產(chǎn)生的窄光譜UV光，脈沖氙UV已經(jīng)經(jīng)過反復(fù)證明，可以降低了感染率并增強(qiáng)患者的安全性。根據(jù)已經(jīng)使用Xenex設(shè)備的醫(yī)院發(fā)布的研究結(jié)果表明，當(dāng)這些醫(yī)院使用Xenex的機(jī)器人為房間消毒時(shí)時(shí)，C.di?、MRSA、以及手術(shù)部位感染率可以下降50-100％。Xenex機(jī)器人根據(jù)醫(yī)院環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，便攜且易于使用，使用過程中不會中斷醫(yī)院日常工作。根據(jù)機(jī)器人的不同型號，每次消毒大約需要4-5分鐘。每天機(jī)器人大約可以為包括病房、手術(shù)室、設(shè)備室、急診室、重癥監(jiān)護(hù)室和公共區(qū)域等在內(nèi)的30-62個(gè)房間消毒。目前有包括美國，加拿大，歐洲，非洲和日本在內(nèi)的大約400家醫(yī)院、退伍軍人事務(wù)部和國防部設(shè)施正在使用Xenex機(jī)器人。這些機(jī)器人也可以用于護(hù)理設(shè)施，流動手術(shù)中心和長期急性護(hù)理設(shè)施的消毒。4.4 醫(yī)護(hù)輔助機(jī)器人代表產(chǎn)品及應(yīng)用案例衛(wèi)邦配液機(jī)器人WEINAS通過標(biāo)準(zhǔn)化的工具與流程，可以在幾分鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)西林瓶與安瓿瓶藥劑的混合配制。這一過程中，WEINAS可以完成“藥品檢測、針頭軟管排氣、西林瓶藥劑混合、安瓿瓶切割、藥液抽取、劑量檢測、輸液袋藥劑混合、針頭丟棄”等一連貫操作，能夠同時(shí)針對安瓿瓶、西林瓶進(jìn)行配液，WEINAS對安瓿瓶的切割失誤率為萬分之五，遠(yuǎn)超人工操作的精度。借助圖像識別技術(shù)，WEINAS能實(shí)現(xiàn)對安瓿瓶內(nèi)試劑的精準(zhǔn)抽取。衛(wèi)邦為配液機(jī)器人開發(fā)了一整套交互系統(tǒng)，關(guān)于減速器、搖液盤、馬達(dá)等重要零部件，衛(wèi)邦則選擇讓三菱、三洋、東芝等日本企業(yè)供貨。配液機(jī)器人目前成本較高，醫(yī)院采用醫(yī)院不夠積極，據(jù)相關(guān)人士測算，一臺400萬的配液機(jī)器人，一小時(shí)可以配12單，按照目前PIVAS（靜脈藥物配置中心）系統(tǒng)的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，一單最多也就15元，一小時(shí)的營收是180元。由于注射用藥物有一定的時(shí)效性要求，病房注射大部分集中在早晨，存在負(fù)荷峰谷問題，所以滿負(fù)荷工作估計(jì)也就是從早上7點(diǎn)到11點(diǎn)這四個(gè)小時(shí)，其他時(shí)間就要閑很多，滿打滿算一天1500元的效益，一年也只有45萬。9年才能達(dá)到400萬，而且這還不算工作損耗、維護(hù)和人工費(fèi)用。Handy1服務(wù)機(jī)器人第一代樣機(jī)由英國Mike Topping公司在1987年開始開發(fā)，用以完成身體部分功能障礙患者的日常護(hù)理，例如進(jìn)餐、飲水、刮胡須、刷牙等。Handy1具有通話功能，可以在操作過程中為護(hù)理人員及用戶提供有用的信息，同時(shí)有助于突破語言障礙。它配備了三種不同的托盤：吃喝托盤、洗臉托盤、化妝托盤。該機(jī)器人還能夠?qū)崿F(xiàn)在啟動后的自動比較，位置上的信息反饋并且做到實(shí)時(shí)糾正用戶在操作中的錯(cuò)誤，能夠?yàn)榛颊呋蜃o(hù)理人員提供語音幫助和提示。在Handy1的托盤部分裝有光掃描系統(tǒng)，它使用戶能夠從餐盤的任何部位選擇食物。一旦系統(tǒng)通電，餐盤中的食物就被分到若干格中，共有7束光線在餐盤的后面從左到右掃描。用戶只需等到光線掃到他想吃的食物的那一格的后面時(shí)，就可按下開關(guān)，啟動Handy1。機(jī)器人前進(jìn)到餐盤中所選中的部分，盛出一滿勺食物送到用戶的嘴里。用戶可按照自己希望的速度盛取食物，這一過程可重復(fù)進(jìn)行，直到盤子空了為止。機(jī)器人上的計(jì)算機(jī)始終跟蹤盤中被選中食物的地方，并自動控制掃描系統(tǒng)越過空了的地方。利用托盤上的第8束光線，用戶在吃飯時(shí)可以夠得到任何地方的飲料。4.5 其他類型機(jī)器人代表產(chǎn)品及應(yīng)用案例陸虎60雪炮消防車由德國施密茨公司生產(chǎn)，由軌道運(yùn)載車、一輛大功率履帶車和一門高壓雪炮組成。主要用于隧道、地鐵、地下空間、大型化工企業(yè)等災(zāi)害事故現(xiàn)場的滅火救援，屬半智能化機(jī)器人，國內(nèi)僅天津、成都等地消防部門配備。該機(jī)器人通過大密度的水表面積使環(huán)境溫度迅速降低，具有驅(qū)散有毒有害煙霧、開拓災(zāi)害現(xiàn)場視野、改變煙道氣流方向等功能。該消防車長2.3米、高1.94米，自重1.89噸，陸地行駛時(shí)速6公里，軌道行駛時(shí)速40公里，爬坡能力30度，涉水深度7.5厘米，噴嘴流量400升/分鐘，噴射距離60米，送風(fēng)速度170公里/小時(shí)。“路虎60”背負(fù)的高壓雪炮內(nèi)有360個(gè)噴嘴，水流經(jīng)過噴嘴后霧化成水汽，再經(jīng)風(fēng)輪吹出，一次可噴射出大約10億個(gè)水珠。這樣的水霧不僅可以滅火和冷卻通道，還具備強(qiáng)大的排煙功能。水炮開始射水后，噴頭能立刻將水柱霧化，讓水霧對煙霧進(jìn)行有效稀釋，排煙量達(dá)9萬立方米/小時(shí)。國家納米科學(xué)中心DNA納米機(jī)器人國家納米科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)發(fā)展了基于超分子自組裝的DNA納米機(jī)器人，用于活體運(yùn)輸凝血酶進(jìn)行腫瘤治療。該工作利用DNA折紙術(shù)構(gòu)建智能化的分子機(jī)器，通過自組裝將凝血酶包裹在分子機(jī)器的內(nèi)部空腔，使其與外界底物隔絕而處于非活性狀態(tài)；分子機(jī)器兩端裝載有核酸適配體，提供靶向識別和定位功能；當(dāng)DNA納米機(jī)器人到達(dá)腫瘤血管時(shí)，納米機(jī)器上的開關(guān)識別特異標(biāo)志物而發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，使得開關(guān)從閉合狀態(tài)變?yōu)殚_啟狀態(tài)，整個(gè)納米機(jī)器由管狀結(jié)構(gòu)打開變?yōu)槠矫娼Y(jié)構(gòu)，暴露出內(nèi)部裝載的凝血酶進(jìn)而實(shí)現(xiàn)誘導(dǎo)栓塞的功能。這種智能化的DNA納米機(jī)器人有望為腫瘤血供阻斷治療策略提供一種高效低毒的藥物新劑型。以其強(qiáng)大的活體運(yùn)輸和響應(yīng)識別功能，作為智能化的給藥平臺，進(jìn)行多種藥物的聯(lián)合高效遞送。有望對傳統(tǒng)難以成藥的物質(zhì)（如毒素、蛇毒蛋白等）實(shí)現(xiàn)有效包載和智能遞送，進(jìn)而推動全新抗腫瘤藥物的開發(fā)，在納米藥物領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
