1.研究背景

腫瘤診療背景：根據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)顯示：2020年全球主要癌癥死亡人數(shù)達(dá)到 995萬(wàn)，其中肺癌是發(fā)病率和死亡率均占所有惡性腫瘤的第一位，其全球死亡人數(shù)達(dá)到了179萬(wàn)，肺癌已成為嚴(yán)重威脅中國(guó)人群健康的疾病，新增確診和死亡人數(shù)在各類(lèi)惡性腫瘤中最高。

多因素推動(dòng)經(jīng)皮穿刺手術(shù)診療技術(shù)的發(fā)展：精準(zhǔn)化手術(shù)需求、個(gè)性化手術(shù)難度、規(guī)范化診療需求、大范圍臨床應(yīng)用等多因素推動(dòng)經(jīng)皮穿刺手術(shù)診療技術(shù)的發(fā)展。

 肺小結(jié)節(jié)精準(zhǔn)穿刺手術(shù)機(jī)器人：提升我國(guó)癌癥尤其是肺癌的診治水平刻不容緩，早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療是最有效的手段，人工智能與機(jī)器人技術(shù)為肺小結(jié)節(jié)精準(zhǔn)穿刺提供有效解決方案。

傳統(tǒng)徒手術(shù)式制約經(jīng)皮穿刺診療廣泛應(yīng)用：存在徒手穿刺精度低、耗時(shí)長(zhǎng)，高輻射、穿刺并發(fā)癥常見(jiàn)等問(wèn)題。

2.關(guān)鍵技術(shù)

從穿刺診療的理論與技術(shù)研究的角度可以分為以下幾個(gè)方面：

①醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)

對(duì)目標(biāo)臟器進(jìn)行分割、解剖結(jié)構(gòu)三維重建、精準(zhǔn)定位結(jié)節(jié)、精確建模肺實(shí)體、精細(xì)分割重要組織器官，以CT影像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行病灶提取、重要組織結(jié)構(gòu)自動(dòng)三維重建。

圖像分割與重建

基于醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，對(duì)目標(biāo)組織進(jìn)行圖像分割，并進(jìn)行精準(zhǔn)重建，根據(jù)數(shù)據(jù)維度，可分為2D、3D、4D。圖像分割與重建存在三維醫(yī)學(xué)影像分割標(biāo)注數(shù)據(jù)少、標(biāo)注誤差大，影響分割和重建精度等難點(diǎn)?；贏tlas解剖先驗(yàn)與深度渲染的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)增強(qiáng)增廣方法，增大訓(xùn)練數(shù)據(jù)規(guī)模、基于深度先驗(yàn)與解耦循環(huán)教師網(wǎng)絡(luò)的半監(jiān)督醫(yī)學(xué)影像分割方法可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量影像三維重建。

②術(shù)區(qū)多源信息感知技術(shù)

穿刺針力感知

將穿刺針的重要狀態(tài)信息提供給機(jī)器人控制系統(tǒng)；

力傳感器，在較深時(shí)針管與針尖的耦合受力如何建立有效的穿刺受力評(píng)價(jià)方法；

基于光纖傳感器,如何兼顧核磁兼容、小體積、溫度靈敏度、穩(wěn)定性等多種條件。

穿刺針形狀感知

利用形狀傳感器，穿刺針會(huì)更加智能，有感知能力，這屬于前沿研究階段，從技術(shù)上、理論上都可以實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)穿刺針用到患者臨床上時(shí)，還需要解決消毒、生物相容性、滅菌等問(wèn)題，這一系列問(wèn)題需要很多政策監(jiān)管，包括材料等進(jìn)一步工程化的研究。

呼吸運(yùn)動(dòng)信息感知

術(shù)中實(shí)時(shí)的呼吸運(yùn)動(dòng)采集和術(shù)前的狀態(tài)如何能匹配？采集到術(shù)中實(shí)時(shí)的信息與狀態(tài)和術(shù)前的呼吸狀態(tài)匹配，這個(gè)數(shù)據(jù)才有意義。

③路徑規(guī)劃技術(shù)

穿刺路徑規(guī)劃：在穿刺針對(duì)軟組織的靶向穿刺過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到組織內(nèi)生理結(jié)構(gòu)（如骨骼、重要血管、神經(jīng)等）的阻礙，因此需要尋找更為復(fù)雜的曲線(xiàn)路徑以避開(kāi)障礙。機(jī)器人可以提供幾條經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后的路徑，使在術(shù)中能夠順利進(jìn)行穿刺。

④術(shù)中實(shí)時(shí)導(dǎo)航技術(shù)

醫(yī)療機(jī)器人不可避免要解決術(shù)中導(dǎo)航問(wèn)題，其中包括三點(diǎn)：術(shù)前導(dǎo)入的影像形成三維模型；三維模型、患者的實(shí)際體位、手術(shù)器械統(tǒng)一在同一個(gè)坐標(biāo)系下；實(shí)時(shí)采集手術(shù)器械的位置并顯示。

在這個(gè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，疊加呼吸運(yùn)動(dòng)跟蹤，利用空間位置傳感器來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)區(qū)域（也即手術(shù)區(qū)域）范圍內(nèi)手術(shù)器械以及病灶的空間位置，并依賴(lài)算法將兩者的空間位置歸入同一個(gè)三維坐標(biāo)系中。

⑤空間配準(zhǔn)技術(shù)

這是是整個(gè)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中至關(guān)重要的部分，保證實(shí)際的手術(shù)器械能夠精確到達(dá)設(shè)定的病灶部位。圖像配準(zhǔn)融合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同圖像中的信息互補(bǔ)的效果，分為不同維度、不同模態(tài)等?；谀B(tài)遷移與深度形狀先驗(yàn)的多模態(tài)影像非剛性配準(zhǔn)能夠得到非常精確的配準(zhǔn)信息。

⑥人機(jī)交互

整個(gè)機(jī)器人進(jìn)入到手術(shù)以后，如何和醫(yī)生、患者之間建立關(guān)系，一個(gè)比較簡(jiǎn)單的就是主從交互控制技術(shù)。目前價(jià)值最高的腔鏡機(jī)器人達(dá)芬奇就是主從交互，這種主從交互操控方式也被延伸到基于5G通信的遠(yuǎn)程操作。

實(shí)際上，術(shù)中還有更多的交互方式，包括操作意圖識(shí)別，對(duì)于患者和機(jī)器人的交互感知等。

3.未來(lái)展望

醫(yī)療機(jī)器人是現(xiàn)在很熱的一個(gè)賽點(diǎn)，它的難題在于它的價(jià)值回歸還沒(méi)有達(dá)到人們的期望。腹腔鏡、耳鼻喉，骨科，穿刺，氣管等各種各樣的機(jī)器人幾十種，大家都覺(jué)得高價(jià)值、高技術(shù)門(mén)檻、高利潤(rùn)空間，但是現(xiàn)在在市場(chǎng)端還沒(méi)有得到有效的反饋。

醫(yī)療機(jī)器人賽道充滿(mǎn)希望，但也存在價(jià)格貴、體量大、解決不夠全面等具體問(wèn)題。未來(lái)，醫(yī)療機(jī)器人應(yīng)具有更高的安全性、更低的價(jià)格與更好的兼容性，這是大面積推廣應(yīng)用不可避免的問(wèn)題。

在技術(shù)層面上，未來(lái)，新型傳動(dòng)、AR/VR手術(shù) 、半自主手術(shù)、視觸反饋技術(shù)、多新型感知、智能人機(jī)交互、遠(yuǎn)程手術(shù)技術(shù)等會(huì)在醫(yī)療機(jī)器人上會(huì)得到很好的發(fā)展。