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骨科機器人“天璣”出世 技藝超人堪比AlphoGo

02-11,財經骨科機器人“天璣”出世 技藝超人堪比AlphoGo最新消息報導,口袋科技網(http://www.fbajfi.live)財經

  第三代國產骨科手術機器人“天璣”,是產學研醫長期合作的成果。(資料圖)

  全年4萬5千臺!這一數字將北京積水潭醫院送上全世界單個醫院骨科手術量最大的位置。

  “自有骨科手術開始,如何看到深層內部結構并準確操作、同時還不傷到其他組織,就是最大的難題。”中華醫學會骨科學分會主任委員、北京積水潭醫院院長田偉說。

  2016年12月18日,中華醫學會第十八屆骨科學術會議暨第十一屆COA國際學術大會上,田偉站在天智航公司展臺前,為到訪的國外同行和圍觀群眾演示起骨科手術的“新式武器”。

  這臺名為“天璣”的第三代國產骨科手術機器人,是世界上唯一一個能夠開展四肢、骨盆骨折以及脊柱全節段(頸椎、胸椎、腰椎、骶椎)手術的骨科機器人系統。

  為“天璣”這一刻的亮相,北京積水潭醫院、北京航空航天大學、天智航公司與中科院深圳先進技術研究院,已經醞釀了15年。

  第十一屆COA國際學術大會上,田偉向外國專家介紹首次亮相的“天璣”。梁亞軍/攝

  直擊難題

  “不同于表面軟組織,骨科的手術更像是在一個堅硬的暗箱內操作,所以需要深層三維空間的精確定位。”田偉總結了骨科手術的三大難題:看不見、打不準、拿不穩。

  看不見——人眼無法看到內部結構;打不準——打螺釘時,人手的穩定性和操作精度不夠;拿不穩——很多因素都會影響醫生的穩定發揮。

  X光射線的使用,可以讓醫生在手術中通過透視看到骨頭,但缺少立體空間定位,還有讓醫生患上放射病的隱患;以達芬奇為代表的醫療機器人,擅長縫合與剝離、但看不見深部組織,骨科手術用不上。

  能有一雙可以透視的眼睛看清人體內部結構、能有一條穩定的操作路徑保證手術質量,是骨科醫生的需求和痛點。

  在北京航空航天大學教授、北京智慧制造研究院院長王田苗看來,這種痛點來自于醫生在傳統臨床手術中遇到的問題,而用新技術和新設備解決痛點,正是創新的意義所在。

  2002年,王田苗團隊開始與積水潭醫院與一起,研究適用于創傷骨科的手術機器人。他試圖站在醫生的角度解決兩個問題:其一,病人定位精度怎么解決?其二,有沒有可能減少對病人和醫生的X光輻射?雙平面機器人的設計、手術操作流程的優化和遠距離控制,逐一解決了這些問題。

  為將實驗室與臨床的研究成果向市場轉化,天智航公司于2005年成立。

  “十多年前,產學研醫可沒有現在那么時髦,實驗室的產品很多、醫生的想法很多,但真正把實驗室技術與一線需求結合起來形成有實用價值的科技成果,則少之又少。”北京天智航醫療科技股份有限公司董事、副總經理王彬彬說,這家為了骨科手術機器人成果轉化而成立的公司,目的只有一個:把醫生的思路、需求和技術端相結合,最終積淀在產品上。

  2009年3月,第一代骨科手術機器人問世,但因為操作繁瑣、適應癥少、臨床作用有限,難以得到一線醫生的青睞。

  2012年,天智航公司推出第二代骨科手術機器人,適應癥范圍從長骨擴展到骨盆,但依然做不了難度更高的脊柱手術。

  路向何方?

  假如骨科手術機器人的適應癥范圍沒有大幅拓展,將很難做到領先國際。市場上的手術機器人都面臨同一個問題:視野。沒有眼睛的骨科手術機器人,下一步該往哪里走?

  幾乎和創傷骨科機器人的研究同步,2002年,北京積水潭醫院在國內率先引進計算機導航輔助手術技術。以脊柱外科為代表的科室,一直在試圖解決手術中“眼”的問題。

  “病人為什么愛找老大夫?因為經驗和教訓讓他們成長。”北京積水潭醫院脊柱外科副主任劉亞軍說,骨科手術最擔心做癱了,其實就是怕螺釘打到神經上、血管上,不同年代的骨科大夫都在通過不同的方法來提高手術精度、降低手術風險。

  在北京積水潭醫院,隨著導航輔助手術例數的增長,越來越多的一線醫生和科室加入了使用導航開展手術的行列。經過多年的鉆研,導航的臨床精度縮小至1毫米,已經能夠滿足頸胸椎等對精度要求極為苛刻的部位的手術條件,還帶來了三個好處:高危手術安全化、常規手術微創化、減少對醫生經驗的依賴。

  “我們已經有了可以透視的眼睛,就缺少一雙精準而不知疲倦的手。”劉亞軍笑言。

  導航,能讓釘子打“準”;機器人,能讓醫生手“穩”。作為脊柱外科的權威專家,田偉提出新方案:能否把導航和機器人的研究結合起來?用導航技術解決視野問題,用機器人系統解決操作問題。

  一個基于3D影像的骨科機器人構想就此成型,從2013年底開始,“手眼合一”的進程迅速向前推進。

  “以田偉為代表的脊柱外科大夫使用計算機輔助導航系統已經非常成熟,為了提高手術精度和操作方便,他們大膽運用我們在機器人方面的研究,并給出了體系結構、流程標準和定位方法。”王田苗說。

  劉亞軍說,上脊椎是最復雜、難度最高的手術之一。陳瑩瑩/攝

  “天璣”出世

  2015年8月12日,世界上第一例復雜上頸椎畸形機器人輔助內固定手術在北京積水潭醫院進行,主刀醫生田偉。

  上頸椎,是世界上公認最難、最危險的手術部位。手術中很容易把釘子打神經上或大血管里:椎動脈堵,會引發腦梗;椎動脈破,會大出血;打到脊髓傷了神經,病人會立馬癱瘓。

  這名43歲的男性患者,嚴重寰樞椎先天畸形合并顱底凹陷,已經被多家醫院拒之門外。通過CT掃描圖像找螺釘通道,醫生發現右側完全無路可走,只有左側有一條緊挨大動脈和脊髓、僅剩4毫米寬的釘道。

  這例手術的精度需求,完全超越了人的能力。

  手術現場,C型臂對全麻的患者進行三維影像掃描,圖像被同步傳輸至骨科手術機器人系統。田偉在導航系統屏幕上設計好釘道,機器人的機械臂將手術工具精確定位到手術位置,套筒指向目的釘道的進釘點。田偉沿著套筒鉆入導針,插入患者身體內部,確認位置無誤后,再把一枚直徑4毫米的空心螺釘套進導針固定、拔出導針。之后,他對患者進行再次掃描,確認螺釘位置與規劃的一致。

  60分鐘的手術圓滿結束,田偉在這場手術基礎上寫成的論文,發表在脊柱外科最權威的《Spine》雜志上。

  “醫療領域很難有世界領先的技術出現,而國產骨科機器人就實現了這樣的突破。”親歷整場手術的劉亞軍激動不已,“確實能幫到大夫,確實臨床非常需要”,他用兩個“確實”形容最新一代的骨科手術機器人產品。

  5個月后,劉亞軍在門診接待了一位樞椎(頸椎第二截)骨折的小伙子。按照傳統手術的方式,需要從病人后背切一個至少15厘米的大口子、打一根特別斜的釘子,由于靠近豐富的靜脈沖和大血管,引發大出血的概率極高,醫生往往選擇放棄手術,給病人按一個外固定架回家養。

  這次,劉亞軍選擇了手術機器人。他在三維場景中設計好釘道,用一個1厘米切口的微創手術搞定一切。將病人術后圖像與設計的釘道做比對,他發現誤差小于1毫米。“毫厘不差”,真正成為現實。

  “作為醫生,我或許能把每一發子彈都打到靶子上,但不能保證每一次都正中靶心,機器人的使用能讓手術更完美。”劉亞軍說。

  2016年年底,在拿到醫療機器人Ⅲ類器械注冊證兩天后,第三代骨科手術機器人“天璣”Tirobot閃亮登場第十一屆COA國際學術大會。同年,基于骨科手術機器人的骨科精準治療解決方案研究獲得“數字診療裝備研發”國家重點研發計劃支持。

  田偉正在使用骨科手術機器人輔助進行脊柱手術。(資料圖)

  初心不忘

  去年10月,在北京召開的世界機器人大會的醫用機器人關鍵技術與臨床應用論壇上,王田苗見到了自己在意大利的指導教授Paolo Dario。25年前,他正是在后者的指導下開始接觸醫用機器人;當天,他做了題為“醫用機器人創新創業關鍵要素”的演講。

  長期堅持產學研醫多方合作,被王田苗視為關鍵要素的重中之重。

  “從基本想法、形成模型到各種實驗,醫院和學校是創新的主力;但從系統到樣機、產品、拿到許可證和臨床推廣,則需要以醫院和企業為主、學校為輔。”王田苗說,要在這一領域做出成績,需要高校建立醫工交叉合作的機制、需要國家長期的經費支持、需要社會金融生態環境的保證。

  在王田苗看來,精度高、不受環境影響、可以記憶和比對手術方案的機器人,將發揮越來越重要的作用。但它只是作為工具提供參考意見,根據情況作出判斷、決定手術方案和穿刺軌跡的醫生,仍將起決定性作用。

  田偉則強調,醫療領域的創新需要以臨床醫生為主導,從一開始就得多方合作,想法來自臨床、研究單位將其變為現實、企業參與進來將研究轉化成產品和商品。

  “以臨床為中心,結合研究單位與企業,創新才能向前推進與轉化,不再停留在實驗室里或者論文中,而是真正轉化成生產力。”田偉說。

  探索一個未知的領域,抵達前人不曾實現的高度,難免會有爭議。有人質疑:到底算人還是機器人在做手術?

  “AlphoGo出現后,也有人感慨不用學圍棋了,我覺得不是。”田偉說。

  他解釋,成為一流棋手需要戰略思維和精算能力兩大關鍵能力,和骨科醫生一樣,最重要的是手術設計、決定成敗的是三維空間的定位能力。AlphoGo或許每一步棋都沒有太大的驚喜,但勝在記憶和精算、勝在不出錯,可骨科醫生最怕的就是出錯。機器人的使用,可以一絲不茍地執行醫生設計的方案,補充人類能力的不足,而人們可以運用智慧去做更擅長的事。

  “無論是圍棋還是骨科手術,都可以借助機器人這一工具探索更高的境界。未來,對弈時可以讓每個棋手帶一個AlphoGo,再來較量。”田偉笑著說。(中國經濟網記者 陳瑩瑩)

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