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医工结合,智造领路!学院张建华教授团队首创脊髓电极植入机器人

人民健康是民族昌盛和国家强盛的重要标志。党的二十大对新时代新征程上加快推进健康中国建设作出了新的战略部署、赋予了新的任务使命,提出“把保障人民健康放在优先发展的战略位置”。不同于建立在化学、生物等基础学科之上的传统医学,当前世界先进医学融合了机器人、大数据、新材料等先进制造技术,正在加速推进医学工程进入“智能医学”时代。健康中国战略的深入实施,催生了超大规模、多层次且快速升级的先进医疗装备需求。其中最直观、最具代表性的,是机器人在医疗领域的多场景应用。

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脊髓电极植入机器人动物实验

近日,由天游线路检测张建华教授团队、北京天坛医院何江弘主任团队联合完成的首例机器人辅助脊髓电极植入动物实验在北京取得成功。此次实验证明团队研制的首款真正仿人双臂介入机器人可以完成脊髓电极植入手术流程,医生未受X射线辐射,手术效果良好,无不良事件,机器人辅助的脊髓电极植入手术优势显著,填补了国内脊髓电极植入机器人技术应用的空白!

张建华教授团队长期专注于研究国内外机器人领域的学术前沿,持续开展医疗康复机器人研究,致力以机器人技术服务医疗手术、康复养老等领域需求。

▍什么是介入手术?介入机器人能解决什么问题?

简单来说,介入手术优势显著,适应症广泛,介入机器人系手术机器人热点领域。具体来说,介入手术是一种微创技术,它通过在影像(DSA等)导引下,利用小到像针眼大小的穿刺来将治疗器械或药物送入病变组织,从而进行物理、机械或化学治疗。这种技术被广泛应用于各种手术,如心脏、神经、外周血管介入,肿瘤介入治疗,门脉高压症血管内介入,非肿瘤性病变和周围血管病变的血管内介入,急诊出血动脉内栓塞,非血管内介入等。

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然而,介入手术需要医生在X射线下操作,他们需要穿着重达15公斤左右的防护服进行手术。这不仅使医生仍然面临辐射风险,还使他们长期处于负重站立的状态,容易导致颈部和腰部的疾病,下肢静脉曲张等。此外,连续的手术操作也可能导致医生快速疲劳,影响手术效果和安全性。

为了解决这些问题,许多医疗制造商和研究机构开发了介入机器人。通过使用这些机器人,医生可以被物理隔离开X射线,并且可以通过机器人进行精准的定位和操作,从而提高手术的精度和安全性。目前,这些介入机器人主要用于心脏、神经和外周血管介入手术。

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介入手术优势及应用领域

▍为何要用机器人进行脊髓电极植入术?

谈到脊髓电极植入,首先要介绍一个概念:脊髓电刺激术。这是一种具有重要临床意义的治疗方法,广泛适用于慢性疼痛治疗、意识障碍促醒、运动障碍康复三大领域。

在我国,慢性疼痛已经成为了一个普遍问题,影响了超过3亿的人口,而且每年还有1000-2000万的新增患者。更严重的是,我国还有超过100万的意识障碍患者,每年治疗这些患者的费用达到了惊人的300-500亿元,这无疑给患者的家庭和整个社会带来了巨大的负担,而脊髓电刺激术对于缓解这些问题具有巨大的潜力。

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脊髓电极植入手术示意图

再来说脊髓电极植入术,这是一项需要在脊柱内腔与硬膜外腔之间放置电刺激的手术,间断的电刺激用于进行治疗。

医生在X射线影像引导下进行操作(如下图),需要灵活地将柔性电极穿越椎骨缝隙,精准地抵达狭小的硬膜外腔,以及克服腔内多种组织的约束,长途抵达第二颈骨。

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医生在X射线下进行脊髓电极植入术

整个手术区域紧邻脊髓神经,因此该类手术属于典型的“害、危、盲、难”手术:吃线极大危“害”医生身体健康;高敏感术区加剧手术“危”险性;三维影像缺乏的半“盲”方式下操作;手术“难”度极高。

所以,此类手术亟需借助机器人的精准定位、敏锐感知和精确操作的优势,突破上述瓶颈。当前,全球范围内还没有出现脊髓电极植入机器人产品或相关的研究报道。

▍首款仿人双臂介入机器人如何将电极植入脊髓?

针对前文提到的脊髓电极植入手术临床痛点,张建华教授团队研发了首款仿人双臂手协同的脊髓电极植入机器人系统(如下图)。

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对于在狭窄且深长的脊柱腔隙内,同时操作超长径比的电极导管和导丝的操作难题,张建华教授团队通过医生手术操作机制探究与仿生,提出了一种基于多臂手柔性协同的高灵活电极植入机器人架构。他们建立了一套多臂手系统的术前便捷摆位和术中安全协同控制算法,实现了电极导管和导丝的大行程高精度协同操作。同时,他们还设计了基于仿生微纳混合微观结构的柔性电极导管夹持界面,研制了驱动前置的柔性电极回转夹持连续推捻操作手,实现了电极导管无损夹持与连续推捻递送。

针对主从操作下手术力感知与反馈问题,团队建立了基于光纤光栅的柔性电极交互力传感方法,研制了仿医生推捻手感的力反馈主手,实现了柔性微小手术力高灵敏监测与高临场感再现。

此外,团队建立了基于医生手法学习的手术路径智能规划算法、推捻耦合的柔性管丝精准安全驱动策略,旨在实现医生“手、触、眼、脑”功能拓展增强,从根本上提高脊髓电极植入手术的效果和安全性。

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医工结合,智造领路。医疗机器人在介入医学中的应用既能缓解学习曲线过长的问题,也能做到手术更精准化和标准化操作,拥有较大临床应用空间,发展潜力巨大,是医工融合的典型应用,实现了理工科研究优势与医科临床需求的完美结合,也将让更多人享受到机器人技术带给生活的美好改变。

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