9463
2021年4月10日-12日，吴文俊人工智能科学技术奖十周年颁奖盛典暨2020中国人工智能产业年会在北京和苏州同期圆满成功举办。华南理工大学副教授、广东省生物医学工程学会副理事长杨荣骞受邀在苏州工业园区希尔顿酒店，2020中国人工智能产业年会—医疗人工智能与大健康专题论坛上发表主题报告《智能穿刺手术机器人技术研究》。
以下为演讲实录：
各位专家下午好，我是来自华南理工大学的杨荣骞，我主要是做智能手术机器人。我一直都是做医疗器械的，我做了十几年的医疗器械，拿到二类证、三类证的医疗器械差不多有10个左右。今天向大家汇报的是穿刺机器人，穿刺机器人目前也是比较热门的话题。
现在达芬奇大家都知道，国内的天智航也在2020年上市了，传统手术精度比较低，耗时比较长，特别是组织创伤比较大。现在都提倡精准医疗，其实精准手术就是精准医疗里面很重要的一块，外科如果有机器人能够辅助，那就可以高精度、耗时短、组织创伤也比较小。像手术机器人，现在发展前景还是很大的，现在跟我们谈合作的下游机器人厂家有100多家。现在能拿到证的很少，但是有很多想跟我们谈合作的机器人厂家，未来2-5年也会有陆陆续续几十家能达到注册证。
首先机器人也有一些难度，包括精度保证、呼吸运动补偿等等，它存在很多问题。这些面临着挑战，包括呼吸运动造成的目标偏移、刚性配准等技术问题。我们要怎么解决呼吸运动模拟、呼吸运动采集、机器人目标定位、模型设计及怎么在呼吸运动下做胸腹部的手术穿刺。做机器人首先要解决标定，确定机械臂、光学定位系统和手术器械等等之间的坐标关系，而且怎么实时确定在呼吸运动中的各方关系。
机器人主要有三个部分：眼睛、手臂、大脑（软件算法）。眼睛方面的光学定位系统，目前国内外主要是用NDI，我们也研究了国内唯一的光学定位系统。目前世界上也差不多就是这两个，所以我们这个也是国内唯一的产品。我们也做了手术导航系统用在神经外科等等，但我们做出这个产品自己不拿注册证，如果下游客户需要，我们可以给他拿注册证，这样我们就做最上游的，从而覆盖到下游的，现在覆盖几十家做手术机器人的公司。
这些是末端执行器和一些机构设计，我们在做呼吸运动跟踪的时候不可能天天做动物实验，而是做体膜，通过给热水袋打气模拟呼吸运动情况，大家可以看一下。这种是比较简单的模型，在过程中首先是怎么获取手术器械坐标关系，因此要先获取坐标关系，然后确定穿刺针的方向。这个是我们怎么过去的过程，我们也提出了一些算法和发表文章，这是把坐标关系进行标定。
因为我们用光线跟踪始终要对折标记点，所以我们在做控制算法的时候也要使得运动过程中不能让他站过来有任何的遮挡，所以我们把这些遮挡都变成限制性的条件，那么机器人可以实时判断目前各个标记点的空间位置关系，使得它们之间不会产生遮挡的问题，这是我们做的一些标定结果。像人的眼睛和手臂，在某种意义上它不确定精确的位置关系，当手臂在移动的时候只要眼睛跟踪就可以进行实时的调整，它就不需要事先知道两个之间的位置关系，而且这个精度不再由机械臂本身的精度决定，而是由光学定位系统决定，所以从这个角度我们再把同样的方法用到工业上，目前在工业上看这些领域，现在这些都是用国产的机械臂，它的精度跟国外ABB等机械臂没得比，但我们用光学跟踪再加上算法就可以把这些精度不足问题弥补。我们是先做医疗，然后再做工业，往工业上覆盖。
我们在做穿刺的之后，一个是要达到那个位置，其次是从哪个方向到达那个位置，主要是解决这两个问题。我们在做用卡尔曼滤波的时候一个是位置滤波，一个是角度滤波，主要是这两个方面。我们在做手术机器人的时候，因为在做胸腹部的呼吸运动，那它就要做的很精确，全自动的首先要设置安全点，机械臂以很快的速度达到离皮肤一个厘米左右的位置，在位置这个才慢慢接近皮肤，接近皮肤再开始往下走。这是做的路径规划软件，我们做的每个算法都做成软件，然后把软件给合作公司使用。我们每一个算法都要做到能在别人的产品里面使用。
左边是实际空间，右边是CT图像，它完全可以控制根据图像规划路径往下走，这是非常稳的，它有一个角度偏差和位置偏差，那么精度也能到现在0.3-0.4mm，这个还是比较精确的，至少比手工穿刺要精确很多。另外我们在做软组织穿刺的时候，因为射频消融针是有弹性的，那它在穿刺的时候皮肤偏差整个就会改变，不管上面的机械臂怎么控制，所以我们就要设置力反馈装置，实时的获取针头进入皮肤之后横向力及纵向力，收集各个方向的受力情况。在不需要穿刺的时候机器臂就应该跟着针一起运动，需要穿刺的时候只在穿刺部分受力，所以我们要对这些针的受力情况进行分析，并且有实时反馈和控制。
像现在在神经外科要开颅，到底开多大？这些医生心里有数，手术导航系统都是试探性的开，我们把肿瘤分割出来之后，我可以把肿瘤投影到头皮上，投影后就有一个轮廓，这样医生可以修改轮廓，在临床上还是比较实用的。我们先把肿瘤投影到头皮上，医生说要大一些，那可以大一些，比如一个肿瘤直径只有1厘米，那你不可能只开1厘米的洞，因为这不好做手术，所以需要更大一点。如果肿瘤很大，直径5厘米以上，那不一定需要开的那么大，它也可以开的小一点，所以医生也可以进行调整。
在肿瘤分割出来之后，它可以把它投影到头皮上，这样它就能够获得轮廓，这样轮廓就能获取了。当然医生在开颅的时候不会钻得这么弯弯曲曲，我们还可以对轮廓做一些修正，这里参数一调可以变的更圆或者怎么样，所以这个我们都做成软件，有的公司需要用的时候我们把整个每块给到他们。如果我们是在CT图像中，那我们都把手术规划做好了，接下来是什么呢？
医生先要把路径画到病人头上，当然画上去的时候又要用到手术导航系统，那我们再把两个轮廓都记录下来进行对比。如果他画偏了可以擦掉重新调整，这样真正做到了人机交互过程，现在美敦力等等也没有做的这么具体方便。大家看中间这个图，如果医生用手画的，那开颅就很大。如果使用我们的方法可以开的很小，而且又不影响到做手术，所以用途是很大的。
在开颅之后用脑电图进行脑功能区的分析，但脑功能区测出来之后到底肿瘤在下面哪个位置？这个时候又要靠医生想象，其实我们只要拍一张照片，再经过图像纹理和空间结构纹理进行匹配，那就可以把功能区匹配到这个上面，右边可以把每一个位点标到MR的图像中，这样医生可以很直观的看到肿瘤在什么地方、功能区是什么，最后整个过程医生就非常清楚了。
另外我们在开颅后，在很多情况下需要进行修复，修复的时候有时候用材料3D打印一个盖回去，但打印多大呢？我们一般在术前会打印一个大一点的，上面有几个标记点，在术中做好手术的时候，我这边用导航系统描绘出来，然后再映射到原来材料做的补片上面，再把多余的部分剪掉贴回去。我们做了一些动物实验，这个效果也很好，因为术中不能3D打印，3D打印很耗费时间，术中病人又躺在床上，那不可能用3D打印机器打印补片，这样就做到了个性化、方便的方法。
我们在参数方面做了类似运动的跟踪，我们用这个来模拟呼吸运动。最右边是模拟呼吸运动曲线，我们的方法是当CT扫描影像跟当前呼吸状态下的时刻，跟实际空间吻合的时候，那我就进行穿刺，如果不吻合怎么办呢？我就进行跟随的运动，我指的是穿刺针不受力。前面介绍了力反馈装置，通过那个装置做力跟随，这样针就在上面飘，需要穿刺当误差跟踪达到阈值底下的时候，那么它只是往那个方向受力，这样我们就比较好的解决了呼吸运动问题。这个机械臂在动的时候是跟着一起上下运动，所以整个过程可以跟着一起飘，所以是这样的过程。
我们做这些实验是在琼脂里面，然后把钢锥埋进去，然后穿刺针最好是插在钢锥上面，但实际上我们插了之后要扫CT，扫了之后再看就会有偏差，那我们就把这个偏差记成误差，这个误差实验在2毫米左右。这种比较大幅度的运动下能做到2毫米左右的误差也是很难的。
另外不同算法我们做了很多动物实验，我们经常做很多动物实验，所以算法不是停留在理论研究，我们会拿很多动物做实验，因为动物越大越反应在人身上的实际情况。你找个兔子，它本来就很小，那就做的很精确，这样到人身上就不行了。我们搞一个猪，它比较大，这样算法就做的很好了。
我们也给别人做种植牙的机器人，这种机器人今年三月份国内也有企业拿到了注册证。现在种植牙机器人也有很多公司在做，我们也给这些客户做各种各样的机器人，它需要什么我们就做什么，这是我们给客户做的种植牙机器人。
像这种脑出血的时候也是用导航做，我们的做法也是用体模实验，在里面把脑出血种进去，之后做计划穿刺，穿刺还要检查穿刺位点和规划路径对不对，对不对如何确定？我们把针差进去，把种进去的血出出来，我从那个点出血就证明是对的，如果出来的血量不对，那可能我插的点就不对，所以我们也做了很多类似的实验。
我们在肿瘤穿刺、活检等等做了很多工作，包括呼吸运动下的靶点穿刺等等。后面我们也会做一些结合光学和力学的融合工作，包括用深度强化学习对机器人进行训练等等很多的工作，我们也是一直延续在做的。我们也拿到了一些项目，也发了一些文章，也有一些专利，也申请了一些经费。这是我们的团队，我们有一些合作医院，合作医院远远不止这些。我的内容就是这些，谢谢大家。
