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骨科机器人“天玑”出世 技艺超人堪比AlphoGo

02-11,财经骨科机器人“天玑”出世 技艺超人堪比AlphoGo最新消息报导,来书新闻网(http://www.laishu.com)财经

  第三代国产骨科手术机器人“天玑”,是产学研医长期合作的成果。(资料图)

  全年4万5千台!这一数字将北京积水潭医院送上全世界单个医院骨科手术量最大的位置。

  “自有骨科手术开始,如何看到深层内部结构并准确操作、同时还不伤到其他组织,就是最大的难题。”中华医学会骨科学分会主任委员、北京积水潭医院院长田伟说。

  2016年12月18日,中华医学会第十八届骨科学术会议暨第十一届COA国际学术大会上,田伟站在天智航公司展台前,为到访的国外同行和围观群众演示起骨科手术的“新式武器”。

  这台名为“天玑”的第三代国产骨科手术机器人,是世界上唯一一个能够开展四肢、骨盆骨折以及脊柱全节段(颈椎、胸椎、腰椎、骶椎)手术的骨科机器人系统。

  为“天玑”这一刻的亮相,北京积水潭医院、北京航空航天大学、天智航公司与中科院深圳先进技术研究院,已经酝酿了15年。

  第十一届COA国际学术大会上,田伟向外国专家介绍首次亮相的“天玑”。梁亚军/摄

  直击难题

  “不同于表面软组织,骨科的手术更像是在一个坚硬的暗箱内操作,所以需要深层三维空间的精确定位。”田伟总结了骨科手术的三大难题:看不见、打不准、拿不稳。

  看不见——人眼无法看到内部结构;打不准——打螺钉时,人手的稳定性和操作精度不够;拿不稳——很多因素都会影响医生的稳定发挥。

  X光射线的使用,可以让医生在手术中通过透视看到骨头,但缺少立体空间定位,还有让医生患上放射病的隐患;以达芬奇为代表的医疗机器人,擅长缝合与剥离、但看不见深部组织,骨科手术用不上。

  能有一双可以透视的眼睛看清人体内部结构、能有一条稳定的操作路径保证手术质量,是骨科医生的需求和痛点。

  在北京航空航天大学教授、北京智慧制造研究院院长王田苗看来,这种痛点来自于医生在传统临床手术中遇到的问题,而用新技术和新设备解决痛点,正是创新的意义所在。

  2002年,王田苗团队开始与积水潭医院与一起,研究适用于创伤骨科的手术机器人。他试图站在医生的角度解决两个问题:其一,病人定位精度怎么解决?其二,有没有可能减少对病人和医生的X光辐射?双平面机器人的设计、手术操作流程的优化和远距离控制,逐一解决了这些问题。

  为将实验室与临床的研究成果向市场转化,天智航公司于2005年成立。

  “十多年前,产学研医可没有现在那么时髦,实验室的产品很多、医生的想法很多,但真正把实验室技术与一线需求结合起来形成有实用价值的科技成果,则少之又少。”北京天智航医疗科技股份有限公司董事、副总经理王彬彬说,这家为了骨科手术机器人成果转化而成立的公司,目的只有一个:把医生的思路、需求和技术端相结合,最终积淀在产品上。

  2009年3月,第一代骨科手术机器人问世,但因为操作繁琐、适应症少、临床作用有限,难以得到一线医生的青睐。

  2012年,天智航公司推出第二代骨科手术机器人,适应症范围从长骨扩展到骨盆,但依然做不了难度更高的脊柱手术。

  路向何方?

  假如骨科手术机器人的适应症范围没有大幅拓展,将很难做到领先国际。市场上的手术机器人都面临同一个问题:视野。没有眼睛的骨科手术机器人,下一步该往哪里走?

  几乎和创伤骨科机器人的研究同步,2002年,北京积水潭医院在国内率先引进计算机导航辅助手术技术。以脊柱外科为代表的科室,一直在试图解决手术中“眼”的问题。

  “病人为什么爱找老大夫?因为经验和教训让他们成长。”北京积水潭医院脊柱外科副主任刘亚军说,骨科手术最担心做瘫了,其实就是怕螺钉打到神经上、血管上,不同年代的骨科大夫都在通过不同的方法来提高手术精度、降低手术风险。

  在北京积水潭医院,随着导航辅助手术例数的增长,越来越多的一线医生和科室加入了使用导航开展手术的行列。经过多年的钻研,导航的临床精度缩小至1毫米,已经能够满足颈胸椎等对精度要求极为苛刻的部位的手术条件,还带来了三个好处:高危手术安全化、常规手术微创化、减少对医生经验的依赖。

  “我们已经有了可以透视的眼睛,就缺少一双精准而不知疲倦的手。”刘亚军笑言。

  导航,能让钉子打“准”;机器人,能让医生手“稳”。作为脊柱外科的权威专家,田伟提出新方案:能否把导航和机器人的研究结合起来?用导航技术解决视野问题,用机器人系统解决操作问题。

  一个基于3D影像的骨科机器人构想就此成型,从2013年底开始,“手眼合一”的进程迅速向前推进。

  “以田伟为代表的脊柱外科大夫使用计算机辅助导航系统已经非常成熟,为了提高手术精度和操作方便,他们大胆运用我们在机器人方面的研究,并给出了体系结构、流程标准和定位方法。”王田苗说。

  刘亚军说,上脊椎是最复杂、难度最高的手术之一。陈莹莹/摄

  “天玑”出世

  2015年8月12日,世界上第一例复杂上颈椎畸形机器人辅助内固定手术在北京积水潭医院进行,主刀医生田伟。

  上颈椎,是世界上公认最难、最危险的手术部位。手术中很容易把钉子打神经上或大血管里:椎动脉堵,会引发脑梗;椎动脉破,会大出血;打到脊髓伤了神经,病人会立马瘫痪。

  这名43岁的男性患者,严重寰枢椎先天畸形合并颅底凹陷,已经被多家医院拒之门外。通过CT扫描图像找螺钉通道,医生发现右侧完全无路可走,只有左侧有一条紧挨大动脉和脊髓、仅剩4毫米宽的钉道。

  这例手术的精度需求,完全超越了人的能力。

  手术现场,C型臂对全麻的患者进行三维影像扫描,图像被同步传输至骨科手术机器人系统。田伟在导航系统屏幕上设计好钉道,机器人的机械臂将手术工具精确定位到手术位置,套筒指向目的钉道的进钉点。田伟沿着套筒钻入导针,插入患者身体内部,确认位置无误后,再把一枚直径4毫米的空心螺钉套进导针固定、拔出导针。之后,他对患者进行再次扫描,确认螺钉位置与规划的一致。

  60分钟的手术圆满结束,田伟在这场手术基础上写成的论文,发表在脊柱外科最权威的《Spine》杂志上。

  “医疗领域很难有世界领先的技术出现,而国产骨科机器人就实现了这样的突破。”亲历整场手术的刘亚军激动不已,“确实能帮到大夫,确实临床非常需要”,他用两个“确实”形容最新一代的骨科手术机器人产品。

  5个月后,刘亚军在门诊接待了一位枢椎(颈椎第二截)骨折的小伙子。按照传统手术的方式,需要从病人后背切一个至少15厘米的大口子、打一根特别斜的钉子,由于靠近丰富的静脉冲和大血管,引发大出血的概率极高,医生往往选择放弃手术,给病人按一个外固定架回家养。

  这次,刘亚军选择了手术机器人。他在三维场景中设计好钉道,用一个1厘米切口的微创手术搞定一切。将病人术后图像与设计的钉道做比对,他发现误差小于1毫米。“毫厘不差”,真正成为现实。

  “作为医生,我或许能把每一发子弹都打到靶子上,但不能保证每一次都正中靶心,机器人的使用能让手术更完美。”刘亚军说。

  2016年年底,在拿到医疗机器人Ⅲ类器械注册证两天后,第三代骨科手术机器人“天玑”Tirobot闪亮登场第十一届COA国际学术大会。同年,基于骨科手术机器人的骨科精准治疗解决方案研究获得“数字诊疗装备研发”国家重点研发计划支持。

  田伟正在使用骨科手术机器人辅助进行脊柱手术。(资料图)

  初心不忘

  去年10月,在北京召开的世界机器人大会的医用机器人关键技术与临床应用论坛上,王田苗见到了自己在意大利的指导教授Paolo Dario。25年前,他正是在后者的指导下开始接触医用机器人;当天,他做了题为“医用机器人创新创业关键要素”的演讲。

  长期坚持产学研医多方合作,被王田苗视为关键要素的重中之重。

  “从基本想法、形成模型到各种实验,医院和学校是创新的主力;但从系统到样机、产品、拿到许可证和临床推广,则需要以医院和企业为主、学校为辅。”王田苗说,要在这一领域做出成绩,需要高校建立医工交叉合作的机制、需要国家长期的经费支持、需要社会金融生态环境的保证。

  在王田苗看来,精度高、不受环境影响、可以记忆和比对手术方案的机器人,将发挥越来越重要的作用。但它只是作为工具提供参考意见,根据情况作出判断、决定手术方案和穿刺轨迹的医生,仍将起决定性作用。

  田伟则强调,医疗领域的创新需要以临床医生为主导,从一开始就得多方合作,想法来自临床、研究单位将其变为现实、企业参与进来将研究转化成产品和商品。

  “以临床为中心,结合研究单位与企业,创新才能向前推进与转化,不再停留在实验室里或者论文中,而是真正转化成生产力。”田伟说。

  探索一个未知的领域,抵达前人不曾实现的高度,难免会有争议。有人质疑:到底算人还是机器人在做手术?

  “AlphoGo出现后,也有人感慨不用学围棋了,我觉得不是。”田伟说。

  他解释,成为一流棋手需要战略思维和精算能力两大关键能力,和骨科医生一样,最重要的是手术设计、决定成败的是三维空间的定位能力。AlphoGo或许每一步棋都没有太大的惊喜,但胜在记忆和精算、胜在不出错,可骨科医生最怕的就是出错。机器人的使用,可以一丝不苟地执行医生设计的方案,补充人类能力的不足,而人们可以运用智慧去做更擅长的事。

  “无论是围棋还是骨科手术,都可以借助机器人这一工具探索更高的境界。未来,对弈时可以让每个棋手带一个AlphoGo,再来较量。”田伟笑着说。(中国经济网记者 陈莹莹)

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