超聲機器人的設計特殊性

10/10超聲機器人的設計特殊性乍一看到JACC:CardiovascularImaging上的下面這個題目，筆者感覺自己錯過了一個世紀，什么時候機器人輔助超聲已經(jīng)可以寫社論了？這個應用已經(jīng)如此廣泛了？趕緊來學習學習。圖1剛剛發(fā)表在JACC:CardiovascularImaging上的原文于是，筆者首先搜索了這兩位作者，均來自于澳大利亞墨爾本（畢竟土澳地廣人稀~），一位是BakerHeartandbiabetesInstitute的LeahWright博士，另一位是SwinburneUniversityofTechnology中DepartmentofMechanicalEngineeringandProductDesignEngineering的EdgarM.Hidalgo博士。擔任高級超聲心動圖技師的LeahWright博士，特別關注超聲心動圖在肺動脈高壓臨床隨訪中的應用去年，這兩位作者就發(fā)表了“遠程機器人輔助心臟超聲的當前應用：臨床運用和技術局限性的系統(tǒng)評價”?？上У氖侵徊榈焦_發(fā)表的摘要，不過從摘要中我們亦可看到，在2021年3月，研究者們從2,997篇文章中篩選出了25篇相關報道，其中10篇屬于臨床階段，另有15篇屬于臨床前研究。在10篇臨床研究中有40%屬于心血管領域，機器人輔助超聲系統(tǒng)（Robot-assistedultrasoundsystems，RAUS）運用在了113名心血管參與者身上，結(jié)果顯示其與傳統(tǒng)超聲相似，但仍存在著瓣膜評估方面的局限。在大多數(shù)檢查時，需要助手根據(jù)口頭指示調(diào)整超聲設置，從而延長了檢查的時間（其中一篇提到延長了40%）。圖像質(zhì)量方面的錯誤主要來源于圖像分辨率，因此凸顯了圖像質(zhì)量的重要性。信息傳輸方面，低帶寬即可用于控制機器人，視頻及超聲圖像的傳輸則需要更高的帶寬。反饋方面，視覺（56%）和視覺與力的結(jié)合（36%）是最普遍采用的系統(tǒng)；力反饋能夠使得超聲技師意識到施加在患者皮膚上的壓力，并讓機器人控制更加順暢。而到了本篇綜述，幾位作者們旨在進一步分析用于超聲檢查的遠程機器人操作系統(tǒng)的狀態(tài)，評估它的臨床和臨床前應用，確定其局限性，并概述未來的方向。圖2機器人輔助超聲的優(yōu)勢和壁壘，本文的中心圖機器人設計與功能上圖中的有些部分大家都很熟悉了，今天重點來看看超聲機器人的設計特殊性。研究者們首先就總結(jié)，RAUS機器人可分為三類：1）專用超聲檢查而設計的機器人；2）改裝生產(chǎn)線上的工業(yè)機器人；3）協(xié)作機器人（Cobots），通常以較低的速度運行并配備力和扭矩傳感器，可檢測接觸和碰撞，相較工業(yè)機器人更安全的機器人。機器人的結(jié)構(gòu)設計如下圖3，包括由驅(qū)動關節(jié)連接的連桿組成的單個運動鏈串行機制，其中底座部分由至少2個運動鏈連接到移動平臺；或串行與并形并存的混合機制。這其中，可用自由度（Degreesoffreedom，DOF）至關重要，通常DOF等同于機器人的驅(qū)動關節(jié)數(shù)量，能夠決定其執(zhí)行線性和旋轉(zhuǎn)運動的能力。機器人的遠程控制需要一個主系統(tǒng)，包括一個復制超聲技師手部動作并將其傳輸?shù)綑C器人的探頭。主控制器可設計為操縱桿、計算機鼠標、虛擬探針或觸覺設備。而在所報道的所有機器人中，可根據(jù)基本功能將其分為兩類：遠程定向控制（Remoteorientationcontrol）和遠程運動定向控制（Remotemotion-orientationcontrol）。圖3具有6-DOF的串行和并行機器人。（A）串行機器人，由驅(qū)動關節(jié)連接的連桿組成的單個運動鏈；（B）并行機器人，其中數(shù)字1-6指的是該機器人的6個運動鏈遠程定向控制超聲技師僅控制探頭的方向，而依靠身在現(xiàn)場的助手通過握持、抬起和定位機器人將探頭定位于患者身體上，有時還需要額外的微型起重機式升降結(jié)構(gòu)來搬運和放置機器人（想想就折騰）。有的報道中提到，具有2-DOF、3-DOF或4-DOF的串行結(jié)構(gòu)允許部分或完全控制探頭的方向，然而，由于缺乏來自主站點的定位控制，遠程檢查依賴于助手或系統(tǒng)支持，嚴重降低了其功能。同樣地，在一些并行系統(tǒng)中，如果機器人未固定在底座上，則無論DOF多少，都需要一名助手來扶住機器人。圖42016年的報道中，法國MaisondeSantePluridisciplinaire的ArnaudSaccomandi博士等設計制造的遠程超聲機器人系統(tǒng)圖5遠程超聲中使用的串行機器人結(jié)構(gòu)的位置與方向。隨著關節(jié)數(shù)量的增加，可用于不同方向和位置的自由度增加，具有6個驅(qū)動關節(jié)的機器人可完全控制超聲探頭的位置和方向遠程運動定向控制諸如KukaLBRiiwa（KukaAGRobotics）或UR10（UniversalRobots）類的串行機器人可實現(xiàn)完全控制探頭的位置和方向。具有6-DOF的串行機器人使用與其手腕相關的3-DOF執(zhí)行定向運動，并通過其他3-DOF（底座、肩部和肘部）實現(xiàn)定位。除了完全可控外，此類安裝在輪式平臺上的機器人提升了可用性和適用場景，僅需助手或額外的機械結(jié)構(gòu)將其固定或放置在患者身上。圖6KukaLBRiiwa機器人圖7UR10機器人（一臺售價314萬歐元左右~）在目前所有的報道研究中，機器人輔助超聲都需要一名助手在場，主要負責協(xié)助患者、設置機器人系統(tǒng)、將機器人所持的超聲探頭放置在感興趣的區(qū)域，并按照遠程指令進行圖像優(yōu)化和采集。串行機器人是具備4至7個自由度的遠程機器人中的主要類型。此外，有設計為“可穿戴遠程超聲機器人”的4-DOF機器人，帶有球形結(jié)構(gòu)，使用緊身胸帶連接到患者胸部的4個不同區(qū)域；也有具有線形和徑向齒形導軌，允許探頭方向隨著穩(wěn)定位置改變的7-DOF機器人。圖82013年的報道中，日本研究者開發(fā)的便攜式可穿戴遠程超聲機器人系統(tǒng)MicroMaxx（SonoSiteInc.）（這個SonoSite現(xiàn)在的全稱叫FujifilmSonoSite，日本人民對機器人那可是真愛啊~）與人工智能的接口之前的推送中筆者也曾寫過，人工智能AI已獲批用于超聲心動圖的診斷，但僅適用于標準平面的二維成像。本文的研究者們亦提到，可能可以通過幾種不同的方式來協(xié)助超聲的遠程操作，包括用于圖像平面的識別和臨床診斷的深度學習。機器人技術的現(xiàn)狀從工作臺過渡到臨床實踐。同上文，在這一領域進行的臨床研究中，40%是心血管研究，其余是腹部、腎臟和盆腔（50%），以及肺（10%）；90%的研究中將其與傳統(tǒng)超聲結(jié)果進行比較，以確定所獲得的圖像和診斷的可靠性。而在臨床前研究中，檢查類型包括：腹部、腎臟和盆腔（53%）、心臟和血管（13%）、胎兒（13%）、乳房（7%）和其他（14%）。使用機器人系統(tǒng)采集得到的經(jīng)食道超聲心動圖的臨床前研究，也顯示出了一定的前景，但仍在測試發(fā)展中。注意這里的臨床前研究一般是在體外模型，或志愿者身上進行的。圖9超聲輔助機器人的臨床研究特征圖10超聲輔助機器人的臨床前研究特征仍待解決的問題COVID-19大流行期間，機器人系統(tǒng)為相應的隔離患者提供了遠程超聲檢查的能力。但是，現(xiàn)階段仍需要培養(yǎng)對機器人系統(tǒng)的信任，使用過程中的患者安全性和結(jié)果準確性仍然是重中之重。未來的系統(tǒng)應側(cè)重于改進觸覺反饋（譬如使用PhantomOmni（3DSystems）或Omega.6（ForceDimension）等商用觸覺設備），結(jié)合人工智能及增加商業(yè)化產(chǎn)品的可用性。圖11MGIUS-R3機器人（MGITechCo.,Ltd）文章的最后，研究者們提到，醫(yī)療機器人是一個不斷發(fā)展的行業(yè)，預計到2050年能達到125億美金的全球市場份額，他們引用的數(shù)據(jù)來源于“MedicalRobotsMarketbyProductandService,Application,EndUser-GlobalForecaststo2025”。在人口老齡化的推動下，手術機器人和康復機器人將是兩個主要的機器人市場。醫(yī)學影像機器人則會應用于慢性病的疾病管理和篩查，然而，使用RAUS仍需要獲得商用設備、成本效益比和臨床實用性的關鍵證據(jù)。一個重要的臨床比較，即將發(fā)生在專家指導下的RAUS，和AI引導的超聲新手用戶間（這真的是個很有意思的比較）；此外，還需要了解每年的維護成本和員工培訓的成本。機器人技術、人工智能和電信的結(jié)合，可能將在未來改變醫(yī)學超聲的使用方式。引用文獻：1.EdgarM.Hidalgo,LeahWright,MatsIsaksson,etal.Currentapplicationsofrobot-assistedultrasoundexamination.JAmCollCardiolImg.2023:16:239-247.2.NorihitoKoizumi,Shin’ichiWarisawa,MitsuruNagoshi,etal.Constractionmethodologyforanremoteultrasounddiagnosticsystem.IEEETransactionsonRobotics,vol.25,no.3,pp.522-538,June2009,doi:10.1109/TRO.2009.2019785.3.MonicaGeorgescu,ArnaudSaccomandi,BernardBaudron,etal.Remotesonographyinroutineclinicalpracticebetweentwoisolatedmedicalcenterandtheuniver