乍一看到JACC: Cardiovascular Imaging上的下面這個(gè)題目，筆者感覺自己錯(cuò)過了一個(gè)世紀(jì)，什么時(shí)候機(jī)器人輔助超聲已經(jīng)可以寫社論了？這個(gè)應(yīng)用已經(jīng)如此廣泛了？趕緊來學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)。
圖1 剛剛發(fā)表在JACC: Cardiovascular Imaging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Baker Heart and biabetes Institute的Leah Wright博士，另一位是Swinburne University of Technology中Department of Mechanical Engineering and Product Design Engineering的Edgar M. Hidalgo博士。擔(dān)任高級(jí)超聲心動(dòng)圖技師的Leah Wright博士，特別關(guān)注超聲心動(dòng)圖在肺動(dòng)脈高壓臨床隨訪中的應(yīng)用
去年，這兩位作者就發(fā)表了“遠(yuǎn)程機(jī)器人輔助心臟超聲的當(dāng)前應(yīng)用：臨床運(yùn)用和技術(shù)局限性的系統(tǒng)評(píng)價(jià)”。可惜的是只查到公開發(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(guān)報(bào)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(lǐng)域，機(jī)器人輔助超聲系統(tǒng)（Robot-assisted ultrasound systems，RAUS）運(yùn)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(píng)估方面的局限。在大多數(shù)檢查時(shí)，需要助手根據(jù)口頭指示調(diào)整超聲設(shè)置，從而延長(zhǎng)了檢查的時(shí)間（其中一篇提到延長(zhǎng)了40%）。圖像質(zhì)量方面的錯(cuò)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(jī)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(shí)到施加在患者皮膚上的壓力，并讓機(jī)器人控制更加順暢。
而到了本篇綜述，幾位作者們旨在進(jìn)一步分析用于超聲檢查的遠(yuǎn)程機(jī)器人操作系統(tǒng)的狀態(tài)，評(píng)估它的臨床和臨床前應(yīng)用，確定其局限性，并概述未來的方向。
圖2 機(jī)器人輔助超聲的優(yōu)勢(shì)和壁壘，本文的中心圖
機(jī)器人設(shè)計(jì)與功能
上圖中的有些部分大家都很熟悉了，今天重點(diǎn)來看看超聲機(jī)器人的設(shè)計(jì)特殊性。研究者們首先就總結(jié)，RAUS機(jī)器人可分為三類：1）專用超聲檢查而設(shè)計(jì)的機(jī)器人；2）改裝生產(chǎn)線上的工業(yè)機(jī)器人；3）協(xié)作機(jī)器人（Cobots），通常以較低的速度運(yùn)行并配備力和扭矩傳感器，可檢測(cè)接觸和碰撞，相較工業(yè)機(jī)器人更安全的機(jī)器人。
機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖3，包括由驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接的連桿組成的單個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈串行機(jī)制，其中底座部分由至少2個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈連接到移動(dòng)平臺(tái)；或串行與并形并存的混合機(jī)制。這其中，可用自由度（Degrees of freedom，DOF）至關(guān)重要，通常DOF等同于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)量，能夠決定其執(zhí)行線性和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能力。機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制需要一個(gè)主系統(tǒng)，包括一個(gè)復(fù)制超聲技師手部動(dòng)作并將其傳輸?shù)綑C(jī)器人的探頭。主控制器可設(shè)計(jì)為操縱桿、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、虛擬探針或觸覺設(shè)備。而在所報(bào)道的所有機(jī)器人中，可根據(jù)基本功能將其分為兩類：遠(yuǎn)程定向控制（Remote orientation control）和遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)定向控制（Remote motion-orientation control）。
圖3 具有6-DOF的串行和并行機(jī)器人。（A）串行機(jī)器人，由驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)連接的連桿組成的單個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈；（B）并行機(jī)器人，其中數(shù)字1-6指的是該機(jī)器人的6個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈
遠(yuǎn)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(chǎng)的助手通過握持、抬起和定位機(jī)器人將探頭定位于患者身體上，有時(shí)還需要額外的微型起重機(jī)式升降結(jié)構(gòu)來搬運(yùn)和放置機(jī)器人（想想就折騰）。有的報(bào)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(diǎn)的定位控制，遠(yuǎn)程檢查依賴于助手或系統(tǒng)支持，嚴(yán)重降低了其功能。同樣地，在一些并行系統(tǒng)中，如果機(jī)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(jī)器人。
圖4 2016年的報(bào)道中，法國(guó)Maison de Sante Pluridisciplinaire的Arnaud Saccomandi博士等設(shè)計(jì)制造的遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人系統(tǒng)
圖5 遠(yuǎn)程超聲中使用的串行機(jī)器人結(jié)構(gòu)的位置與方向。隨著關(guān)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(gè)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人可完全控制超聲探頭的位置和方向
遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)定向控制
諸如Kuka LBR iiwa（Kuka AG Robotics）或UR10（Universal Robots）類的串行機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)完全控制探頭的位置和方向。具有6-DOF的串行機(jī)器人使用與其手腕相關(guān)的3-DOF執(zhí)行定向運(yùn)動(dòng)，并通過其他3-DOF（底座、肩部和肘部）實(shí)現(xiàn)定位。除了完全可控外，此類安裝在輪式平臺(tái)上的機(jī)器人提升了可用性和適用場(chǎng)景，僅需助手或額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)將其固定或放置在患者身上。
圖6 Kuka LBR iiwa機(jī)器人
圖7 UR10機(jī)器人（一臺(tái)售價(jià)314萬歐元左右~）
在目前所有的報(bào)道研究中，機(jī)器人輔助超聲都需要一名助手在場(chǎng)，主要負(fù)責(zé)協(xié)助患者、設(shè)置機(jī)器人系統(tǒng)、將機(jī)器人所持的超聲探頭放置在感興趣的區(qū)域，并按照遠(yuǎn)程指令進(jìn)行圖像優(yōu)化和采集。串行機(jī)器人是具備4至7個(gè)自由度的遠(yuǎn)程機(jī)器人中的主要類型。此外，有設(shè)計(jì)為“可穿戴遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人”的4-DOF機(jī)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(gè)不同區(qū)域；也有具有線形和徑向齒形導(dǎo)軌，允許探頭方向隨著穩(wěn)定位置改變的7-DOF機(jī)器人。
圖8 2013年的報(bào)道中，日本研究者開發(fā)的便攜式可穿戴遠(yuǎn)程超聲機(jī)器人系統(tǒng)MicroMaxx（SonoSite Inc.）（這個(gè)SonoSite現(xiàn)在的全稱叫Fujifilm SonoSite，日本人民對(duì)機(jī)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(dòng)圖的診斷，但僅適用于標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程操作，包括用于圖像平面的識(shí)別和臨床診斷的深度學(xué)習(xí)。
機(jī)器人技術(shù)的現(xiàn)狀
從工作臺(tái)過渡到臨床實(shí)踐。同上文，在這一領(lǐng)域進(jìn)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(jìn)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(jī)器人系統(tǒng)采集得到的經(jīng)食道超聲心動(dòng)圖的臨床前研究，也顯示出了一定的前景，但仍在測(cè)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(jìn)行的。
圖9 超聲輔助機(jī)器人的臨床研究特征
圖10 超聲輔助機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)為相應(yīng)的隔離患者提供了遠(yuǎn)程超聲檢查的能力。但是，現(xiàn)階段仍需要培養(yǎng)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的信任，使用過程中的患者安全性和結(jié)果準(zhǔn)確性仍然是重中之重。未來的系統(tǒng)應(yīng)側(cè)重于改進(jìn)觸覺反饋（譬如使用Phantom Omni（3D Systems）或Omega.6（Force Dimension）等商用觸覺設(shè)備），結(jié)合人工智能及增加商業(yè)化產(chǎn)品的可用性。
圖11 MGIUS-R3機(jī)器人（MGI Tech Co., Ltd）
文章的最后，研究者們提到，醫(yī)療機(jī)器人是一個(gè)不斷發(fā)展的行業(yè)，預(yù)計(jì)到2050年能達(dá)到125億美金的全球市場(chǎng)份額，他們引用的數(shù)據(jù)來源于“Medical Robots Market by Product and Service, Application, End User - Global Forecasts to 2025”。在人口老齡化的推動(dòng)下，手術(shù)機(jī)器人和康復(fù)機(jī)器人將是兩個(gè)主要的機(jī)器人市場(chǎng)。醫(yī)學(xué)影像機(jī)器人則會(huì)應(yīng)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(shè)備、成本效益比和臨床實(shí)用性的關(guān)鍵證據(jù)。一個(gè)重要的臨床比較，即將發(fā)生在專家指導(dǎo)下的RAUS，和AI引導(dǎo)的超聲新手用戶間（這真的是個(gè)很有意思的比較）；此外，還需要了解每年的維護(hù)成本和員工培訓(xùn)的成本。機(jī)器人技術(shù)、人工智能和電信的結(jié)合，可能將在未來改變醫(yī)學(xué)超聲的使用方式。
引用文獻(xiàn)：
1. Edgar M. Hidalgo, Leah Wright, Mats Isaksson, et al. Current applications of robot-assisted ultrasound examination. J Am Coll Cardiol Img. 2023: 16: 239-247.
2. Norihito Koizumi, Shin’ichi Warisawa, Mitsuru Nagoshi, et al. Constraction methodology for an remote ultrasound diagnostic system. IEEE Transactions on Robotics, vol. 25, no. 3, pp. 522-538, June 2009, doi: 10.1109/TRO.2009.2019785.
3. Monica Georgescu, Arnaud Saccomandi, Bernard Baudron, et al. Remote sonography in routine clinical practice between two isolated medical center and the university hospital using a robotic arm: a 1-year study. Telemedicine and e-Health. April 2016.
4. Adriana Vilchis, Kohji Masuda, Jocelyne Troccaz, et al. Robot-based tele-echography: the TER system. Stud Health Technol Inform. 2003;95:212-7.
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