本文摘要：新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，無接觸醫(yī)療剛需愈發(fā)成為業(yè)界研究和關(guān)注的重點(diǎn)。 無人血管穿刺作為減少醫(yī)患直接接觸的重要手段，將會是未來醫(yī)療發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。 機(jī)器人有著敏銳的眼睛，通過近紅外光譜和超聲，能準(zhǔn)確定位血管走形及位置; 同時有著聰明的大腦，通
新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，“無接觸”醫(yī)療剛需愈發(fā)成為業(yè)界研究和關(guān)注的重點(diǎn)。 “無人”血管穿刺作為減少醫(yī)患直接接觸的重要手段，將會是未來醫(yī)療發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。 機(jī)器人有著“敏銳”的眼睛，通過近紅外光譜和超聲，能準(zhǔn)確定位血管走形及位置; 同時有著“聰明”的大腦，通過人工智能實時分析，準(zhǔn)確控制進(jìn)針角度及深度，使得血管穿刺安全可靠。
醫(yī)療離不開血液檢測和藥物注射兩大基礎(chǔ)應(yīng)用場景，靜脈穿刺注射和采血是臨床治療中常見的侵入治療，也是廣泛應(yīng)用的醫(yī)學(xué)臨床手段。 當(dāng)前，社會對醫(yī)療衛(wèi)生的效率、衛(wèi)生和專業(yè)程度提出了更高要求，對醫(yī)療設(shè)備無人化、智能化提出了新需求。
靜脈穿刺治療存隱患
一線臨床醫(yī)護(hù)人員無時無刻不在經(jīng)歷血管穿刺的考驗。其一，血管穿刺需求量大。 無論化驗檢查還是治療注射，臨床診療都需要血管穿刺才能完成。 在我國，78%的護(hù)理工作與靜脈輸液治療有關(guān)，90%以上的住院病人接受靜脈輸液治療。 而門診、入院、圍手術(shù)期、出院前都需要血管穿刺來保證臨床工作的順利進(jìn)行。 且我國人口眾多、病人基數(shù)龐大，巨大操作量對一線臨床醫(yī)護(hù)人員具有一定的挑戰(zhàn)。 其二，血管穿刺難度大。 病人基礎(chǔ)情況復(fù)雜，遇到肥胖患者、老年人、休克病人等情況，往往難以在直視條件下順利進(jìn)行穿刺。 而多次穿刺容易引發(fā)靜脈炎等并發(fā)癥，影響臨床治療。 其三，醫(yī)護(hù)人員在穿刺過程中不斷面臨著職業(yè)暴露。 血管穿刺過程中，醫(yī)護(hù)人員被利器劃傷屢見不鮮，而不少至醫(yī)院就醫(yī)的病人患有傳染性疾病，在診療過程中極易造成疾病傳播。 尤其是在新冠肺炎疫情肆虐的情況下，病毒在包括血管穿刺在內(nèi)的常規(guī)診療操作中傳播的風(fēng)險大大增加，靜脈穿刺給護(hù)士帶來了相當(dāng)程度的工作負(fù)擔(dān)，甚至可能造成醫(yī)患交叉感染，危害醫(yī)務(wù)人員及社會大眾的健康。
醫(yī)院的護(hù)士每天要進(jìn)行幾十萬次的采樣，每一次采樣都是冒著被感染的危險進(jìn)行操作。 例如，2020年新冠肺炎傳播初期，武漢有大量醫(yī)護(hù)工作者在實施血管穿刺治療過程中被感染。
針對靜脈穿刺的多種醫(yī)療安全隱患，同濟(jì)大學(xué)齊鵬師生團(tuán)隊設(shè)計研發(fā)了基于深度學(xué)習(xí)的多模態(tài)圖像引導(dǎo)靜脈穿刺機(jī)器人系統(tǒng)，通過自動采血和放置外周血管導(dǎo)管來減少靜脈穿刺相關(guān)不良事件，該設(shè)備有望徹底解決人工靜脈穿刺難題。
精準(zhǔn)穿刺新技術(shù)
基于深度學(xué)習(xí)的多模態(tài)圖像引導(dǎo)靜脈穿刺機(jī)器人系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，結(jié)合了三維近紅外和超聲波成像、計算機(jī)視覺軟件等技術(shù)和工具，形成了基于實時圖像引導(dǎo)插入針頭的小型靈巧機(jī)器人。
該機(jī)器人系統(tǒng)主要解決了三個問題。 第一，比醫(yī)護(hù)人員的雙眼看得更清——近紅外成像攝像頭能夠準(zhǔn)確地識別、還原隱藏在皮膚下的纖細(xì)靜脈。 第二，比醫(yī)護(hù)人員的雙眼看得更深——超聲探頭可以準(zhǔn)確地檢測人體內(nèi)部靜脈的深度和粗細(xì)。 第三，比醫(yī)護(hù)人員的雙手更準(zhǔn)——小型靈巧機(jī)器人系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)無誤地將針尖送入纖細(xì)的靜脈中，實現(xiàn)穿刺采血過程的自動化。
在近紅外光下，即使是肥胖人群、深色皮膚的人群，其靜脈也能清晰可見; 即使老年人和兒童等人群的靜脈較為細(xì)小、難以觀察，也能清楚地被攝像頭所捕捉。 此外，靜脈本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能分叉為多條靜脈，也可能過渡漸變?yōu)槊?xì)血管，這給扎針帶來一定難度，但只需要利用近紅外成像，就可以輕松地識別血管分布，獲取患者注射區(qū)域靜脈空間信息，為機(jī)器人打開一雙“天眼”。
以往，準(zhǔn)確預(yù)測靜脈穿刺的深度，需要醫(yī)護(hù)工作者本身具備大量的經(jīng)驗和熟練的操作技巧。 外周靜脈的直徑可以達(dá)到1mm甚至更小，這意味著很難準(zhǔn)確將穿刺針的針尖置于血管腔內(nèi)，在很多情況下，都會出現(xiàn)穿刺過深或者深度不足的情況，特別是在特殊環(huán)境或面臨特殊患者狀況下，穿刺成功率更低。 而利用超聲探頭，通過圖像識別與分割算法，就能將血管的平面分布、深度以及粗細(xì)等信息提取出來， 再通過機(jī)器人技術(shù)，實現(xiàn)精準(zhǔn)的穿刺操作。
機(jī)器操作優(yōu)勢
相對于人手進(jìn)行的穿刺，機(jī)器人設(shè)備具有更加精確、標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定等優(yōu)勢。
更安全、快速地實施靜脈穿刺。 在傳統(tǒng)的靜脈穿刺操作過程中，一次成功率較低，需要醫(yī)護(hù)人員具有充分的經(jīng)驗，尤其是當(dāng)患者為老人、兒童、肥胖或者深色皮膚人士時。 而該機(jī)器人具備遠(yuǎn)超人類的成像能力以及操作精準(zhǔn)性，可以有效解決靜脈穿刺成功率低的問題，減少靜脈穿刺事故的發(fā)生。
有效防止醫(yī)患交叉感染。 2020年新冠肺炎疫情導(dǎo)致很多醫(yī)護(hù)人員被感染，減少醫(yī)患接觸無疑可以大幅度降低醫(yī)患感染的風(fēng)險，而醫(yī)患隔離、完全自動的醫(yī)療設(shè)備可以有效降低該現(xiàn)象的發(fā)生。 靜脈穿刺機(jī)器人作為全自動外科設(shè)備，可以自動完成消毒、穿刺操作，代替醫(yī)護(hù)工作者與患者接觸，同時配有自身消毒系統(tǒng)，從而最大限度避免交叉感染。
打通注射、采血無人化“最后一公里”。 目前的自動血液分類技術(shù)和自動藥品分揀技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但血樣采集和藥品注射依然需要護(hù)士手動完成。 靜脈穿刺機(jī)器人可以自動采集血樣并將其送入自動血液分類設(shè)備，或自動接收來自藥品分揀設(shè)備的注射劑，自動進(jìn)行注射。
該設(shè)備還可以進(jìn)入實驗室，作為實驗用自動穿刺設(shè)備。 由于該設(shè)備精度高、操作標(biāo)準(zhǔn)化，可以在生物醫(yī)藥、化學(xué)材料等領(lǐng)域的實驗中大幅提高試驗成功率。
同時，該設(shè)備可以還進(jìn)入家庭和養(yǎng)老院。 由于其自動化程度高、簡單易操作，操作人員不需要大量的醫(yī)學(xué)知識和臨床培訓(xùn)，就可以方便、快捷地為居民提供穿刺服務(wù)。
除了獲得2020年上海市產(chǎn)業(yè)青年創(chuàng)新大賽金獎，該系統(tǒng)還前亮相第三屆中國國際進(jìn)口博覽會，獲得過第十四屆中國好創(chuàng)意大賽全國三等獎、USWC2020大學(xué)生創(chuàng)業(yè)世界杯全國銀獎等榮譽(yù)。
人工智能評職知識：機(jī)器人科學(xué)論文可以投稿的期刊
這款醫(yī)工交叉領(lǐng)域設(shè)計研發(fā)的基于深度學(xué)習(xí)的多模態(tài)圖像引導(dǎo)靜脈穿刺機(jī)器人系統(tǒng)，是創(chuàng)新驅(qū)動、產(chǎn)學(xué)研融合的一次有效實踐。 未來，隨著此類系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人逐步代替醫(yī)護(hù)工作者與患者接觸，將會在避免交叉感染、提升防疫效率、提升患者體驗等方面起到重要作用，從而推動醫(yī)療行業(yè)進(jìn)步和發(fā)展。
作者：陳禹 任重遠(yuǎn) 曹旭
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