姚佳烽，鄧琪，劉凱

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京210016)

0 引言

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)健康的需求日益提高，從而驅(qū)動(dòng)醫(yī)療技術(shù)向前發(fā)展。醫(yī)療技術(shù)的研究是一個(gè)全球性的復(fù)雜問(wèn)題，涉及到多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，僅靠傳統(tǒng)單一學(xué)科的醫(yī)學(xué)研究難以取得較大的突破。因此，基于學(xué)科交叉[1-2]的醫(yī)工融合技術(shù)的價(jià)值不斷凸顯，已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展的新方向。

醫(yī)工融合是指基于醫(yī)學(xué)和工程學(xué)科之間的交叉融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互滲透、協(xié)同創(chuàng)新來(lái)解決醫(yī)學(xué)健康領(lǐng)域的相關(guān)問(wèn)題。醫(yī)工融合技術(shù)在20世紀(jì)已經(jīng)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。世界上例如哈佛大學(xué)、斯坦佛大學(xué)等一些頂級(jí)名校早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)展醫(yī)工結(jié)合學(xué)科的研究，并成立了相關(guān)的研究所和研究中心[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)醫(yī)工結(jié)合的研究興起于20世紀(jì)80年代末期，許多重點(diǎn)學(xué)校例如清華大學(xué)、北京大學(xué)、上海交通大學(xué)、東南大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)等紛紛建立了基于醫(yī)工融合的交叉學(xué)科研究所[4]，為醫(yī)工融合的發(fā)展提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)。

目前，隨著醫(yī)學(xué)與計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電氣等學(xué)科的深度融合，高端醫(yī)療裝備被不斷地研究和開(kāi)發(fā)，為醫(yī)學(xué)臨床的診斷技術(shù)、治療技術(shù)和康復(fù)技術(shù)提供了新設(shè)備、新方法，對(duì)醫(yī)學(xué)的發(fā)展具有重要的意義。本文對(duì)一些基于醫(yī)工融合的高端醫(yī)療裝備進(jìn)行論述，主要介紹了醫(yī)學(xué)電阻抗設(shè)備、醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人以及醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和研究趨勢(shì)。

1 醫(yī)學(xué)電阻抗設(shè)備的研究現(xiàn)狀

電阻抗是一個(gè)公認(rèn)的物理概念，在這個(gè)概念中，可以通過(guò)測(cè)量物體電學(xué)特性以評(píng)估其組成成分。由于電阻抗技術(shù)具有簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)、快速、便攜、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)[5]，在過(guò)去30年的時(shí)間里，逐漸被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中[6]，基于電阻抗技術(shù)的先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備被不斷地開(kāi)發(fā)出來(lái)。

1.1 基于電阻抗斷層成像技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備研究現(xiàn)狀

電阻抗斷層成像(EIT)技術(shù)[7-9]是一種非侵入性成像技術(shù)[10]，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域有著廣泛的研究前景[11]。電阻抗斷層成像的原理是借助一組電極按照特定的驅(qū)動(dòng)測(cè)量模式重建測(cè)量場(chǎng)中的電導(dǎo)率分布或電導(dǎo)率變化[7]，根據(jù)這一原理，可以利用EIT技術(shù)研究人體內(nèi)電導(dǎo)率的變化，進(jìn)而根據(jù)人體內(nèi)電導(dǎo)率的變化推斷出人體的生理狀態(tài)[12]。由于電阻抗斷層成像技術(shù)具有無(wú)創(chuàng)、無(wú)危害、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)[11]，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域受到了很多研究學(xué)者的關(guān)注。

2019年，姚佳烽等[13]開(kāi)發(fā)了開(kāi)發(fā)一套μEIT系統(tǒng)，用來(lái)對(duì)微流道中細(xì)胞溶液的細(xì)胞位置分布進(jìn)行成像，如圖1所示。該裝置的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞在流動(dòng)過(guò)程中的可視化監(jiān)測(cè)，為腫瘤細(xì)胞分離效果的檢測(cè)提供了新的方法和思路。

圖1 裝置示意圖和微流控芯片

2021年，RANDAZZO A等[14]提出了一種用于腦卒中監(jiān)測(cè)的EIT成像設(shè)備，所提出的設(shè)備能夠有效地檢測(cè)頭部模型內(nèi)不同尺寸和位置的夾雜物。該設(shè)備的研發(fā)有望實(shí)現(xiàn)中風(fēng)類型的早期檢測(cè)，有利于腦卒中的正確治療。

2021年，姚佳烽等自主研發(fā)了用于肺檢測(cè)的床旁無(wú)輻射實(shí)時(shí)電阻抗成像設(shè)備，如圖2所示。該設(shè)備包含嵌入式硬件系統(tǒng)、人工智能成像算法的軟件系統(tǒng)、觸屏人機(jī)交互界面HMI和基于大數(shù)據(jù)云服務(wù)的長(zhǎng)期健康管家系統(tǒng)。該設(shè)備相較于臨床上常用的X線胸片、CT等檢查具有無(wú)輻射、便攜性高和功能性成像等優(yōu)點(diǎn)，可以輔助醫(yī)生實(shí)時(shí)掌握患者的肺部通氣狀況，對(duì)于個(gè)性化調(diào)整呼吸康復(fù)方案，具有重要的臨床意義。

圖2 用于肺檢測(cè)的電阻抗成像設(shè)備

EIT成像技術(shù)憑借其無(wú)創(chuàng)、無(wú)輻射等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域已經(jīng)得到很多學(xué)者的研究認(rèn)可，基于EIT成像技術(shù)的先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備不斷開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，彌補(bǔ)了現(xiàn)有的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備有輻射、不便攜等缺陷，是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)一個(gè)重要發(fā)展。

1.2 基于生物電阻抗譜技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備的研究現(xiàn)狀

生物電阻抗譜(BIS)[15-16]技術(shù)是一種利用不同頻率下生物組織的電阻抗特性來(lái)推測(cè)相應(yīng)的生理信息的技術(shù)[17]。由于生物電阻抗譜(BIS)系統(tǒng)干擾小、過(guò)程信息全面、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[18]。近年來(lái)，許多基于BIS技術(shù)的生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)設(shè)備不斷地被開(kāi)發(fā)出來(lái)。

2021年，姚佳烽等[19]研發(fā)了用于舌體腫瘤組織識(shí)別的BIS設(shè)備，設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖3所示。該設(shè)備用生物阻抗譜的方法對(duì)其正常組織區(qū)域、混有腫瘤組織區(qū)域及腫瘤組織區(qū)域進(jìn)行了電學(xué)特性研究，成功地識(shí)別出腫瘤組織所在的區(qū)域，為主刀醫(yī)生徹底切除舌體腫瘤提供了一種新的檢測(cè)方法。

圖3 BIS 檢測(cè)儀器

2021年，LI J P等[20]設(shè)計(jì)了用于紅細(xì)胞沉降檢測(cè)的EIS裝置，如圖4所示。該裝置克服了傳統(tǒng)的紅細(xì)胞沉降檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，可用于實(shí)時(shí)快速地檢測(cè)紅細(xì)胞的沉降。這項(xiàng)研究為血液沉降檢測(cè)提供了一種新的設(shè)備，有利于臨床上多種疾病的檢測(cè)與診斷[21-23]。

生物電阻抗譜技術(shù)以其快速、非侵入、便攜性好等優(yōu)點(diǎn)在醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛的研究，基于生物電阻抗譜技術(shù)的醫(yī)療設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用，是醫(yī)學(xué)檢測(cè)設(shè)備的一大進(jìn)步。

2 醫(yī)療機(jī)器人研究現(xiàn)狀

醫(yī)療機(jī)器人是醫(yī)工融合的典型設(shè)備，其研究領(lǐng)域涉及到醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和機(jī)械等多個(gè)學(xué)科。醫(yī)療機(jī)器人的研究和應(yīng)用對(duì)醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人和醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人是醫(yī)療機(jī)器人中兩種常見(jiàn)的類型。

圖4 紅細(xì)胞沉降檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2.1 醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人

與傳統(tǒng)的手動(dòng)手術(shù)相比，用機(jī)器人輔助外科手術(shù)具有很多的優(yōu)勢(shì)。第一，在機(jī)器人輔助的手術(shù)中，可以避免因外科醫(yī)生的手部震顫而影響手術(shù)效果[24]；第二，由于手持手術(shù)器械的靈活度有限，難以精確地控制器械靈巧地操作，從而會(huì)增加患者的疼痛、出血和手術(shù)切口的大小，而手術(shù)機(jī)器人可以有效地克服這個(gè)缺點(diǎn)[25]。此外，在一些高精度的手術(shù)過(guò)程中，使用傳統(tǒng)的手動(dòng)手術(shù)容易出現(xiàn)手術(shù)的失誤，而利用手術(shù)機(jī)器人就不會(huì)出現(xiàn)這種情況。正因?yàn)槭中g(shù)機(jī)器人的諸多優(yōu)勢(shì)，一直受到很多學(xué)者的關(guān)注。

近年來(lái)，微創(chuàng)手術(shù)(MIS)，由于具有恢復(fù)時(shí)間短、疤痕小等潛在優(yōu)勢(shì)在實(shí)踐中被廣泛用于執(zhí)行不同的醫(yī)療程序[26]。但是，由于微創(chuàng)手術(shù)的切口小，工作區(qū)域受限[27]，很難利用傳統(tǒng)手術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了解決這些問(wèn)題，一些用于微創(chuàng)手術(shù)的機(jī)器人被研發(fā)和應(yīng)用[28]。但是由于現(xiàn)有的微創(chuàng)外科手術(shù)(MIS)機(jī)器人體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，大大增加了手術(shù)成本，限制了MIS機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用。因此，小型化和便攜化逐漸成為MIS機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向。2020年，ZHANG H F等[25]設(shè)計(jì)了一款新型MIS機(jī)器人，該微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人將傳統(tǒng)微創(chuàng)技術(shù)的高效性與機(jī)器人操作的靈巧性相結(jié)合，解決了現(xiàn)有主從式MIS機(jī)器人體積大、質(zhì)量重的問(wèn)題以及現(xiàn)有手持機(jī)器人直觀可操作性差的問(wèn)題。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人逐漸發(fā)展起來(lái)。遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用可以有效解決醫(yī)療資源分布不均勻的問(wèn)題。此外，在例如地震、戰(zhàn)場(chǎng)或射線等手術(shù)環(huán)境中，使用遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人協(xié)助對(duì)患者進(jìn)行治療，可以防止醫(yī)生受到傷害[29]。近年來(lái)，相關(guān)研究人員對(duì)遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行了廣泛的研究。2019年6月，世界首例基于5G網(wǎng)絡(luò)的“一對(duì)多”遠(yuǎn)程骨科機(jī)器人手術(shù)在北京積水潭醫(yī)院完成，身在北京的骨科專家同時(shí)為山東和浙江的兩位患者進(jìn)行了手術(shù)，這次嘗試進(jìn)一步發(fā)展了遠(yuǎn)程手術(shù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療的形式[30]。同年9月，全軍肝膽外科研究所與康多機(jī)器人公司合作，完成了全球首例多點(diǎn)協(xié)同5G遠(yuǎn)程多學(xué)科機(jī)器人手術(shù)試驗(yàn)，并且成功地對(duì)動(dòng)物實(shí)施了胃腸切除和肝切除[31]，為遠(yuǎn)程手術(shù)機(jī)器人的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人的應(yīng)用是外科手術(shù)的一個(gè)重大進(jìn)步，對(duì)于提高手術(shù)精準(zhǔn)性、節(jié)省外科醫(yī)生體力等方面具有重大意義。

2.2 醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人

中風(fēng)是21世紀(jì)最常見(jiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病之一[32]，中風(fēng)的患者往往會(huì)患有行動(dòng)不便、運(yùn)動(dòng)障礙和認(rèn)知障礙，這些患者都需要專業(yè)人員為其做特殊護(hù)理。由于老齡化現(xiàn)象的日益嚴(yán)重，中風(fēng)的患者數(shù)量會(huì)日益增多，醫(yī)療系統(tǒng)將無(wú)法為每一位中風(fēng)的患者提供特殊護(hù)理。醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人可以幫助中風(fēng)的患者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和康復(fù)訓(xùn)練，可以有效解決醫(yī)療系統(tǒng)中康復(fù)師短缺的問(wèn)題[33],成為近年來(lái)醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

運(yùn)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人是康復(fù)機(jī)器人的一種類型，可以幫助運(yùn)動(dòng)功能障礙的患者進(jìn)行骨骼、肌肉和關(guān)節(jié)的訓(xùn)練，以恢復(fù)或改善其運(yùn)動(dòng)功能。2021年，MENG Q L等[34]將末端執(zhí)行器型機(jī)器人與外骨骼型機(jī)器人相結(jié)合，提出了一種新型基于末端執(zhí)行器的4自由度空間訓(xùn)練上肢康復(fù)機(jī)器人，如圖5所示。該機(jī)器人可協(xié)助人類上肢進(jìn)行肩關(guān)節(jié)屈曲、伸展、內(nèi)收、外展和肘關(guān)節(jié)屈曲、伸展的康復(fù)訓(xùn)練。同年，OYMAN E L等[35]提出了一種電纜驅(qū)動(dòng)康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制，該機(jī)器人可以很容易地配置為在不需要任何矯形器的情況下鍛煉不同的關(guān)節(jié)，如肘部、肩部、臀部、膝蓋和腳踝。

認(rèn)知障礙機(jī)器人是康復(fù)機(jī)器人的另一種類型。認(rèn)知障礙康復(fù)機(jī)器人可以通過(guò)一些與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的刺激與患者進(jìn)行交互，增強(qiáng)患者對(duì)環(huán)境的感知，從而恢復(fù)患者的認(rèn)知能力[36]。2012年，KUBOTA N等[37]為單側(cè)空間忽視患者開(kāi)發(fā)了CRT機(jī)器人。該機(jī)器人基于3D距離圖像傳感器，可以觀察人體運(yùn)動(dòng)。觀察到的數(shù)據(jù)可以為治療師提供重要信息，以顯示康復(fù)狀態(tài)。2018年，ANDRIELLA A等[38]開(kāi)發(fā)了一個(gè)嵌入機(jī)器人的決策系統(tǒng)，該機(jī)器人可以與認(rèn)知功能障礙的患者建立有效的互動(dòng)，護(hù)理者可以利用該系統(tǒng)在進(jìn)行認(rèn)知訓(xùn)練時(shí)激勵(lì)和支持患者。

醫(yī)療康復(fù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用是臨床康復(fù)技術(shù)的一個(gè)重大進(jìn)步，對(duì)于行動(dòng)不便、運(yùn)動(dòng)障礙或者認(rèn)知障礙患者的康復(fù)治療具有很大的幫助，有著廣闊的研究前景。

3 高端醫(yī)療裝備的研究趨勢(shì)

歷經(jīng)多年的發(fā)展，基于醫(yī)工融合的高端醫(yī)療裝備得到了廣泛的應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)成像、臨床檢測(cè)、治療和康復(fù)等領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。但是現(xiàn)有的醫(yī)療裝備仍然存在著尚未解決的問(wèn)題。

醫(yī)學(xué)電阻抗設(shè)備目前在臨床應(yīng)用中存在眾多的影響因素，例如在采集人體組織的阻抗信息時(shí)易受到體位、攝入食物量、體脂含量等因素的影響[39]。如何解決醫(yī)學(xué)電阻抗設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果易受影響因素干擾的問(wèn)題，仍然需要相關(guān)科研人員的進(jìn)一步研究。

現(xiàn)有的醫(yī)療機(jī)器人仍然只是起到輔助作用，不能在沒(méi)有醫(yī)生參與的情況下獨(dú)立完成病人的手術(shù)和康復(fù)過(guò)程。實(shí)現(xiàn)醫(yī)療機(jī)器人的自動(dòng)化、智能化是醫(yī)療機(jī)器人未來(lái)的研究方向。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步、學(xué)科交叉的逐漸深入，基于醫(yī)工融合的先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備受到了廣泛的研究，并且已經(jīng)取得了很多研究成果。本文主要對(duì)醫(yī)學(xué)電阻抗設(shè)備、醫(yī)療機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，并對(duì)未來(lái)的研究趨勢(shì)進(jìn)行了分析，為相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供一個(gè)參考，有利于其未來(lái)的研究工作。