医疗机器人中的第一个 身体内的自主导航

波士顿儿童医院的生物工程师报告了第一次能够在体内自主导航的机器人。在一个心脏瓣膜修复的动物模型中,该团队编写了一个机器人导管,以便在一个打击的,充满血液的心脏的壁上找到它的方式到泄漏的瓣膜 - 没有外科医生的指导。他们今天在Science Robotics上报告了他们的工作。

外科医生使用操纵杆操作的机器人已有十多年了,团队已经证明,微型机器人可以通过磁力等外部力量穿过身体。然而,波士顿儿童小儿心脏生物工程主任皮埃尔·杜邦博士说,据他所知,这是第一份相当于自动驾驶汽车导航到体内理想目的地的报告。

杜邦设想自动机器人协助外科医生进行复杂的手术,减少疲劳并使外科医生能够专注于最困难的操作,从而改善结果。

“考虑到这一点的正确方法是通过战斗机飞行员和战斗机的类比,”他说。“战斗机承担了飞机等常规任务,因此飞行员可以专注于任务的高级任务。”

AI引导的触觉引导视觉

该团队的机器人导管使用杜邦实验室开发的光学触摸传感器进行导航,并通过心脏解剖图和术前扫描图进行了分析。触摸传感器使用人工智能(AI)和图像处理算法,使导管能够确定导管在心脏中的位置以及需要去的位置。

对于演示,该团队执行了一项技术要求很高的程序,称为瓣膜周围主动脉封堵术,用于修复已开始在边缘漏出的更换心脏瓣膜。(该团队为实验构建了自己的阀门。)一旦机器人导管到达泄漏位置,经验丰富的心脏外科医生就会控制并插入塞子来关闭泄漏。

在重复试验中,机器人导管成功地导航到心脏瓣膜泄漏的时间与外科医生大致相同(使用手动工具或操纵杆控制的机器人)。

生物启发导航

通过称为“墙跟随”的导航技术,机器人导管的光学触摸传感器定期对其环境进行采样,就像昆虫的触角或啮齿动物的胡须对周围环境进行采样,以构建不熟悉的黑暗环境的心理地图。传感器告诉导管它是否接触血液,心脏壁或瓣膜(通过安装在尖端的摄像头的图像)以及它有多么难以按压(以防止损坏跳动的心脏)。

来自术前成像和机器学习算法的数据帮助导管解释视觉特征。以这种方式,机器人导管自身从心脏的基部,沿着左心室的壁并且在泄漏的瓣膜周围前进,直到它到达泄漏的位置。

“这些算法可以帮助导管找出它接触的组织类型,它在心脏中的位置,以及它应该如何选择下一个动作以达到我们想要的位置,”杜邦解释说。

尽管自主式机器人比外科医生需要更长的时间才能到达泄漏阀门,但是它的墙壁跟随技术意味着它需要最长的路径。

“导航时间在统计上与所有人相当,我们认为这是非常令人印象深刻的,因为你在充满血液的跳动心脏内,并试图达到特定阀门上的毫米级目标,”杜邦说。

他补充说,机器人可视化和感知其环境的能力可以消除对荧光镜成像的需求,荧光成像通常用于此操作并使患者暴露于电离辐射。

对未来的展望?

杜邦说这个项目是他职业生涯中最具挑战性的。虽然在猪身上进行手术的心脏外科手术员能够在机器人发现瓣膜漏气的情况下放松,但该项目对杜邦的工程人员来说很费力,他们有时不得不重新编程机器人中途操作,因为他们完善了技术。

“我记得当我们团队的工程师走出OR完全耗尽的时候,但我们设法把它拉下来,”杜邦说。“现在我们已经展示了自主导航,更多的是可能的。”

一些了解杜邦工作的心脏介入医生设想使用机器人不仅仅是导航,例如执行常规的心脏绘图任务。有些人设想这种技术可以在特别困难或不寻常的情况下提供指导,或者协助世界上缺乏经验丰富的外科医生的部分人员进行手术。

随着美国食品和药物管理局开始为人工智能设备开发监管框架,杜邦设想全世界的自主手术机器人可以汇集他们的数据,以不断提高性能 - 就像现场的自动驾驶车辆一样将他们的数据发送回特​​斯拉以改进其算法。

“这不仅会提升竞争力,还会提升竞争力,”杜邦说。“世界上每一位临床医生都将在与其所在领域相媲美的技能和经验水平上运作。这一直是医疗机器人的承诺。自治可能是让我们在那里的原因。”

该研究由美国国立卫生研究院(R01HL124020)资助,得到ANR / Investissement d'avenir计划的部分支持。杜邦和他的几位共同作者是波士顿儿童医院举办的美国专利申请的发明人,该专利涉及光学成像技术。