磅策科技：工业机器人跨界研发采血机器人，独家应用超声引导成像

COVID-19全球流行,在应对新冠疫情时,各国的医疗卫生系统都受到极大挑战。无疑,此轮新冠疫情将影响全球的医疗卫生体系发展方向。目前,已经有建筑师、医疗卫生顾问讨论如何改变现代医院的设计,让医疗卫生系统能够更好地应对危机。

从一方面来看,新冠疫情爆发早期,医护人员大量接触感染病人,防护不到位,医护人员感染率较高。在疫情中,问诊机器人、消毒机器人、物流机器人等自动化设备成为医院刚需产品。可见,对于医院来说,未来要减少医院人员日常工作中的感染风险,公共卫生体系将朝着信息化、自动化方向发展。

动脉网了解到,来自哈工智能中央研究院的磅策机器人,从减少感染科护士采血感染风险的愿景出发,研发了一款在超声引导下的医疗穿刺采血机器人,实现血液标本自动收集、标本自动分拣整理,助力医院实现全自动化验检。

哈工智能是国内聚焦于高端智能装备制造和人工智能机器人的高科技上市公司,聚焦于高端智能装备制造和人工智能机器人,有着深厚的机器人研发经验,并以AI+ROBOT为核心发展理念,完善机器人生态圈。

虽然哈工智能在工业机器人方面已完成了全产业链布局,但医疗与工业是两个天差地别的行业,磅策机器人如何将工业机器人研发的经验移植到医疗领域中?采血机器人如何在医疗场景中真正实现落地?动脉网采访了磅策机器人CEO谢雷与CTO张兆东。

最为普遍的采血存在什么样的痛点

磅策机器人团队过去长期与机器人打交道,但是在他们看来,公司的发展一定是与社会责任相并重的。积累的技术方向应该用到最需要的场景中。

“我们最后选择了医疗机器人这个领域作为研发尝试的新领域,用我们在机器人领域积累的经验去解决医疗领域的问题。”

在调研中,磅策机器人的团队发现,在医疗机器人应用可以大致分为四大方向:首先是机器人+治疗方向;第二是机器人+诊断;第三是监护方向;第四是检验检测方向。谢雷认为,在治疗领域,已经有很多头部企业聚集,达芬奇机器人所属的直觉外科一骑绝尘。在诊断领域,更多偏向AI软件。监护领域更多是硬件设备为主。最后,磅策机器人选择诊断检测这个智能机器人应用相对空白的细分领域切入。

最初,磅策机器人团队发现检验科最容易和机器人结合的环节是采血后对血液试管的预处理环节。试管的摇匀、试管贴标等流程能够快速将工业机器人产品移植到医疗场景中。但磅策机器人团队想要做的是与医疗场景紧密结合的产品,而不是简单地将工业中的产品复制到医疗领域中。

在调研中,磅策机器人团队更进一步发现,在采血环节,护士被针扎而感染的风险非常大。谢雷表示:“我们想要研发采血机器人来减少护士感染风险,尤其是感染科和传染病医院的护士。我们曾经对医护人员进行过调查,发现年度人均针刺伤0．75次,辐射下的医生工作和患病率超60%。”

除了风险意外,护士采血工作量也非常大。磅策机器人CEO谢雷告诉动脉网:“在top100的三甲医院,日均采血次数达到6000人次;单个医护人员日均服务150人次,检验师在很多医院都要充当采血护士。”

三维成像保证穿刺精准性

扎针的动作对于护士来说是必修课。但是对于机器人来说,想要学习并完成扎针的动作需要首先拥有人类的“视觉能力”和“判断能力”。

张兆东表示,医用场景对于机器人的要求较高,磅策的团队在机械控制和人工智能领域都有着较深的积累,磅策团队克服的主要难点在于能否做到精准穿刺。

“因为我们在机器人领域有着较深的积累,一开始我们认为采血机器人的设计并不难,只需要去模拟护士扎针采血过程,用机械控制原理去完成就行。真正研发设计后才发现真正的难题在血管选择和穿刺控制上。因为血管的狭窄程度、深度、走向不同,穿刺的深度都有不同。在工业机器人设计中,我们只需要让机器人从A点到B点,但是在采血机器人的设计中,需要机器人做出精准的判断和决策。”

为了让采血机器人能够透视血管,磅策机器人研究了很多机器视觉AI技术,整合两种技术实现精准穿刺。

首先是红外成像技术,通过血管中血红蛋白的对红外光的反射,采集血管走向的数据,然后是应用超声成像。

“红外成像的图像就像是平面的GPS,在天空中虽然能看到具体的坐标,但是无法判断地下是否还有东西。在采血过程中,护士可以通过感觉判断针进入血管的深度,但是对机器而言,它是无法感知的。”

为了让机器能够立体、精准地感知血管的存在,磅策机器人决定在成像模块中加上超声图像。

加上超声图像,这让磅策机器人团队遇到了不小的困难,整个技术团队大多数都没有医学超声图像解析经验。我们通过很多行业内医学超声专家给我们补充了丰富的相关经验,并达成在医学超声影像下穿刺应用的长期合作。

“大家都知道超声需要医务人员打在正确的位置才能获得图像,不是说超声随意在什么地方都能获得图像。在采血机器人上,超声探头必须要与血管有一定角度,才能获得图像。我们在将这些要求转化为工程语言时下了很多功夫。”

应用超声图像方面是磅策团队研发投入花费时间最多的环节。有了超声图像后,可以掌握血管切面的图像,获得血管直径、深度的信息,帮助采血机器人建立起血管的三维坐标。

结合了红外成像和超声成像的磅策机器人在辅助超声定位下,可以实现快速3D图像定位,根据成像的血管分布图,快速计算出最优血管。在血管分割方面,通过超声图像进行探测并分割出动静脉的直径与位置。

在空间运动控制上,通过图像与超声的融合处理,该机器人可以计算出运动轨迹并完成穿刺采血。

两种图像识别技术的叠加,大大提高磅策机器人穿刺的精准度。通过精准的计算,采血机器人能够控制采血穿刺的入针角度和穿刺深度,给患者带来的疼痛感低于人工穿刺。

为了让采血机器人穿刺与护士采血的仿真程度更高,磅策机器人还增加了穿刺力反馈控制模块,可以实时监测穿刺力距,电机失速的数据变化,辅助视觉及运动部件的算法闭环,更好地提高穿刺的稳定性。

“在力反馈这一块,我们也花费了较多时间研发,我们去问护士如何做到一针见血,护士告诉我们,人的血管在皮肤下有一种特殊的感觉,当针穿刺进入血管后会有一种‘空落感’ 。机器捕捉这种特殊的感觉是很难的。我们想出了一个办法是加很多传感器,预测力量的变化。”

磅策机器人的产品目前还在研发迭代中,现在磅策的产品已经可以做到在一分钟内完成采血。目前,磅策的采血机器人可以分为六大系统:

穿刺采血系统:可以在医学图像AI计算后,进行引导穿刺;

电子压脉系统:可以实现接触膜更换,以及手臂的恒力压紧;

试管管理系统:实现试管贴标、试管分拣、试管摇匀等工作;

耗材管理系统:自动实现针头更换、消毒试剂更换和耦合剂更换;

止血护理系统:自动实现止血压紧处理;

人机交互系统:通过HIS/LIS系统,实现自动数据核对,同时进行示范教学展示。

通过六大系统覆盖了采血过程的各个环节。保证穿刺及采血成标准化,保证全流程符合采血标准且监控防错环节;避免患者及医护人员全程交叉感染问题、针刺伤问题。在自动化方面,采血及穿刺全流程自主无需人员介入干预。多种技术的叠加也保证了磅策机器人的产品能够应对肥胖患者、老年患者等各种特殊体质患者。

希望首先落地于传染病医院

在落地场景上,谢雷表示,作为一款新产品,磅策机器人团队希望最早的落地是在传染病医院和科室。

“COVID-19在全球爆发,让我们看到传染性疾病的可怕。发热门诊是非常高危的一个工作场景。如果我们按照严格的隔离、减少感染标准去管理发热门诊。那么采血机器人可以减少很大的风险。背靠哈工智能,我们做出这款产品,首要的动机是从社会价值上考量。”

护士采血往往需要在多场景移动情况下完成,因此,磅策机器人也在研发便携式采血机器人。在全世界来说,采血都是最普遍的就医程序之一,采血非常普遍并不意味着它是一项简单的事。