科技日报特稿丨全球首个!几分钟完成“世界最难之一”手术→
摁下开关键,机器人复位操作启动。若是不凑近观察,几乎看不到患者小寒(化名)肌肉的轻微颤动。
仅耗时几分钟,骨盆复位完成。
几天后,这位13岁的小姑娘已可以下床走路。
“像她这样严重的骨盆损伤,如果没有手术机器人,采用人工复位至少需要4到5个小时,最终还有可能失败。”日前接受科技日报记者采访时,小寒的主治大夫、北京积水潭医院创伤骨科主任医师赵春鹏说。
图为赵春鹏在做把持针连接,为机器人复位做准备。科技日报记者 付丽丽 摄
赵春鹏口中的“手术机器人”,就是全球首个“骨盆骨折复位手术导航定位系统”。它由北京积水潭医院副院长吴新宝,联合北京航空航天大学生物与医学工程学院副教授、北京罗森博特科技有限公司创始人王豫等组建攻关团队,历时十余年研制而成。
找准点
在创伤骨科领域,骨盆骨折闭合复位被公认为“世界最难之一”的手术。
“如果将四肢骨折比喻为‘筷子’断了,那么骨盆骨折则相当于‘碗’碎了。”吴新宝告诉记者,“盆腔中有大量的神经、血管和脏器,切开手术极易带来其他损伤,闭合手术只有少数专家才能完成。”
能不能研发出一款骨盆复位机器人,提高手术效率与效果,惠及万千患者?吴新宝有了这样一个“执念”。2014年,在一次科研项目交流过程中,他与王豫一拍即合,攻关团队随即组成。
骨盆复原要想“天衣无缝”,首先要找准复位的点。然而,两年多时间里,团队不停地讨论、验证,软件、算法修改了成百上千次,依然无法有效解决这个难题。
“无数次都想放弃。”那段时间,吴新宝几乎陷入了绝望。直到有一天,在与团队激烈争论时,他突然想到镜像原理——骨盆整体上是对称结构,左边摔坏了,右边是好的,能不能照着右边复原左边?
“理论上这是行得通的,但要准确算出对称点位置,难度极大!”王豫解释道,与人的视觉感知不同,机器进行镜像计算时,一定要告诉它精准的对称面位置。即便识别出的角度只差一度,复原点与实际点也可能差出几厘米。
再三推敲实现路径后,团队选择使用骨盆未损伤部分做自对称——先选取完好部分的特征点,再用“照镜子”方式投射为对称面,通过配准两者之间的特征点,找到复位的最佳位置。
图为骨盆骨折复位手术导航定位系统在做三维图像配准。 科技日报记者 付丽丽 摄
特征点难选,就反复研究病例;配准计算耗时长,就优化迭代算法……最终,研发团队成功实现一次性全局快速配准,计算时长由起初的6000多秒缩短至80多秒。
配准的点越多,越能精准确定骨盆复原位置。吴新宝说:“最多时,在约两只手掌大的髂骨上,我们实现了两侧各一万多个点的一一对应,可以让骨盆复位严丝合缝。”
用好力
位置找准后,机器人就要操作机械臂移动骨盆复位。如何用好力,成为手术成功的关键。
2019年,在一次临床试验中,由于患者体形较胖,肌肉、韧带等软组织阻力大,机械臂力量不够,导致手术机器人“败下阵来”。
“常用的医用机械臂力量极限只有160牛顿,而医生最大用力可达300牛顿,相差悬殊。”吴新宝说,“怎么办?我们甚至考虑过工业机械臂,但很快又因为其体积、重量与风险不可控等因素,放弃了这一想法。”
“国外尝试的并联机械臂行不行?”一次团队研讨时,有人提议。大家顺着这个思路往下走,结果发现力量有了,但两只刚性机械臂又相互制约了自由度。
一个个想法被否决,研发又一次陷入停滞。
再度复盘手术过程时,吴新宝发现,有一个细节被大家忽视了——手术中,主刀医生难以独自徒手复位时,会有2至4名医生同时上台,在患者相关部位进行牵引、提供助力。
能否增加一个辅助牵引装置,为机械臂提供助力?“这个装置既要能给机械臂提供助力,又不能影响其自由度。”王豫解释道,“手术台上,辅助医生用力须根据主刀医生的需要,灵活调整方向和力度。”
这个“刚柔并济”的需求,实现起来太难了。就在大家百思不得其解时,王豫想到了小时候玩的弹簧秤——用弹簧做辅助牵引臂,力度大小可以渐变调整,同时还不影响机械臂的灵活性。
方案有了,接下来是模拟验证。团队专门从德国买来了“人工肌肉”,通过不断调整软组织的阻力,模拟临床实际情况,搭建生物力学模型进行测试。
当机械臂因阻力过大不能动弹时,团队成员按下了辅助牵引装置开关,弹簧臂开始一点点拉紧。“动了,机械臂动了!”大家欢呼起来。
测试结果表明,在辅助牵引装置的帮助下,机械臂牵引复位力需求降低了50%以上,现有机械臂力量终于可以满足复位需求了。
会“绕路”
“明明绕一点儿就过去了,你这机器人太‘笨’了!”在一次临床试验中,吴新宝冲王豫嚷了起来。
原来,是一个骨尖儿挡住了机械臂的去路。只要稍微换个角度就能过去,但它就是止步不前。情急之下,大家不得不把机器人卸下来,由吴新宝徒手操作完成手术。
“那时,机器人只会完成‘走直线、拐直角’这类常规动作,不会随机应变‘抄近路’。”赵春鹏说,“而在实际手术中,医生会根据具体情况灵活调整路线,牵引骨盆复位。”
“之前,我们重点考虑的是安全,所以一开始就为手术机器人划定了红线,一旦遇到阻力就得停下来。”王豫解释道。
那次失败后,大家意识到,必须设法让机器人具备实时规划前进路线的能力。王豫打比方道:“就像蚂蚁往窝里搬东西一样,遇到小石子时,它会蹭着石子绕过去,而不是停滞不前。”
机器人必须“自己聪明起来”!研发团队在机械臂上安装传感器,让机器人能够实时测量出复位过程中遇到的阻力;然后给控制软件添加功能模块,使其能判别不同方向阻力大小,为机械臂智能规划牵引路线。
那段时间,大家通宵达旦地干。反复试验、来回调试,当看到显示屏上机械臂的路径指针能像蚂蚁一样“绕路”时,王豫终于长舒了一口气。
历经3代样机迭代、无数次验证优化,2023年底,“骨盆骨折复位手术导航定位系统”成功通过国家药品监督管理局创新产品注册申请,获批第三类医疗器械注册证。目前,它已在100多例患者手术中得到应用,优良率超过96%,远高于医生徒手复位效果。
罗森博特手术机器人产品全家福。受访者供图
“在前不久召开的全国科技大会、国家科学技术奖励大会、两院院士大会上,习近平总书记强调,‘进一步加大科技创新力度’‘促进自主攻关产品推广应用和迭代升级’。这让我们深受鼓舞、倍添动力。”吴新宝说,“创新之路注定是曲折的,但只要坚定信心,掌握核心技术,即使国外做不出来,我们也能取得突破。下一步,团队将始终坚持面向人民生命健康,继续丰富机器人病例库,提升产品性能,为更多患者康复带来福祉!”
◎ 科技日报记者 付丽丽
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