醫療超聲機器人的研究進展

李奇軒，張釩，奚謙逸，焦竹青，倪昕曄

1.常州大學 微電子與控制工程學院，江蘇 常州 213164；2.南京醫科大學附屬常州第二人民醫院 放療科，江蘇 常州 213003；3.南京醫科大學 醫學物理研究中心，江蘇 常州 213003

引言

醫療超聲機器人可以定義為超聲成像設備與機器人系統的結合[1]（以下簡稱超聲機器人）。超聲機器人系統的主體部分由多自由度機械臂、超聲掃描儀、力控傳感器、示教器組成，在此基礎上，可添加深度相機、力反饋裝置等設備實現額外的功能。超聲機器人領域發展較晚，但目前已經涌現出多種超聲機器人系統并可應用于各種醫療工作中。當前，國內超聲醫生的數量不能滿足廣大患者的需求，超聲科患者需要排隊等待檢查的現象在鄉鎮醫院很常見。此外，超聲醫生的整體水平也不能很好地滿足當前的醫療需求。

隨著超聲機器人的出現，醫療資源短缺的問題將在一定程度上得到解決。超聲機器人不僅能夠通過獲得高質量超聲圖像幫助醫生做出準確判斷，還能夠緩解超聲醫生的工作壓力，這對于提高醫療效率與診斷準確度大有裨益。在傳統的人工超聲檢查中，超聲圖像質量不僅取決于超聲儀器的參數設置，還與醫生的經驗有很大關系[2]。現在，超聲圖像將在超聲機器人精確的定位與合適的接觸力控制下獲取，避免了由于醫生主觀判斷造成的誤差。通過人機協作，超聲機器人可以在手術、放療與臨床診斷中為醫生提供幫助，從而提高診療效率。本文介紹了超聲機器人的優勢與目前較為前沿的技術，并對其在醫療領域中的主要應用方向進行可行性研究。

1 超聲機器人的優點

超聲機器人作為協作機器人的一種，其柔性化程度較高。與工業機器人不同，協作機器人具備靈活化、輕量化、小型化的特征，可用于實時超聲的獲取。憑借高精度，高靈活和可重復的特性，機器人特別適合與超聲檢查相結合。

超聲機器人能夠進行長時間高強度的工作，減少醫生掃查壓力與肌肉損傷。例如，醫生在掃描高體重指數的患者時要施加更大的壓力才能得到高質量圖像，這會造成醫生的肌肉勞損[3]。與手持超聲探頭檢測相比，機器人定位精度更高且機械臂末端對接觸力調整更準確，這有利于高質量超聲圖像的獲取。更重要的是，超聲機器人環境適應性強，可代替醫生進入有輻射或易傳染的環境。

超聲機器人往往有足夠的自由度來確保機械臂能夠按照要求將超聲探頭移動到期望位置，力反饋的準確度和機械臂的靈活度能夠為超聲機器人帶來巨大優勢[4]。機械臂末端的力控傳感器可以反饋被掃描組織與探頭發射平面之間的接觸力，操作者通過觀察反饋回來的接觸力數值，使用操縱桿以人工控制的方式或通過機器人系統的力覺控制算法，以智能控制的方式改變超聲探頭對目標位置施加的力的大小，避免檢查過程中接觸力過大，從而保證患者的安全。

各項研究結果表明，超聲機器人可以通過軟件算法編程實現半自動或全自動超聲檢查。2016年，Kim等[5]將超聲探頭固定在機械臂末端，利用力反饋設備Phantom Omni遙控機械臂完成超聲掃描，他們提出的合規力控制算法與前向流動觸覺算法，為醫生與超聲機器人之間的人機協作提供了良好的保證，在一定程度上緩解了醫生的工作壓力，但該方法仍需由醫生手動操作，沒有完全實現自動化。2020年，成天佑等[6]提出基于視觸覺的超聲探頭自動定位方法，利用組合圖像處理算法和匹配算法進行小目標特征點檢測，然后利用機械臂基于期望圖像，通過位置視覺伺服和位姿變換引導超聲探頭到達期望位置，最后通過力覺閉環控制算法來微調超聲探頭位置從而保證接觸力穩定。與上面的人工遙控方法相比，該系統實現了自動定位，超聲探頭的定位精度更高，與被測物體接觸力更穩定。2021年，Ning等[7]提出的全自動超聲成像系統與狀態表示模型和強化學習模型結合，在RGB圖像的視覺引導下為機械臂提供空間動作指令。他們提出的力-位移控制方法可實現超聲探頭在不穩定軟目標上的自適應恒力跟蹤，與傳統的位移到力的方法相比，該方法有效避免了二者間關系的推導，通過輸出接觸力直接獲得較好的接觸效果。呼吸和運動補償是超聲機器人系統能否得到高質量圖像的關鍵，他們通過呼吸補償實驗驗證了該系統能夠實現穩定接觸。此外，機器人也可以在末端通過阻抗控制實現探頭準確定位并補償不均勻和移動的表面，使探頭在超聲掃描過程中保持與被測物表面的穩定接觸[8]。目前，很多學者也在利用點云圖像信息進行機器人運動軌跡的規劃。他們使用深度相機捕捉皮膚表面點云，并將點云數據用于路徑規劃和視覺引導，根據皮膚表面的三維輪廓自動確定超聲探頭的掃描范圍和掃描路徑，最終達到自動掃描的目的[9-10]。

2 超聲機器人應用于手術

超聲機器人在手術中能夠幫助醫生進行位置固定、插針、活檢與重復定位，并為醫生提供高質量的超聲圖像。例如，在穿刺手術過程中，機器人可以獨立地將超聲探頭固定在目標位置，以提供精準的穿刺定位[6]，避免因醫生難以長時間保持固定姿勢而導致的定位誤差。

許多外科手術需要準確地放置針頭，在超聲圖像引導下進行插針是比較常見的插入手段。在傳統的徒手技術中，醫生往往需要同時使用雙手操作超聲探頭和針，這一高難度的操作容易導致一定的位置偏差和過量的針插入[11]。術中人體組織往往會產生移動，這將很難對目標區域進行精確定位。一些超聲機器人系統現已被證實可用于實時超聲引導針插入，并能夠對組織的移動進行精確的運動補償。例如，Chevrie等[12]提出一種控制算法用于超聲機器人針插入，使機器人在超聲引導針尖向目標移動的同時補償組織的運動。他們在組織運動距離最大可達15 mm的情況下移動牛的肝臟，獲得（2.5±0.7）mm的平均靶向精度。此精度符合大多數臨床插針要求，證明了超聲機器人應用于術中針插入的可行性。

活檢，即活體組織檢查，往往采用切除、穿刺、搔刮等手術方式從活體中獲取病變組織，通過在手術中對病變組織進行冷凍處理來保持組織原貌，達到病理診斷的目的。機器人能夠根據超聲圖像將針引導至目標上進行活檢。Kim等[13]提出一種結合超聲機器人和平面校準設備的二維超聲探頭校準方法，應用于經直腸超聲探頭的機器人輔助前列腺活檢。他們通過體外實驗得到機器人輔助超聲引導針的整體靶向精度為1.55 mm，對于靶向小的、臨床顯著的前列腺癌病變，此精度是足夠的。

超聲機器人應用于手術需要具有高度重復性才能在臨床中被接受。與醫生手持超聲探頭相比，超聲機器人重復定位精度高，具有良好的可重復性。Kojcev等[14]將機器人超聲成像與專家操作的超聲成像進行比較，評估測量的再現性。專家對4名志愿者的左右甲狀腺葉的前后、縱向和橫向長度分別進行3次測量，共測量72次。隨后，機器人系統執行與專家相同的步驟，共進行144次臨床相關測量。結果表明，超聲機器人能夠實現更多可重復的測量，產生更具重現性的數據。Kaminski等[15]提出的超聲機器人系統可以根據預設掃描路徑和對患者先前掃描時計算出的參數提供后續可重復的自動掃描，并允許醫生結合預設軌跡與實時力反饋控制來再現相似的超聲圖像，實現了超聲圖像的可重復獲取。

超聲機器人系統的成像質量是決定其能否替代部分人工應用于手術的關鍵因素之一。Chatelain等[16]提出多任務方法，該方法基于目標在圖像中的位置與從超聲置信度圖中提取的特征使機器人控制超聲探頭運動，他們通過模體實驗證明了該方法能夠優化超聲圖像質量。Aalamifar等[17]提出的機器人輔助超聲斷層成像系統，可提供軟組織斷層成像以及更深層次的解剖掃描。經驗證，該系統能夠為手術提供高質量圖像。

3 超聲機器人應用于放射治療

現代放射治療的目的是對腫瘤以精確的劑量進行輻射，同時保證健康的組織免遭輻射[17]。超聲圖像引導放療技術是實現精準放療的先進技術，既能提供較好的軟組織對比度，也可以讓醫生更容易勾畫出靶區并將其與周圍的器官區分開。超聲波對患者無害，不會產生額外的輻射，可以用于治療過程中的持續監測[18-19]。Hsu等[20]對在放療期間使用超聲引導的可行性進行了評估并認為其可行。

放療療程周期長且次數多，放療前患者的位置定位不準確會導致放療效果大打折扣。在使用醫用充氣墊對患者進行身體固定的基礎上，利用機器人極強的重復定位能力可以保證多次放療位置準確，進而提高放療精確度。Sen等[21]開發的由醫生和機器人共同控制的超聲機器人系統采用軟虛擬固定裝置，能夠指導醫生快速并準確地放置超聲探頭，提高分割放療過程中探頭放置的重現性。經驗證，該系統能夠為分割放療期間的實時目標監測提供指導。

放療過程處于輻射環境下，探頭不能由醫生手持，需使用超聲機器人完成超聲引導任務。因此，能夠代替醫生進入輻射環境進行超聲引導的能力使得超聲機器人在放療領域有著巨大的應用潛力。Seitz等[22]設計的機器人超聲引導下的呼吸和運動控制系統，將超聲機器人系統的控制功能和圖像處理功能集成到同一個軟件平臺，驗證了機器人應用于超聲引導下的放射治療的可行性。

目前，前列腺是超聲機器人在放療研究中的主要研究部位，放射治療技術與機器人技術的進步使前列腺的運動補償立體定向全身放射治療（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）成為可能[23-24]。機器人超聲成像是實現SBRT期間快速、非電離體積成像的一種可行的方案，該方案對于使用高劑量和陡峭梯度的治療方案尤其有效[23]。需要注意的是，機器人超聲引導前列腺SBRT可行的前提是能夠合理選擇機器人的位置與配置。

機器人超聲引導放療時位置的選擇很關鍵，在放療中機械臂位置擺放不合理會阻擋部分射線，影響劑量分布，導致治療計劃質量降低[24]。通過使用運動學冗余機器人進行合理運動軌跡規劃，可達到減少射線衰減的目的，通過優化算法來優化超聲機器人的位置與配置也能有效減少機械臂對放療質量產生的負面影響[25-26]。Schlüter等[26]提出的分段機器人結構 Segment-Wise Robot Construction，SRC）算法與采用模擬退火（Simulated Annealing，SA）實現隨機搜索的算法對治療計劃的質量均有較大改善。其中，SRC算法優于采用SA的隨機搜索，但后者通用性更強，可以擴展至多種機器人。優化算法減輕了超聲機器人對治療計劃質量的負面影響，通過仔細選擇超聲波機器人的位置與配置，治療計劃的質量能夠得到保證。

綜上所述，在放射治療中使用超聲機器人能夠實現無創和非電離超聲圖像引導，超聲機器人有能力在放療期間對組織運動進行連續、準確和非電離跟蹤，并進行相應的運動補償，最終達到實時動態引導的目的。

4 超聲機器人應用于遠程診斷

人口老齡化嚴重的國情在一定程度上導致了慢性病患者數量迅速增長，部分地區治療能力不能滿足患者需求。醫療上的供不應求、移動醫療終端的普及、醫療物聯網的發展以及相關專業人員技術水平的提高，都在一定程度上推動了遠程醫療的快速發展。目前，機器人遠程超聲診斷技術已初步應用于臨床，在傳染病流行時期、在醫療資源匱乏地區均可達到常規的影像學診斷需求[27-28]。

機器人遠程超聲系統的主要流程為：在機械臂末端安裝超聲探頭并調整探頭的角度與位置后，醫生使用操縱桿遠程遙控機械臂對患者進行檢查，實時動態采集圖像并給出診斷意見。需要注意的是，遠程超聲擁有很大優勢的前提是擁有先進的超聲機器人系統和富有經驗的超聲診斷醫生。

機器人遠程超聲系統在真正大規模投入使用前，有幾個問題亟待解決：① 機器人在患者端對患者進行檢查時，部分患者的身體很難保持靜止狀態，這會影響到機器人的目標定位與恒力接觸功能；② 目前遠程超聲機器人系統對人體某些部位的掃查角度與力度不夠精確，采集到的圖像不能滿足診斷專家的需求；③ 對于欠發達的偏遠地區來說，超聲機器人系統高昂的價格與維護成本使得系統難以投入使用；④ 遠程超聲這一新技術的應用將對一線操作醫生提出更高要求，他們不僅要掌握自身領域的專業知識，還要對其他領域的關鍵技術有所了解。

超聲成像非常依賴于醫生掃查水平，常規二維超聲成像在維度上的局限性使圖像質量難以保證，在很大程度上由超聲醫生的知識儲量和掃查經驗決定[29]。Duan等[30]研究表明，超聲機器人可以獲取高質量的超聲圖像并幫助醫生進行診斷，超聲診斷系統與機器人結合可實現高度智能化，有效幫助缺乏經驗的超聲醫師提升診斷的準確率。目前已投入使用的深圳華大智造的機器人遠程超聲診斷系統MGIUS-R3，能夠實現自動掃圖與輔助讀圖功能，為醫生減少工作負擔并提供智能輔助診斷。Duan等[30]使用MGIUS-R3系統對32例患者進行檢查以評估該系統臨床應用的可行性。經對比，該系統與人工診斷只有5例結果不同且多為漏診，總體診斷結果基本一致，該系統的診斷結果能夠為醫生提供有效參考。此外，患者在系統完成檢查后均未出現身體不適的情況，系統安全性能夠得到保證。

隨著機器人技術的和通信技術的不斷進步，機器人遠程超聲診斷系統將逐漸走向成熟，最終在世界各地的醫療系統中實現遠程無接觸超聲檢查，人類將走進智慧醫療時代。2019年3月22日，世界首例5G超聲機器人遠程操作實現[31]。患者端與醫生端分別位于海南三亞與北京，在相隔幾千公里的情況下依托5G通信技術實現了機器人遠程超聲檢查。類似的，2020年9月21日，中山大學附屬第七醫院與云南省鳳慶縣人民醫院合作，通過遠程控制超聲機器人，也成功完成了1例實時遠程超聲檢查[32]。

遠程超聲在新型冠狀病毒肺炎的預防和控制中起到了重要作用，醫院通過使用機器人遠程超聲系統可以對患者進行安全有效的診斷[33]。遠程超聲系統的實施使得醫生可以對被隔離患者進行及時診斷和重復評估，超聲醫生通過遠程操控機器人對患者進行超聲檢查后，患者的心肺信息會被立即傳輸給一線臨床醫生。遠程超聲大大降低了超聲醫生被感染的可能，有效解決了疫情期間部分地區防護措施不完備的問題。在疫情防控常態化的環境下，機器人遠程超聲系統的重要性將進一步顯現。

5 總結與展望

本文對醫學領域中超聲機器人的優點及其在手術、放射治療、遠程診斷中的應用做了較為全面的綜述。隨著通信技術和機器人技術的發展，超聲機器人可以通過更快的傳輸速度、更智能的算法以及更安全高效的操作系統為醫生提供幫助。但是，超聲機器人系統產業化難度較大，大多還停留在試驗研發階段，存在缺乏充分的臨床驗證、生產成本高昂與系統安全性較低等問題。如何從模體實驗轉換到活體實驗再到實際臨床應用是我們必須長期重點關注的問題。

目前，超聲機器人已經被證明能夠成功應用于超聲檢查。現有技術主要包括接觸力精確控制、超聲圖像可重復獲取、自動超聲掃描與智能輔助診斷等。這些技術將極大地提高醫療工作效率，為超聲機器人大規模的臨床應用夯實基礎。未來，超聲機器人將變得更小、更智能、更精準，從而更適合臨床應用。醫學界與工業界需要加強合作并制定一個針對超聲機器人基準測試的標準化框架，以加快促進具有現實社會意義的超聲機器人系統的應用和臨床轉化。