針灸機器人的研究現狀*

管世豪 周可艷 徐培鑫 袁 紅 孫軍剛 王 超

醫療活動中出現的第1個機器人是1985年外科活檢手術中輔助定位神經的機器人,此后相繼出現了各類醫用機器人,例如醫療手術機器人、醫療輔助機器人和醫療康復機器人等[1]。機器人在醫療活動中的運用極大地促進了醫療行業的健康發展,讓人民群眾切身體會到高科技所帶來的便捷。在人工智能的時代背景下,針灸機器人的發展受文化、科技、經濟等多方面因素的影響。筆者對目前公開報道的針灸機器人及相關技術以及世界各國針灸智能醫療設備研發的進展進行分析,以期為針灸機器人相關從業者和針灸國際化、現代化提供一定的啟示。

1 智能針灸機器人國內外研發現狀

國際上對于智能針灸設備研發的相關報道早在20世紀90年代就有了[2],同時期中國對于針灸智能醫療設備的研發也逐步開始。印度圣澤維爾技術學院將電極刺激扳機點放置在手套內,利用該技術來對患者手掌穴位進行定位與刺激[3];美國STROMATEC公司研發的針刺傳感器[4]可以收集針灸師針刺手法的幅度、頻率和時間等參數,進而將收集的數據進行量化;韓國慶熙大學利用手法波形的視覺反饋技術來指導初學者掌握針刺的提插手法[5];杜明輝教授團隊研發的智能電子針灸系統[6]與華佗牌SDZ-Ⅱ型電針儀聯用治療頸椎病、膝骨性關節炎;楊向萍等[7]研制的穴位識別裝置具有穴位識別和教學功能;成都中醫藥大學由梁繁榮教授等[8]帶領的團隊借助冷光、肌電圖等多種檢測手段為患者提供個體化的頭痛針灸治療方案。

目前來看,國際上醫用機器人行業發展比較迅速,市場前景廣闊,但是中國的相關行業仍處于初步階段。隨著經濟全球化及社會老齡化的日漸加重,研發服務于廣大人民群眾的針灸機器人最終將逐漸走入尋常百姓的家庭之中。

1.1 市場廣闊 需求旺盛針灸作為中國在國際醫療領域中非藥物療法的主要代表,具備基礎理論完善、臨床實踐豐富、操作簡便、綠色療法等優勢。近年來,針灸走出國門,面向世界,歐洲、韓國、日本派大量針灸留學生來華學習,目前已有130個國家和地區相繼開展了關于中醫針灸的學術研究和臨床應用[9]。據統計,國外的中醫醫療機構已達十萬多家,針灸、草藥已完全納入巴西全國統一醫療系統[10]。但由于中國針灸醫師數量有限,且培養一個優秀的外國針灸醫師周期長、難度大、只可意會不可言傳的針灸手法操作較多、在短時間內無法完全理解并掌握針灸知識和手法操作的精髓,這就必然導致針灸醫師在臨床應用中供不應求。因此,對于針灸的相關智能技術和設備需求巨大,智能針灸醫療設備的研發前景十分廣闊。

1.2 中外醫學文化與研發技術差異中醫學從宏觀出發,通過整體觀念來探索世界萬物之間的相互關系、相互影響,從而指導臨床實踐;而西醫學從微觀出發,依靠實驗室數據來研究物質的細微結構、成分和相關功能,從而導致兩者時理論體系、診療觀念和學科特征都有所不同[11]。且針灸知識大多為古文,翻譯為白話文往往都精深難懂,翻譯為外文更會將許多精髓錯解,因此中外語言差異也導致在傳道、授業、解惑時,會對一些針灸知識的含義發生錯誤的解讀。

智能醫療設備是知識與科技的結合,中外智能醫療設備研發技術,側重點也有所不同。國外注重高科技的提升,缺乏對針灸特色的解讀,主要對針刺過程的一個具體細節展開;而國內大多從多個層面研究針灸,但技術層面有待提高。從研究目的來說,西方國家開展針灸研究的主要目的是解決目前西醫臨床中常規治療難以解決的問題;國內臨床試驗目的大多是為了“弘揚中醫藥文化”,研究成果已經很少應用到各大醫院或轉化到針灸學院的教學之中,許多針灸特色因中外醫學文化和技術差異等原因未被真正應用于智能醫療設備中。

2 智能針灸機器人的研發進展

智能針灸機器人可以籠統地分為針刺機器人和艾灸機器人,具體的技術包括穴位定位技術、智能配穴技術、針刺手法技術和艾灸手法技術等,筆者在查閱資料的過程中發現,有些文獻或專利雖然沒有直接提及針灸機器人,但事實上是對針灸機器人相關技術的闡發或研究,故一并納入討論范圍。

2.1 針刺機器人的研發進展穴位定位技術:《黃帝內經》云:“刺之有道乎?岐伯答曰:刺此者, 必中氣穴, 無中肉節。中氣穴, 則針游于巷, 中肉節, 則皮膚痛”。針刺的前提是準確地進行穴位定位,能否準確定位,直接影響治療效果。傳統的定位方式有:解剖標志定位法;骨度分寸法;指寸定位法。《靈樞·九針十二原》載:“五臟有疾,當取之十二原”,原穴對于疾病的診斷更具代表性。研究發現原穴導電量穩定,穴敏現象明顯[12],對穴位定位技術的研發提供了啟示。中國對于穴位定位的研究與探索比比皆是。李延澤等[13]帶領的團隊研究發現經絡穴位處呈現出低阻抗、高電導率的特征,而非穴位特征恰恰相反,研發出簡易人體穴位識別治療儀,僅需將儀器的探頭放在皮膚上即可判斷穴位和非穴位。中醫腧穴智能定位系統具有2種尋穴功能:手動尋穴,可以隨機選擇背部穴位,從而進行定位;模式穴,將多個穴位組成的不同模式,選擇需要的模式來對多個穴位進行定位[14]。張競心等[15]根據數字經絡理論自主研發了智能針灸機器人,通過經絡循行路線的特征提取其幾何特征,利用計算機編程做出了分型經絡圖,再將其與機器視覺技術結合,首創了針灸機器人自動定穴功能,且初步完成人體試驗。

進針技術:穴位定位正確后,針刺時進針的速度、深度、準確度、穩定度都需要納入技術研發范圍。機器人的結構與人體生理結構有著巨大的差異,人機交互的柔順性及安全性是研發智能針灸機器人的重點問題,穴位定位準確后,如何安全、準確、快速地進針就顯得尤為重要。筆者通過查閱相關資料發現,針灸機器人在進針技術方面始終都在不斷完善,并且部分已投入臨床使用。自動針刺機械手[16]可以對針刺的深度、速度、角度和間隔時間等數據加以收集與分析,對針刺過程中的各項參數進行定量定性分析,為進針技術的發展提供數據支撐。儲雨奕帶領的團隊研發了微創手術穿刺機器人的弧形導軌RCM進針裝置,實現了對進針姿勢的調節,進針的角度可以隨意調節,此裝置在快速進針方面取得了巨大進步,減輕了針刺的疼痛感,可直達病灶[17]。自動進針路徑規劃:分析穿刺針的實時路徑,引導穿刺針以指定的路徑進行穿刺,提高了穿刺的安全性和有效性,縮小了因針刺組織的形態變異、體位改變等帶來的針刺誤差[18]。

智能配穴技術:《針灸精義》云:“不知穴之配合,猶如癲馬亂跑,不獨不能治病,且有使病機變生他種危險之狀態”,強調了穴位配伍的重要性。徐天成等[19]研發的數字-經絡智能針灸機器人系統,除具有前述技術外,還研發出智能穴位配伍的技術。智能配穴技術可以說是智能針灸機器人研發的重點和難點,機器人智能配穴技術要求將傳統的針灸理論和針灸特色轉化為符合現代醫學的模式,并且將其與科學技術相結合,目前徐天成團隊基于圖論的智能針灸配穴系統,在構建腧穴-主治網絡的基礎上,通過穴-癥的小世界網絡,為智能配穴模型的建立提供了一種可行的思路,為智能配穴開具中醫針灸處方奠定了堅實的基礎[19]。

針刺手法模擬技術:針刺時的行針手法是取得臨床療效的重要手段,針刺手法的刺激量與針刺療效密切相關[20]。臨床醫師在臨床工作中主觀性強、受自身經驗和慣性思維的影響,導致針刺的刺激量不統一,因此建立標準化的手法操作十分必要。古代醫家對于針刺手法量的劃定也不甚明確,在初始階段并無固定標準,直到上世紀70年代,石學敏院士提出了針刺手法量學的概念[21],隨后開展了對針刺手法量學的研究,運用多項技術,對針刺的角度、深度、時間、頻率、強度等數據進行研究。筆者通過查閱資料,發現現有的針刺手法模擬技術包括:楊華元等[22]研制的針刺手法參數分析儀可以將針灸師的針刺手法變換為電信號;涂濤等[23]運用計算機視覺技術對針刺手法進行區分、歸類,將獲得的針刺手法特征輸入分類器,該技術對不同的針刺手法區分正確率已達95.3%。但在針刺手法模擬技術方面,目前的相關研究在病證、穴位方面都較為單一,需要研究者投入更大的精力解決此技術。

2.2 艾灸機器人的研發進展與針灸機器人相比,艾灸機器人的開發難度相對較低。研發艾灸機器人的相關技術,就要了解傳統艾灸在操作過程中的不足:傳統人工艾灸對溫度難以控制,易灼傷皮膚、艾草燃燒時的煙霧常布滿整個診室、費時費力。針對相關問題,需要研發對應的技術,包括溫度感應技術、燃燒后煙霧收集技術、艾灸手法技術等。針對相關技術,國內也已有研究:趙國友等[24]設計了基于STM32的艾灸機械臂,可執行包括回旋灸和雀啄灸在內的多種灸法操作;張艷[25]設計了一種智能艾灸儀,對人工艾灸操作手法進行模擬,并選擇適當的傳感器,保證操作的精確性、安全性和有效性;張季冬[26]的智能化艾灸治療裝置可以實現多根艾條同時燃燒,燃燒時可以升降和旋轉,并裝有清潔過濾系統。艾灸機器人的各項技術已相對成熟,臨床治療中也大受歡迎。由于艾條的操作相對簡單,專業要求不高,多數患者以家用為主,所以與針刺機器人相比較,針對醫院具備高度自動化技術的艾灸機器人的需求和應用相對較少。

3 不足與展望

目前來看,智能針灸機器人是針灸研究的一個全新領域,其研究取得了一些突破性進展,智能針灸機器人的投入使用將會減輕臨床醫生的工作負擔,使醫療資源得以更加合理的分配;有利于收集臨床數據,提高針灸的可信度,促進兼顧針灸特色的、標準化的國際臨床治療與評價體系的建立[27]。

從整體來看,智能針灸機器人發展存在以下不足:智能針灸機器人雖在發展,但進展相對緩慢,原因在于研究人員少、研發成本高、核心技術難突破、學科特色與現代科學技術結合難度高、政府支持力度不夠、政策傾斜力度不大、行業規范不夠完善等,這都使得針灸機器人的研發困難重重,進度緩慢[28,29]。人機交互的柔順性與安全性決定了智能針灸機器人研發成功后,投入臨床使用還需要很長的時間、很艱辛的努力。從古至今,針灸乃至整個中醫行業都是醫患直面溝通,針灸的治療亦是如此。機器人對于針刺手法的模擬是否可以像針灸醫師一樣安全有效,人機交互的柔順性與安全性方面還需做努力。相關從業人員對針灸經典內容學習不夠透徹,針灸基礎研究與臨床嚴重脫節,研究成果難以回歸、提升臨床療效,科研人員與臨床醫師的聯系不夠緊密,使臨床特色常常難以與科技結合。

4 結語

前途是光明的,道路是曲折的,任何事物的發展都要歷經曲折,應對其有理性的、客觀的認識,在人工智能發展新時代,研發者需要有科學的哲學思考[30],對智能針灸機器人的研發亦是如此,勇于面對新的問題,提高自主創新能力,一切從實際出發。作為一名針灸人,要以嚴謹的、科學的態度去傳播和發展針灸,發展中醫,學習新思想、開拓新思路、研發新技術,產出國際認可的標準,從而促進智能針灸機器人的研制與推廣。智能針灸機器人的治療并不意味著絕對化的治療方案,統一機器人的針灸治療標準也并非絕對化的統一,并非所有患者都采取一樣的治療方案,需要在為患者提供個性化針灸治療與針刺量學的規范化研究之間取得均衡,這也會極大促進針灸學傳播與發展。智能針灸機器人是機械工程、生物醫學、計算機技術等多個學科的交匯貫通,是針灸在新時代走出國門、面向世界、逐步現代化過程中邁出的關鍵一步。