“木星”穿刺介入手术导航机器人

    “木星”穿刺介入手术导航机器人是北京奥达智声医疗科技有限公司开发的一款应用于腹部实质性脏器精准穿刺导航的医疗机器人。该机器人系统采用了全球首创的技术方案，通过机械臂内部的位置传感器实现患者术前CT影像和术中实时的超声影像的自动融合，并完成对穿刺目标的自动导航。该系统由7自由度力控机械臂系统、自适应穿刺引导前端系统、人工智能目标标识系统、治疗计划术前规划系统、多模态影像融合系统和主动式目标搜索系统这六大子系统构成。

1）治疗计划术前规划系统

    术前规划的目的是更直观，更精准地辅助医生快速形成的治疗方案。术前规划系统涉及的技术较多，主要具有以下几个难点：第一，术前规划基于的数据是病人的CT或者MRI数据，在这些数据各器官都是以灰度值进行表示，非常不直观，需要将目标器官和组织单独提取并做渲染以利于观察。第二，CT或者MRI数据中，各器官是堆叠在一起，且边界相对模糊，如何快速且精准的提取各层图像目标器官和组织并做3维重构是一个难点。第三，医生在进行术前规划中，需要将穿刺路径避开一些重要的器官，且需要对规划的手术方案有个初步评估，以确保方案的准确性。团队经过多年技术研发，直观地观察病灶与周围著作更好的进行手术，采用立体和3维的方式直观提示规划进针路径和消融预设情况，有利于术前手术的进行和实施。

2）7自由度力控机械臂系统

    穿刺介入手术导航机器人系统中，机械臂是可以精准定位操作工具位置，且辅助医生进行便捷的操作是最基本和最重要的功能。

    7自由度机械臂基于结构和各关节角度位置信息使用正运动学可以获取末端的位置和姿态信息。且设计良好的机械臂可以达到非常高的精度，穿刺介入手术导航机器人系统中末端重复定位精度可达0.05mm。直接使用机械臂来定位末端穿刺设备的位置姿态，除了具有高精度外，还具有不易被干扰的特点。当前绝大多数的手术机器人或者辅助系统方案，如骨科手术机器人，使用的是磁力传感器或者光学红外摄像机定位装置来确定穿刺末端的位置和姿态。而手术室里电气设备众多，空间位置有限，磁力传感器极易受到干扰，而红外定位设备由于可能会被遮挡而看不到定位marker造成无法定位的问题。这些问题在手术中可能引起严重或者致命的后果，需要被解决和避免，而基于7自由度机械臂的定位，从原理上就不存在这些问题，且主动式机械臂在绝大多数的精准手术导航系统中本身就需要使用，并不会存在增加设备成本的问题。

    手术工具种类较多，且有些工具如穿刺介入手术导航机器人的穿刺前端重量较大，需要在手术过程中长期把持。因此如何轻松地将穿刺前端拖动来实施诊察，诊察完成后如何将其精准地移动到目标位置是穿刺介入手术导航机器人系统要解决的重点问题之一。为此，研发团队提出了基于末端六维力传感器及机械臂各关节阻抗的零力控制方案，具有前端重量补偿功能，使得医生可以直接以非常小的力轻松灵活地拖动穿刺前端到达指定的位置。同时具有主动安全运动模式，可以避免碰到病人身体，且精准地到达已经确认好的穿刺目标位置。

3）穿刺目标AI识别系统

    目标位置识别是导航系统的基础，只有准确地识别出要操作的目标的位置，才可以实施精准的手术。系统识别精准度直接决定了系统的准确性和可用性，为此发行人开发了基于超声图像特性的智能识别系统，制定了超声图像数据采集标注质检的公司内部规范，克服了超声图像边界模糊而无法统一标注及评价标准的问题。此外发行人针对超声视频中人体组织变化的特点，进行了基于连续超声视频的AI识别前处理及后处理工作，显著提高了识别的稳定性和准确性。精准的超声组织AI识别可以作为本穿刺介入手术导航机器人的一个重要子系统，是多模态印象拟合的基础，也可以单独作为一个产品分支，延伸出基于超声AI识别的读图，教育，培训等系统来进行推广和使用。

4）多模态影像融合系统

    穿刺介入手术导航机器人最主要目的是帮助医生实施便捷精准安全的手术，辅助医生将消融针顺利地刺入到指定的位置。而医生在手术过程中穿刺参考的依据是超声图像实时信息和系统所能提示的其他有用信息，如多模态超声图像与CT影像的融合结果。多模态的融合结构可以立体地展示当前超声扫描的位置与CT数据的关系，也可以通过二维的方式直接将超声图像与CT图像叠加，直观地展示超声图像与对应CT断面数据的融合结果，可以极大地提高医生穿刺的效率和准确度，减少穿刺风险。为达到良好的融合结果，发行人团队开发了超声CT数据立体配准技术，且考虑到肝脏形变等因素，加强了在肿瘤周围局部区域的特性配准，具有配准速度快，精度高的优势。

5）治疗目标主动搜索系统

    肿瘤消融系统是要将穿刺目标刺入到目标肿瘤中去，而由于超声成像的特点，肿瘤在超声图像中成像模糊，边界不清楚，通常难以精准地在超声图像中完全精准地识别出肿瘤的区域，但超声图像中的某些组织如血管胆囊等会有清晰的边界，便于精准的AI识别。借助于立体配准的融合结果和具有特征的血管AI识别结果，依据CT中目标肿瘤的位置和区域，反推出超声图像中肿瘤的位置并进行描记，并以一种合适的方式呈现，供医生参考。

6）自适应引导穿刺前端系统

    穿刺介入手术导航机器人的目的之一是形成高效的解决方案，自适应穿刺引导可以提供医生操作指引，形成在二维和三维的穿刺引导画面，方便医生在进行穿刺过程中实时判断当前进针情况与规划路径的偏差，穿刺目标与描记目标之间的偏差，降低医生在手术过程中的操作难度。且自适应穿刺引导前端系统可以自动到达与规划路径相同的进针位置和超声图像观测位置，极大提高医生寻找穿刺目标效率和穿刺的精准度。