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从“米”到“毫米”的跨进

中国研究生 中国研究生 2024-01-26
机器人做手术是什么样子？一根直径 5mm 的细管探入体内，末端既可弯曲，又能够做圆周运动，就像蛇般灵活地穿梭到病灶附近并将其切除。
这就是华中科技大学查克拉手术刀队所研发的经自然腔道连续体超声导航手术机器人系统。该团队由陶波教授带领。
医工交叉攻坚小组（从左至右：郑果、王佳鑫、赵兴炜、侯立成、丁涛、陈特儒）
丁涛是该团队的主要成员之一，在进入连续体机器人的研发前，他一直面对着“大家伙”。当他初次站在一个长约 50 米的大型风电叶片下时，顿觉大国重器之大，而自己却如此渺小。如果全由人工打磨，这需要耗费多少人力？于是，课题组尝试用移动机器人替代人工打磨。大型风电叶片的打磨制造重点在于解决如何通过激光雷达去映射出各个机器人本身所在的位置，从而实现多机器人的协同工作。在指导老师的带领下，团队咬着牙攻坚克难，打造了一个多机器人移动加工系统，实现全天候的高品质打磨制造，将效率提高了数倍之多。科研的顺利让丁涛一度以为，自己可以凭借移动机器人技术在以“米”为单位的领域中继续走下去。直到一次大赛的经历，改变了丁涛的想法，也改变了他以后的科研道路。
除了丁涛以外，其余四名队员中有三名来自陶波课题组，一名来自同济医学院。能够聚在一起，源自大家对医学连续体机器人共同的兴趣与热爱。
2019 年年底，同济医学院的老师提出课题合作的构想，在简单听了方案后，队长陈特儒觉得该项目具备一定理论可行性与现实意义，但对医学手术一无所知的他始终无法将想象具象化，直至同济的老师带他在手术室观摩了几台手术，他才真正了解到自己要做的是什么。“之前都是以病人的身份进手术室，如今第一次穿着手术服亲临手术室观摩，确实紧张又兴奋，看着医生拿着精细化的手术工具操作时会多次紧张得不敢呼吸。一台手术耗时如此之久，确实是对医生身心的双重考验。”正是因为这次经历，让陈特儒真切感受到连续体机器人研究的可行性与必要性。
于是，团队在 2020 年初组建起来，团队成员各自擅长不同的方向：图像、结构、医学……大家分工明确，优势互补。
2021 年“光谷杯”第三届中国研究生机器人创新设计大赛如期在华中科技大学举行。经过前期一年多的努力与实践，在指导老师的带领下，团队五名成员带着初步成果投入到紧张的备赛中。
经自然腔道连续体超声导航手术机器人系统
经自然腔道手术在我国存在大量缺口。以 2018年为例，744 余万患者需要手术，实际手术量仅 32 万例，年手术缺口超 700 万，数百万的患者因为医疗资源紧缺而不能得到及时治疗。面对这样庞大的数据缺口，大家的内心为之触动，“我们想用机器人技术为社会解决一些实际问题”。团队成员认为，“采用更先进的技术提高手术安全性、有效性及自主性，是医疗和科研工作者共同努力的方向，并将产生巨大市场潜力”。
连续体机器人系统最初正是为良性前列腺增生的手术提出设计的。现有前列腺增生手术方式难以满足临床需求，该类手术操作困难，只能由经验丰富的医生实施，且手术过程中需要往复运动上万次，耗时长达 2 ～ 3 小时。与此同时，常规腹腔镜手术机器人无法进行这类自然腔道内手术，2017 年美国PROCEPT BioRobotics 公司研制的 AquaBeam 水刀机器人是第一款具有自主执行能力的前列腺增生专病手术机器人，但仍存在安全性和有效性问题。
紧跟医工交叉的时代潮流，解决“毫米”级的卡脖子难题，对丁涛及其团队而言似乎成了一件更具诱惑和挑战的事情。与此前的大型风电叶片不同，该项目面临的难点是要求机器人足够小，能够进入到人体自然腔道内进行精细化操作。
8 毫米，是人体尿道的最大直径，也是一般手术器械的直径。但是对于初步接触项目的团队成员来说，这个目标显得过于困难了些。于是，他们决定先以 10 毫米的直径为目标。10 毫米的加工直径，对于设计和加工来说都更加轻松，结构强度也容易达到期望水平，团队计划等达到 10 毫米之后再逐步缩小机器人的直径。
确定目标后，团队立即对经自然腔道手术进行了抽丝剥茧的了解。它是外科手术中的重要组成部分。10 毫米大的手术孔径，腔道狭窄、结构深入使得手术操作空间极小，超过 120 分钟的手术时间，造成医生的劳动强度之大可想而知。在以“米”为单位的领域中，团队中的机器人技术可谓是佼佼者，但是在 10 毫米复杂狭小空间内的灵巧操作，却让大家深深发怵。
得益于团队的优势互补和导师强有力的支撑，团队并未在设计过程中遇到太大风浪，一切都顺风顺水，直到准备将图纸上的设计搬进现实中的某一天。
机器人的零件制造成了最大的问题。每减小 1毫米的直径，零件的制造难度就呈几何级增长。“如果说能够生产 10 毫米直径的机器人零件一抓一大把的话，能够生产 8 毫米直径就少了很多，而到了 5 毫米就更是寥寥无几了。”负责结构设计的队员侯立成说。
这意味着，团队需要重新反思原有设计，尽可能把机器人拆成可制造的零件，“相同大小的零件，设计的形状直接决定了制造的难度。自由曲面的制造难度远高于圆台等形状的制造难度。”侯立成说。设计结果一次次不可用，团队就在这个基础上重新拆解、更新零件设计。
经过团队的潜心研究与迭代优化，连续体机器人从 10 毫米直径降到 8 毫米，极致的尺寸突破，最终实现了 5 毫米极小尺寸设计。
90 度的弯曲运动，灵活的圆周运动，连续可控使得 10 毫米复杂狭小空间内的操作问题迎刃而解，这也让整个项目往前推进了一大步。
该系统以医生作为决策核心，将影像导航技术、连续体机器人技术和激光手术技术相结合，将传统黑箱手术变成开放手术，经验手术变成数字化手术，有效降低了医生的劳动强度和患者负担，具有重要的科学与经济价值。
从“米”到“毫米”的跨进，不仅是丁涛个人在此次大赛中的重要收获，更让华中科技大学查克拉手术刀队站到科技创新的最前沿。课题组也为此成立了医工交叉的攻坚小组，坚定地向着高精尖技术出发。
最终，团队在“光谷杯”第三届中国研究生机器人创新设计大赛中荣获“特等奖”的佳绩。
当问及团队成员在此次大赛中的收获时，队长陈特儒说：“团队老师给予的大方向的引领和指导，使我有了更清晰的规划与认识；比赛中不断拓宽的视野和增长的见识让我很有获得感；与小伙伴们一次次的尝试，也让作为队长的我深刻认识到了责任和沟通的重要性。”
“越是高精尖的东西，结构设计越容易出问题，要兼具稳定性和安全性，每一毫米都不能轻视。设计的过程没有捷径，只有不断实践、不断迭代、深入思考，才能取得理想的效果。”侯立成谈道。
而对于丁涛而言，此次比赛不仅收获了荣誉，更重要的是为他指明了新的科研方向。“未来依旧有很长的路要走，将手术机器人系统应用于临床将会是我们接下来需要翻越的又一座高山。”

内容 | 《中国研究生》杂志3月刊

作者 | 赵红艳 张冉（华中科技大学）

编辑 | 雅琨




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