莊逸，丁皓，劉浩宇，闞孟菲，夏冬陽，丁思吉

1.上海理工大學 醫(yī)療器械與食品學院（上海，200093）

2.上海健康醫(yī)學院 醫(yī)療器械學院（上海，201318）

0 引言

近年來，各類流感病毒、埃博拉病毒在世界范圍內(nèi)頻繁爆發(fā)，給全世界人民的生命健康造成了巨大的威脅。不過每一次重大公共衛(wèi)生事件發(fā)生，都少不了白衣戰(zhàn)士與死神搏斗的身影，他們中的許多人還為此犧牲了自己生命。自2020 年初新型冠狀病毒爆發(fā)以來，醫(yī)護人員冒著生命危險，并且需要每天佩戴口罩、身著厚重的防護服［1］，連續(xù)工作數(shù)小時為患者進行治療，醫(yī)護人員長時間高強度的工作狀態(tài)也給疫情嚴重地區(qū)的抗疫工作帶來巨大挑戰(zhàn)。隨著疫情的不斷加劇，感染人數(shù)急劇增加，醫(yī)護人員與醫(yī)療防護物資的緊缺也為護理工作帶來了困難。由于此次新冠病毒的傳染性強，對患者的治療和疫情防控的工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)，醫(yī)護人員也面臨較大的感染風險。為此，在醫(yī)院臨床上使用機器人可以有效地解決這一系列問題。近些年來，隨著社會的快速發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的進步，機器人以其實用性、多樣性、高效性等優(yōu)點，在各行各業(yè)有著廣泛的應用，將機器人技術(shù)應用到醫(yī)療行業(yè)，也是人們在醫(yī)工結(jié)合［2］和打造智能醫(yī)療體系之路上的一次偉大嘗試。

1 醫(yī)用機器人的應用現(xiàn)狀

本研究結(jié)合具體場景，將疫情背景下可應用的無接觸醫(yī)用機器人進行簡要梳理，并大致歸為三類：移動式機器人、輔助功能機器人和智能診療機器人。移動式機器人主要用來運輸物品、巡邏及監(jiān)控等；輔助功能機器人可以代替醫(yī)生護士完成各種日常醫(yī)護工作；智能診療機器人主要是輔助或代替醫(yī)技人員對患者完成一些身體檢查工作。與工業(yè)機器人不同的是，由于醫(yī)療行業(yè)的特殊性，醫(yī)療機器人的工作對象是人，并且往往是身體機能都欠佳的病人，所以醫(yī)療機器人的精密性、安全性及倫理性都顯得格外重要。

1.1 移動式機器人

移動機器人其實就是在一個可以自主移動、導航的底盤上開發(fā)的一系列具備多功能的機器人，如送藥和送餐的運輸機器人、轉(zhuǎn)運機器人與消毒機器人等。

1.1.1 醫(yī)療運輸機器人

疫情期間，醫(yī)院以及隔離區(qū)域內(nèi)存在大量的醫(yī)療物資需要轉(zhuǎn)運，如防護服、手套、藥品等防疫物資，以及生物樣本、醫(yī)療廢棄物等具有傳染性的高危物品。如果使用機器人運輸轉(zhuǎn)運，既可以節(jié)省人力，又能降低病毒傳染風險，這就需要運輸機器人具有很高的靈活性，并且能夠感知環(huán)境、路徑規(guī)劃和自主導航。實現(xiàn)此目的的方法主要有利用攝像頭的視覺導航［3］、激光雷達導航［4］、衛(wèi)星定位導航以及通過鋪設(shè)電磁軌道的磁導航［5］等。受室內(nèi)環(huán)境的限制，后兩種導航方式在室內(nèi)醫(yī)療環(huán)境應用較少。最早在1989 年，美國TRC 公司就設(shè)計出Helpmate 移動機器人并在醫(yī)院首次應用［6］，該機器人使用視覺信息、超聲波以及紅外接近傳感器實現(xiàn)障礙物的檢測，從而完成餐盤、藥品的運送。2010 年Takahashia［7］開發(fā)了一種基于激光測距儀、超聲波傳感器和立體視覺系統(tǒng)的機器人MKR，如圖1（a），適用于在醫(yī)院公共設(shè)施中安全可靠地運送行李、重要標本和其他材料。2011 年英國開始在醫(yī)院應用一款名叫TUGs 的護理機器人［8］，可以通過攝像頭掃描并存儲周圍環(huán)境實現(xiàn)自動識別醫(yī)院中復雜的通道，完成藥物、垃圾的運輸工作。馬里蘭大學醫(yī)學中心［9］也對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，測試了機器人在重癥監(jiān)護室送藥的可靠性，通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析得出在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，機器人可以替代人工完成送藥工作并保證及時性與可靠性。

在此次新冠疫情中亦有許多運輸機器人在醫(yī)院應用的例子，如普渡科技的“歡樂送”機器人代替人工送餐，如圖1（b），送餐機器人配備了四層托盤，一次可配送四間房間。廣東省人民醫(yī)院引進的雙胞胎機器人“平平”和“安安”，如圖1（c），機器人主動完成物資的配送，可實現(xiàn)自主開關(guān)門、自主搭乘電梯等功能，同時還能對各個病區(qū)進行實時影像監(jiān)控與互動。在湖北、廣東、浙江等省市的醫(yī)院，上海擎朗智能科技有限公司研發(fā)的“小花生”機器人［10］，如圖1（d），利用激光、紅外、聲納、視覺等傳感器完成自主無軌運行，可24 h 無間斷工作，大大減輕醫(yī)護人員工作量，降低臨床工作人員的安全風險。

除了運輸物資，還有專門用來移動患者的轉(zhuǎn)運機器人，與運輸物品不同，在轉(zhuǎn)運人員時必須要考慮機器人的安全性、舒適性以及人機交互的便捷性。早期日本科學家研發(fā)的醫(yī)用搬運機器人RIBA［11］，如圖1（e），其主要功能是將患者從床上搬到輪椅上，其上肢覆蓋了觸覺傳感器，能為操作者提供適當?shù)慕换シ答?。還有日本松下公司設(shè)計的 Resyone 機器人［12］，能實現(xiàn)床椅分離，便于患者的轉(zhuǎn)運移動。此類機器人可以很大程度上減輕護理人員的負擔，甚至可以無需醫(yī)護人員直接接觸患者，就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)運，在疫情期間應用可以在一定程度上保護醫(yī)護人員的生命安全。

圖1 移動機器人Fig.1 Mobile robot

1.1.2 消毒機器人

為了阻斷病毒的傳播，需要對醫(yī)院等公共場所環(huán)境進行消毒，需要靈活性強、覆蓋范圍廣、消毒效率高的機器人來完成此項工作。其關(guān)鍵技術(shù)在于移動機器人底盤上加裝的消毒模塊。現(xiàn)有的消毒模塊主要包括紫外線燈、疝氣燈、消毒藥水噴嘴、空氣過濾等等。Chanprakon 等［13］曾開發(fā)了一款用于手術(shù)室消毒的機器人，通過紫外線照射消滅病菌，該機器人可通過無線遙控手動導航在手術(shù)室內(nèi)完成消毒工作，還不能實現(xiàn)完全自主導航移動。歐洲的藍色海洋公司推出的機器人由一個配備有多個激光雷達傳感器的移動基座和若干個短波紫外線燈組成，每秒發(fā)出20J/m2的波長254 nm 的紫外線，以消除細菌和其他有害微生物。與此類似的還有英國Finsen 公司的THOR UVC 機器人，劍橋大學三一學院研制的Akara 機器人，Tru-D SmartUVC［14］機器人以及HELIOS 紫外線消毒殺菌機器人。總部位于圣安東尼奧的Xenex Disinfection Services LLC 生產(chǎn)的全光譜紫外線滅菌機器人［15］使用氙氣燈產(chǎn)生高強度，全殺菌光譜的UVC 光（波長200 ～315 nm）。南洋理工大學研制的XDBOT［16］通過局域網(wǎng)連接電腦，并接受電腦發(fā)出的指令，此機器人帶有一個特殊噴嘴，與普通的噴嘴不同，XDBOT 的噴嘴排放帶正電荷的化學藥品，這些消毒劑將被吸引到所有帶負電荷的表面，利用異性相吸原理提高消毒效率。除了這些消毒方式外，上海的TMI Robotics［17］還提出了利用組合紫外線、超干汽化過氧化氫、空氣過濾的消毒方式，可以根據(jù)消毒空間自動選擇任意消毒方式的組合，可以做到任意空間消毒不留死角。

此類消毒機器人在疫情防控期間可以在醫(yī)院場景下自主完成消毒工作，做到全方位、高效率、無死角，既可以減輕醫(yī)護人員的負擔，又能降低醫(yī)護人員感染風險。

綜合來看，此類移動機器人主要包括運動模塊、控制模塊、導航模塊和相應的具體功能模塊，由于機器人所處的環(huán)境是未知的動態(tài)變化的，所以其關(guān)鍵技術(shù)就在于利用傳感器自主地感知周邊環(huán)境并利用軟件算法實現(xiàn)定位與導航，也就是即時定位與地圖構(gòu)建（SLAM）技術(shù)［18］。

1.2 輔助功能機器人

在疫情期間醫(yī)院里許多場景下醫(yī)生和護士需要和患者直接接觸，比如醫(yī)生每天到病房查房，到手術(shù)室做手術(shù)、急救插管；護士給患者輸液、打針、樣本采集等。這些場景都離不開與患者的接觸，如果將這些工作在疫情期間全都由機器人代勞，那么醫(yī)生以及護理人員被傳染的概率就會大大降低。下面對最典型的手術(shù)、輸液和咽拭子采集三種場景下應用到的無接觸醫(yī)用機器人進行了梳理。

1.2.1 手術(shù)機器人

提到手術(shù)機器人就不得不提本世紀初開始廣泛使用的達芬奇手術(shù)機器人系統(tǒng)，主要由遠程控制系統(tǒng)、機械臂系統(tǒng)和視覺成像系統(tǒng)組成［19］。此機器人的關(guān)鍵優(yōu)勢之處在于擁有強大的三維影像技術(shù)、靈活精準的機械臂和微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)。除了使用視覺成像技術(shù)進行遠程操控手術(shù)機器人之外，澳大利亞迪肯大學和哈佛大學聯(lián)手打造了一款自帶觸覺反饋的HeroSurg 機器人［20-21］，通過自帶的傳感器將執(zhí)行裝置感受到的力通過震動反饋給操作者，使操作者在使用時能更精準地把控力度，從而提高安全性和可靠性。

1.2.2 輸液輔助機器人

（1）配藥環(huán)節(jié)

此類注射藥物配藥機器人國內(nèi)外從本世紀初開始到現(xiàn)在也有所成果，比如加拿大的RVIA［22］、意大利的i.v.STATIO 機器人［23］，都配備了藥液配制單元、藥品藥具傳送單元、廢品自動處理單元、條碼掃描、LCD 觸摸屏及電子設(shè)備艙，能夠?qū)崿F(xiàn)自動配給注射藥物。哈爾濱工業(yè)大學的許志明［24］研制出一款輸液配藥機器人，主要包括藥品安置模塊、物品抓取、抽取注射、消毒等模塊，還特別加入機器視覺圖像識別藥瓶的輪廓來完成藥瓶的擊碎、抽取等任務。

（2）穿刺

輸液最重要的一個環(huán)節(jié)就是靜脈穿刺，要想讓機器完成靜脈穿刺，就必須攻克以下幾個難點：準確識別靜脈；高精度、平穩(wěn)地完成穿刺動作；明顯的穿刺反饋。靜脈識別技術(shù)主要有可見光譜識別、近紅外成像識別、超聲波識別［25］等。美國伍斯特理工學院Carvalho 等［26］研制的輔助設(shè)備，采用近紅外單目成像識別靜脈，利用四自由度機械臂操作針頭，加入力反饋技術(shù)，即通過針頭受到的軸向力的變化判斷插入深度，從而順利完成穿刺。羅格斯大學Max［27］研制的一個3 自由度的機架加上一個4 自由度的機械手，結(jié)合了三維近紅外成像和超聲圖像跟蹤針頭位置，以15° 的角度將針插入靜脈，誤差可以達到0.3 mm。此類機器人目前大都停留在實驗室階段，由于成本過高，結(jié)構(gòu)和控制過于復雜，且應用到臨床需要大量安全論證與實驗論證。另外，國內(nèi)的邁納士、哈工智能［28］等公司也在研發(fā)相應的整套全自動無人靜脈穿刺、輸液采血系統(tǒng)，相信在不久的將來可以看到此類產(chǎn)品投入使用。

（3）監(jiān)測

在隔離病房中為了實現(xiàn)無人看護，需要實時監(jiān)測藥液量，并及時提醒護士更換藥瓶或?qū)崿F(xiàn)自動切換藥瓶，目前相關(guān)技術(shù)已被使用，如通過紅外光電信號、超聲波、力學變化、CCD 圖像識別［29-31］對滴速的監(jiān)控，對藥液位置的判斷與預警功能。同時，利用簡單的機械結(jié)構(gòu)，結(jié)合傳感器模塊、消毒模塊、控制模塊可以完成自動切換輸液藥瓶［32-34］，結(jié)合WiFi 通信、客戶端人機交互界面，此類裝置往往外觀小巧，操作簡便，有利于醫(yī)護人員實際工作，成本不高，易于推廣，可以極大提高醫(yī)院智能化水平，減輕護士的工作量。

1.2.3 咽拭子采集機器人

采集患者咽、鼻拭子進行核酸檢測是新冠肺炎診斷過程中的重要步驟。采集咽拭子是把拭子（白色長條棉簽）深入咽部深處，擦拭后取出放入密閉試管內(nèi)。此過程對于采集者來說非常危險，由于疑似患者需要張嘴，攜帶病毒的氣溶膠很有可能給采集者帶來感染風險［35］。用機器裝置代替人工可以有效避免傳染［36］。機器人完成咽拭子自主采集需要考慮三個方面問題：（1）準確識別定位咽拭子采集部位；（2）實現(xiàn)安全有效的接觸力控制；（3）做好機器人消毒防護以避免交叉感染。鐘南山團隊和中科院沈陽自動化研究所［37］聯(lián)合研制的新型智能化咽拭子采樣機器人系統(tǒng)由蛇形機械臂、雙目內(nèi)窺鏡、無線傳輸設(shè)備和人機交互終端構(gòu)成。蛇形機械臂具備靈巧精確的作業(yè)能力，并具備與咽部組織接觸力感知能力，雙目內(nèi)窺鏡提供高清的3D 解剖場景，工業(yè)無線網(wǎng)絡保障控制指令的實時可靠傳輸，利用力反饋的人機交互終端提供操作沉浸感。機器人以遠程人機協(xié)作的方式，可以輕柔、快速地完成咽部組織采樣任務。

1.3 診療機器人

在醫(yī)院看病的時候需要由護士檢查生理各項指標并做各類檢查項目，此類機器人集成各類傳感器，從而代替人工完成一系列的監(jiān)測工作。

1.3.1 測溫機器人

在人員密集的公共場所，如車站、商場、醫(yī)院、學校，體溫測量是疫情防控工作中必不可少的一個環(huán)節(jié)。如果手持體溫計對過往人員進行手動測溫，勢必產(chǎn)生巨大的工作量，此時測溫機器人將派上用場。測溫機器人具有安全，快速、高效的特點，現(xiàn)有的測溫機器人主要是利用圖像識別加紅外測溫原理實現(xiàn)對人群的非接觸式快速體溫篩查。目前國內(nèi)此類機器人主要有獵戶星空、節(jié)卡、曼大智能、高新興、百度AI 體溫檢測機器人等等。

現(xiàn)有測溫機器人主要包括幾大模塊：紅外測溫模塊、可見光人臉識別模塊、報警模塊及大數(shù)據(jù)分析模塊等。關(guān)鍵技術(shù)涉及運動捕捉、口罩識別檢測算法，數(shù)據(jù)比對等［38-40］。但是以現(xiàn)有的技術(shù)，測溫機器人還存在很多不足，比如：

（1）測溫精度，現(xiàn)有測溫機器人測溫精度可達到±0.5°C，但是和人體溫度范圍相比，測溫機器人的精度還有待提高。

（2）測溫速度，現(xiàn)有測溫機器人響應時間為平均2 s/ 人，在遇到大流量人群時，勢必不能有效地完成測溫工作，并會造成擁堵。

（3）抗環(huán)境干擾，環(huán)境溫度、濕度等客觀因素會對測量結(jié)果造成影響，如何克服這些客觀因素的干擾也是未來需要進一步研究的。

1.3.2 AI 智能CT 機器人

近年來人工智能（AI）技術(shù)與發(fā)展迅猛，我們可以將AI 和大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，應用到醫(yī)療場景中，例如此次新冠病毒在全球范圍內(nèi)蔓延，如何提供先進、有效的工具輔助廣大臨床工作者去診斷和治療新冠肺炎患者是全球科技產(chǎn)業(yè)界都在積極思考和努力的課題，目前在這方面面臨的難題有：快速診斷、同質(zhì)化診斷、精準化診斷［41］。連心醫(yī)療協(xié)同湘南學院附屬醫(yī)院充分發(fā)揮各自的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，依托百度飛槳平臺正式上線了“基于 CT 影像的肺炎篩查與病情預評估 AI 系統(tǒng)”，該系統(tǒng)也在湘南學院附屬醫(yī)院首先投入使用。該系統(tǒng)可快速識別分割 CT 影像中的肺炎病灶，為病情診斷提供病灶的數(shù)量、體積、肺部占比等定量評估信息［42］。聯(lián)影集團的uAI COVID-19 智能輔助分析系統(tǒng)將CT 閱片時間從5～10 min 縮短至1 min，可完成初步報告撰寫，在后續(xù)的數(shù)據(jù)分析中其具備一定程度區(qū)分細菌性肺炎和病毒性肺炎的能力。

1.3.3 智能分診機器人

當醫(yī)院的病人數(shù)量增多，需要及時、高效、有序地將患者分流到相應的科室，智能分診機器人可以代替分診臺的護士，減少她們與患者的接觸次數(shù)。此類機器人主要由傳感器硬件模塊、人機交互模塊和一套強大的數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。傳感器硬件模塊包括攝像頭、麥克風、揚聲器等，完成語音識別、人臉識別。分診機器人最主要的人機交互模塊主要是語音交互，基于智能語音技術(shù)［43］和自然語言理解技術(shù)［44］，通過與患者的語音交互完成院內(nèi)的智能分診、導診、引導［45］。其擁有的強大的數(shù)據(jù)庫需要包括醫(yī)院信息知識庫、預約掛號系統(tǒng)、電子病歷系統(tǒng)等，將它們結(jié)合在一起并自主決策。在疫情期間，濟南市傳染病醫(yī)院就應用到了將測溫和分診機器人相結(jié)合的技術(shù)，自動篩查體溫異常的病人，并將他們引導到發(fā)熱門診，提高了接診效率，有利于降低疑似患者與他人的接觸率，為醫(yī)院中的其他患者及醫(yī)護人員構(gòu)建了安全有效的屏障。

2 展望

經(jīng)歷了此次疫情之后，無接觸機器人已在國內(nèi)外廣泛使用。醫(yī)用機器人技術(shù)在不斷的發(fā)展與進步，越來越貼合日常醫(yī)院環(huán)境的使用需求，如今醫(yī)用機器人的水平已經(jīng)發(fā)展到一個新高度，結(jié)合國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)展高端醫(yī)用機器人還需從以下幾個方面進行突破。

（1）更具智能化的移動底盤

對于移動機器人來說，移動底盤就是核心，而實現(xiàn)自主移動的關(guān)鍵就是自主定位導航，而非視覺傳感器的探測范圍和精度與視覺導航系統(tǒng)相比不是很理想，所以優(yōu)先選擇視覺傳感器或?qū)⒍鄠鞲衅魅诤显谝黄?，從而提高系統(tǒng)魯棒性及系統(tǒng)響應速率和精度。多機器人系統(tǒng)也是機器人技術(shù)發(fā)展的主要方向，如何實現(xiàn)多機器人導航，也是研究的重點，比如可以利用無線通信手段實現(xiàn)控制中心主機發(fā)送指令的控制方案來實現(xiàn)多機器人系統(tǒng)的導航。

（2）結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

為了順應這個萬物互聯(lián)的時代，將醫(yī)用機器人都納入“ 網(wǎng)” 中，是實現(xiàn)智能化、信息化的一個大趨勢。結(jié)合5G 網(wǎng)絡建設(shè)，智慧醫(yī)院建設(shè)，將機器人技術(shù)應用到醫(yī)療健康全流程中，包括院前篩查、智慧急救、智慧影像、智慧病房等不同場景，提高硬件通信速率，增強穩(wěn)定性，使醫(yī)用機器人能夠協(xié)同工作，提高工作效率。在不久的將來，遠程會診、遠程操作也會伴隨著5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、信息技術(shù)的高速發(fā)展而被廣泛使用。

（3）模塊化的醫(yī)用機器人

現(xiàn)有的一些醫(yī)用機器人的種類過于繁冗，且功能都太過于分散，對于用戶來說，一些功能可能并不是用戶需要的，但用戶往往需要為此付出高昂的成本，如果將現(xiàn)有的功能模塊化，并能夠按需自由組合，那么可以從一定程度上可以節(jié)約成本，減小機器人空間體積，并為不同用戶提供個性化定制、提高使用率。

（4）以人為本的人機交互體驗

機器人的誕生最終也是為了造福人類，一切設(shè)計理念應以人為本，從機器人的外形到功能，以及設(shè)計理念，都應該以尊重用戶的需求、隱私為出發(fā)點。結(jié)合人機工程學原理，處理好人、機、環(huán)境之間的關(guān)系，實現(xiàn)人性化的目標，例如可以加入語音控制、手機控制、包括可穿戴設(shè)備，從而提高使用者的交互體驗。

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G 網(wǎng)絡技術(shù)的迅猛發(fā)展，新一代智能機器人將更具前景，醫(yī)用機器人勢必成為現(xiàn)代社會醫(yī)療健康衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展的大趨勢，不僅僅在重大衛(wèi)生公共事件中，在重大災害、野外救援等場景都離不開醫(yī)用機器人，新產(chǎn)品新技術(shù)必將造福人類，為人類健康事業(yè)貢獻力量。