細(xì)胞手術(shù)機器人代表了醫(yī)療機器人發(fā)展的前沿

近年來，工業(yè)自動化帶動了機器人的高速發(fā)展，機器人行業(yè)呈現(xiàn)一種蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。隨著機器人滲透到行業(yè)之中，醫(yī)療領(lǐng)域也開始有了機器人的身影，機器人作為一種手術(shù)的輔助工具，從最早的外科手術(shù)機器人到現(xiàn)在的細(xì)胞手術(shù)機器人，機器人在醫(yī)療行業(yè)的作用越來越重要。

11月13日，中國醫(yī)療科技大會在深圳成功落幕。會上，IEEE Fellow、香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任孫東發(fā)表了《細(xì)胞手術(shù)機器人的視覺傳感技術(shù)》的演講，孫東教授為大家介紹了其研究團隊?wèi)?yīng)用3D斷層掃描重構(gòu)技術(shù)精準(zhǔn)定位細(xì)胞器，通過探針等微操作工具實現(xiàn)大批量、高精度的單細(xì)胞手術(shù)操作，為醫(yī)療機器人的發(fā)展開辟了一個嶄新的領(lǐng)域。

IEEE Fellow、香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任孫東

細(xì)胞手術(shù)機器人的發(fā)展?fàn)顩r

細(xì)胞手術(shù)機器人是指采用一種自動化及視覺視像技術(shù)，利用微操作工具實現(xiàn)細(xì)胞或者亞細(xì)胞層面的精準(zhǔn)操作的機器人。孫東表示，這是一個新興的概念，與國際上精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的發(fā)展趨勢緊密關(guān)聯(lián)。

孫東首先給大家介紹了腫瘤的發(fā)展過程，從最開始的正常單細(xì)胞，然后經(jīng)過遺傳紊亂致癌病變到惡性發(fā)展，最后到死亡。在醫(yī)學(xué)上治療腫瘤仍留在成像測試階段，國際上已經(jīng)實現(xiàn)了腫瘤的早期診斷。他提出了大健康的概念，所謂：“大健康”，即不奢望治療疑難雜癥，但能把大病發(fā)生的時間向后推遲，將人類的壽命延長十到二十歲，要實現(xiàn)這個目標(biāo)，就得實現(xiàn)真正的早期診斷和治療，這一定是在細(xì)胞層面上。

孫東表示，在實現(xiàn)精準(zhǔn)操作之前，首先要精準(zhǔn)地感應(yīng)到單細(xì)胞層面的信息，所謂早期診斷和治療，如今最熱門的就是細(xì)胞治療，它是通過單細(xì)胞修復(fù)，然后放大增值至萬數(shù)量級以上，接著進行細(xì)胞的傳送，達(dá)到治療的目的。細(xì)胞手術(shù)機器人是將手術(shù)從器官到細(xì)胞層面實現(xiàn)的重大轉(zhuǎn)變，要實現(xiàn)這些首先要解決用什么方法去操作細(xì)胞。

經(jīng)過多年研究，孫東和他的團隊已經(jīng)確認(rèn)有三種工具可用，第一個工具是采用激光操作，通過光電與機器人技術(shù)結(jié)合的細(xì)胞手術(shù)平臺可以精準(zhǔn)地跟蹤單細(xì)胞在體內(nèi)的軌跡；另一個工具是傳統(tǒng)的機械操作，以高精度微探針為基本操作元的細(xì)胞手術(shù)平臺，其操作精度已達(dá)納米級別，用這個系統(tǒng)可以實現(xiàn)單細(xì)胞地活檢如線粒體的活檢和轉(zhuǎn)移等；第三個工具是電磁操作，通過電磁力控制微小的機器人。孫東認(rèn)為，前兩個工具主要是用于精準(zhǔn)的細(xì)胞修復(fù)，第三個用于精準(zhǔn)的細(xì)胞輸送，精準(zhǔn)的細(xì)胞修復(fù)和輸送代表了細(xì)胞手術(shù)機器人兩個最重要的操作過程。

機器人技術(shù)實現(xiàn)細(xì)胞治療

細(xì)胞手術(shù)實際上是在細(xì)胞層面上進行的修復(fù)與治療，現(xiàn)在的細(xì)胞手術(shù)與治療操作還存在很多問題，如缺乏精度、效率較低、一致性差、成功率低及立體視覺不明顯等。隨著機器人技術(shù)發(fā)展，細(xì)胞手術(shù)在細(xì)胞層面也漸漸使用機器人技術(shù)實現(xiàn)細(xì)胞治療，可以達(dá)到高通量、高效率、高成功率及具有3D視覺反饋等效果，這就是把機器人技術(shù)應(yīng)用到細(xì)胞手術(shù)層面。

孫東還給大家講解了技術(shù)細(xì)胞手術(shù)機器人的視覺傳感技術(shù)的細(xì)節(jié)，并著重介紹了視覺傳感器基于寬敞熒光顯微鏡的3D重構(gòu)技術(shù)，它能用于細(xì)胞精準(zhǔn)修復(fù)治療。現(xiàn)在已經(jīng)有若干技術(shù)手段能實現(xiàn)3D視覺重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。

在3D視覺方面，孫東介紹了三種方法：

其一、計算機斷層掃描，這種技術(shù)已被廣泛商應(yīng)，其特點是價格高，適用于大器官或者組織應(yīng)用；

其二、熒光共聚焦顯微鏡，這種也得到了廣泛的商應(yīng)，其缺點是價格高，很難與其它微操作工具結(jié)合。

其三、寬敞熒光顯微鏡，它的特點是價格低，操作方便，且能夠與其它微操作工具結(jié)合，不足之處是是采用后需要結(jié)合后處理算法運行。

孫東表示，因為需要運用大批量傳感器，為了控制成本別，他們選了擇第三種方法。這種情況下一定要解決好后處理算法問題，所以團隊的第一個工作是研究后處理算法，通過寬敞熒光顯微鏡逐層掃描得到若干個2D的平面信息，然后經(jīng)過后處理算法實現(xiàn)3D的重構(gòu)。在這個過程中有很多技術(shù)創(chuàng)新，如PSF技術(shù)，傳統(tǒng)上來講是固定不變的，在單細(xì)胞操作中為了保持精準(zhǔn)性也要持續(xù)地變化。

孫東認(rèn)為，一些處理過程中的重要應(yīng)用就是在細(xì)胞手術(shù)過程中的細(xì)胞器和活檢細(xì)胞器的操作，如細(xì)胞線粒體活檢，這是傳統(tǒng)的籌集過程，它沒有考慮到3D的信息。如今采用了3D技術(shù)，成功率可大大提高。在細(xì)胞治療機器人操作系統(tǒng)中，視覺傳感技術(shù)已經(jīng)成為最重要的操作手段之一，這種視覺傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)3D重構(gòu)，實現(xiàn)若干個精準(zhǔn)的操作?！坝么思夹g(shù)可以實現(xiàn)單細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)控制，同時可以精準(zhǔn)地跟蹤單細(xì)胞到指定部位，看它如何生成腫瘤，從而對癌癥的發(fā)病機理有更多的認(rèn)識?！睂O東補充道。

對于未來細(xì)胞手術(shù)機器人的發(fā)展，孫東更是寄予厚望。細(xì)胞手術(shù)機器人代表了醫(yī)療機器人發(fā)展的前沿，使用自動化的光鑷、微針進行光機操作，可以實現(xiàn)細(xì)胞的精準(zhǔn)修復(fù)手術(shù)。孫東相信，未來細(xì)胞手術(shù)機器人的應(yīng)用可以極大程度促進精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和再生醫(yī)學(xué)的發(fā)展，特別是對靶向治療產(chǎn)生重大影響。