医疗超声机器人的研究进展

李奇轩，张钒，奚谦逸，焦竹青，倪昕晔

1.常州大学 微电子与控制工程学院，江苏 常州 213164；2.南京医科大学附属常州第二人民医院 放疗科，江苏 常州 213003；3.南京医科大学 医学物理研究中心，江苏 常州 213003

引言

医疗超声机器人可以定义为超声成像设备与机器人系统的结合[1]（以下简称超声机器人）。超声机器人系统的主体部分由多自由度机械臂、超声扫描仪、力控传感器、示教器组成，在此基础上，可添加深度相机、力反馈装置等设备实现额外的功能。超声机器人领域发展较晚，但目前已经涌现出多种超声机器人系统并可应用于各种医疗工作中。当前，国内超声医生的数量不能满足广大患者的需求，超声科患者需要排队等待检查的现象在乡镇医院很常见。此外，超声医生的整体水平也不能很好地满足当前的医疗需求。

随着超声机器人的出现，医疗资源短缺的问题将在一定程度上得到解决。超声机器人不仅能够通过获得高质量超声图像帮助医生做出准确判断，还能够缓解超声医生的工作压力，这对于提高医疗效率与诊断准确度大有裨益。在传统的人工超声检查中，超声图像质量不仅取决于超声仪器的参数设置，还与医生的经验有很大关系[2]。现在，超声图像将在超声机器人精确的定位与合适的接触力控制下获取，避免了由于医生主观判断造成的误差。通过人机协作，超声机器人可以在手术、放疗与临床诊断中为医生提供帮助，从而提高诊疗效率。本文介绍了超声机器人的优势与目前较为前沿的技术，并对其在医疗领域中的主要应用方向进行可行性研究。

1 超声机器人的优点

超声机器人作为协作机器人的一种，其柔性化程度较高。与工业机器人不同，协作机器人具备灵活化、轻量化、小型化的特征，可用于实时超声的获取。凭借高精度，高灵活和可重复的特性，机器人特别适合与超声检查相结合。

超声机器人能够进行长时间高强度的工作，减少医生扫查压力与肌肉损伤。例如，医生在扫描高体重指数的患者时要施加更大的压力才能得到高质量图像，这会造成医生的肌肉劳损[3]。与手持超声探头检测相比，机器人定位精度更高且机械臂末端对接触力调整更准确，这有利于高质量超声图像的获取。更重要的是，超声机器人环境适应性强，可代替医生进入有辐射或易传染的环境。

超声机器人往往有足够的自由度来确保机械臂能够按照要求将超声探头移动到期望位置，力反馈的准确度和机械臂的灵活度能够为超声机器人带来巨大优势[4]。机械臂末端的力控传感器可以反馈被扫描组织与探头发射平面之间的接触力，操作者通过观察反馈回来的接触力数值，使用操纵杆以人工控制的方式或通过机器人系统的力觉控制算法，以智能控制的方式改变超声探头对目标位置施加的力的大小，避免检查过程中接触力过大，从而保证患者的安全。

各项研究结果表明，超声机器人可以通过软件算法编程实现半自动或全自动超声检查。2016年，Kim等[5]将超声探头固定在机械臂末端，利用力反馈设备Phantom Omni遥控机械臂完成超声扫描，他们提出的合规力控制算法与前向流动触觉算法，为医生与超声机器人之间的人机协作提供了良好的保证，在一定程度上缓解了医生的工作压力，但该方法仍需由医生手动操作，没有完全实现自动化。2020年，成天佑等[6]提出基于视触觉的超声探头自动定位方法，利用组合图像处理算法和匹配算法进行小目标特征点检测，然后利用机械臂基于期望图像，通过位置视觉伺服和位姿变换引导超声探头到达期望位置，最后通过力觉闭环控制算法来微调超声探头位置从而保证接触力稳定。与上面的人工遥控方法相比，该系统实现了自动定位，超声探头的定位精度更高，与被测物体接触力更稳定。2021年，Ning等[7]提出的全自动超声成像系统与状态表示模型和强化学习模型结合，在RGB图像的视觉引导下为机械臂提供空间动作指令。他们提出的力-位移控制方法可实现超声探头在不稳定软目标上的自适应恒力跟踪，与传统的位移到力的方法相比，该方法有效避免了二者间关系的推导，通过输出接触力直接获得较好的接触效果。呼吸和运动补偿是超声机器人系统能否得到高质量图像的关键，他们通过呼吸补偿实验验证了该系统能够实现稳定接触。此外，机器人也可以在末端通过阻抗控制实现探头准确定位并补偿不均匀和移动的表面，使探头在超声扫描过程中保持与被测物表面的稳定接触[8]。目前，很多学者也在利用点云图像信息进行机器人运动轨迹的规划。他们使用深度相机捕捉皮肤表面点云，并将点云数据用于路径规划和视觉引导，根据皮肤表面的三维轮廓自动确定超声探头的扫描范围和扫描路径，最终达到自动扫描的目的[9-10]。

2 超声机器人应用于手术

超声机器人在手术中能够帮助医生进行位置固定、插针、活检与重复定位，并为医生提供高质量的超声图像。例如，在穿刺手术过程中，机器人可以独立地将超声探头固定在目标位置，以提供精准的穿刺定位[6]，避免因医生难以长时间保持固定姿势而导致的定位误差。

许多外科手术需要准确地放置针头，在超声图像引导下进行插针是比较常见的插入手段。在传统的徒手技术中，医生往往需要同时使用双手操作超声探头和针，这一高难度的操作容易导致一定的位置偏差和过量的针插入[11]。术中人体组织往往会产生移动，这将很难对目标区域进行精确定位。一些超声机器人系统现已被证实可用于实时超声引导针插入，并能够对组织的移动进行精确的运动补偿。例如，Chevrie等[12]提出一种控制算法用于超声机器人针插入，使机器人在超声引导针尖向目标移动的同时补偿组织的运动。他们在组织运动距离最大可达15 mm的情况下移动牛的肝脏，获得（2.5±0.7）mm的平均靶向精度。此精度符合大多数临床插针要求，证明了超声机器人应用于术中针插入的可行性。

活检，即活体组织检查，往往采用切除、穿刺、搔刮等手术方式从活体中获取病变组织，通过在手术中对病变组织进行冷冻处理来保持组织原貌，达到病理诊断的目的。机器人能够根据超声图像将针引导至目标上进行活检。Kim等[13]提出一种结合超声机器人和平面校准设备的二维超声探头校准方法，应用于经直肠超声探头的机器人辅助前列腺活检。他们通过体外实验得到机器人辅助超声引导针的整体靶向精度为1.55 mm，对于靶向小的、临床显著的前列腺癌病变，此精度是足够的。

超声机器人应用于手术需要具有高度重复性才能在临床中被接受。与医生手持超声探头相比，超声机器人重复定位精度高，具有良好的可重复性。Kojcev等[14]将机器人超声成像与专家操作的超声成像进行比较，评估测量的再现性。专家对4名志愿者的左右甲状腺叶的前后、纵向和横向长度分别进行3次测量，共测量72次。随后，机器人系统执行与专家相同的步骤，共进行144次临床相关测量。结果表明，超声机器人能够实现更多可重复的测量，产生更具重现性的数据。Kaminski等[15]提出的超声机器人系统可以根据预设扫描路径和对患者先前扫描时计算出的参数提供后续可重复的自动扫描，并允许医生结合预设轨迹与实时力反馈控制来再现相似的超声图像，实现了超声图像的可重复获取。

超声机器人系统的成像质量是决定其能否替代部分人工应用于手术的关键因素之一。Chatelain等[16]提出多任务方法，该方法基于目标在图像中的位置与从超声置信度图中提取的特征使机器人控制超声探头运动，他们通过模体实验证明了该方法能够优化超声图像质量。Aalamifar等[17]提出的机器人辅助超声断层成像系统，可提供软组织断层成像以及更深层次的解剖扫描。经验证，该系统能够为手术提供高质量图像。

3 超声机器人应用于放射治疗

现代放射治疗的目的是对肿瘤以精确的剂量进行辐射，同时保证健康的组织免遭辐射[17]。超声图像引导放疗技术是实现精准放疗的先进技术，既能提供较好的软组织对比度，也可以让医生更容易勾画出靶区并将其与周围的器官区分开。超声波对患者无害，不会产生额外的辐射，可以用于治疗过程中的持续监测[18-19]。Hsu等[20]对在放疗期间使用超声引导的可行性进行了评估并认为其可行。

放疗疗程周期长且次数多，放疗前患者的位置定位不准确会导致放疗效果大打折扣。在使用医用充气垫对患者进行身体固定的基础上，利用机器人极强的重复定位能力可以保证多次放疗位置准确，进而提高放疗精确度。Sen等[21]开发的由医生和机器人共同控制的超声机器人系统采用软虚拟固定装置，能够指导医生快速并准确地放置超声探头，提高分割放疗过程中探头放置的重现性。经验证，该系统能够为分割放疗期间的实时目标监测提供指导。

放疗过程处于辐射环境下，探头不能由医生手持，需使用超声机器人完成超声引导任务。因此，能够代替医生进入辐射环境进行超声引导的能力使得超声机器人在放疗领域有着巨大的应用潜力。Seitz等[22]设计的机器人超声引导下的呼吸和运动控制系统，将超声机器人系统的控制功能和图像处理功能集成到同一个软件平台，验证了机器人应用于超声引导下的放射治疗的可行性。

目前，前列腺是超声机器人在放疗研究中的主要研究部位，放射治疗技术与机器人技术的进步使前列腺的运动补偿立体定向全身放射治疗（Stereotactic Body Radiation Therapy，SBRT）成为可能[23-24]。机器人超声成像是实现SBRT期间快速、非电离体积成像的一种可行的方案，该方案对于使用高剂量和陡峭梯度的治疗方案尤其有效[23]。需要注意的是，机器人超声引导前列腺SBRT可行的前提是能够合理选择机器人的位置与配置。

机器人超声引导放疗时位置的选择很关键，在放疗中机械臂位置摆放不合理会阻挡部分射线，影响剂量分布，导致治疗计划质量降低[24]。通过使用运动学冗余机器人进行合理运动轨迹规划，可达到减少射线衰减的目的，通过优化算法来优化超声机器人的位置与配置也能有效减少机械臂对放疗质量产生的负面影响[25-26]。Schlüter等[26]提出的分段机器人结构 Segment-Wise Robot Construction，SRC）算法与采用模拟退火（Simulated Annealing，SA）实现随机搜索的算法对治疗计划的质量均有较大改善。其中，SRC算法优于采用SA的随机搜索，但后者通用性更强，可以扩展至多种机器人。优化算法减轻了超声机器人对治疗计划质量的负面影响，通过仔细选择超声波机器人的位置与配置，治疗计划的质量能够得到保证。

综上所述，在放射治疗中使用超声机器人能够实现无创和非电离超声图像引导，超声机器人有能力在放疗期间对组织运动进行连续、准确和非电离跟踪，并进行相应的运动补偿，最终达到实时动态引导的目的。

4 超声机器人应用于远程诊断

人口老龄化严重的国情在一定程度上导致了慢性病患者数量迅速增长，部分地区治疗能力不能满足患者需求。医疗上的供不应求、移动医疗终端的普及、医疗物联网的发展以及相关专业人员技术水平的提高，都在一定程度上推动了远程医疗的快速发展。目前，机器人远程超声诊断技术已初步应用于临床，在传染病流行时期、在医疗资源匮乏地区均可达到常规的影像学诊断需求[27-28]。

机器人远程超声系统的主要流程为：在机械臂末端安装超声探头并调整探头的角度与位置后，医生使用操纵杆远程遥控机械臂对患者进行检查，实时动态采集图像并给出诊断意见。需要注意的是，远程超声拥有很大优势的前提是拥有先进的超声机器人系统和富有经验的超声诊断医生。

机器人远程超声系统在真正大规模投入使用前，有几个问题亟待解决：① 机器人在患者端对患者进行检查时，部分患者的身体很难保持静止状态，这会影响到机器人的目标定位与恒力接触功能；② 目前远程超声机器人系统对人体某些部位的扫查角度与力度不够精确，采集到的图像不能满足诊断专家的需求；③ 对于欠发达的偏远地区来说，超声机器人系统高昂的价格与维护成本使得系统难以投入使用；④ 远程超声这一新技术的应用将对一线操作医生提出更高要求，他们不仅要掌握自身领域的专业知识，还要对其他领域的关键技术有所了解。

超声成像非常依赖于医生扫查水平，常规二维超声成像在维度上的局限性使图像质量难以保证，在很大程度上由超声医生的知识储量和扫查经验决定[29]。Duan等[30]研究表明，超声机器人可以获取高质量的超声图像并帮助医生进行诊断，超声诊断系统与机器人结合可实现高度智能化，有效帮助缺乏经验的超声医师提升诊断的准确率。目前已投入使用的深圳华大智造的机器人远程超声诊断系统MGIUS-R3，能够实现自动扫图与辅助读图功能，为医生减少工作负担并提供智能辅助诊断。Duan等[30]使用MGIUS-R3系统对32例患者进行检查以评估该系统临床应用的可行性。经对比，该系统与人工诊断只有5例结果不同且多为漏诊，总体诊断结果基本一致，该系统的诊断结果能够为医生提供有效参考。此外，患者在系统完成检查后均未出现身体不适的情况，系统安全性能够得到保证。

随着机器人技术的和通信技术的不断进步，机器人远程超声诊断系统将逐渐走向成熟，最终在世界各地的医疗系统中实现远程无接触超声检查，人类将走进智慧医疗时代。2019年3月22日，世界首例5G超声机器人远程操作实现[31]。患者端与医生端分别位于海南三亚与北京，在相隔几千公里的情况下依托5G通信技术实现了机器人远程超声检查。类似的，2020年9月21日，中山大学附属第七医院与云南省凤庆县人民医院合作，通过远程控制超声机器人，也成功完成了1例实时远程超声检查[32]。

远程超声在新型冠状病毒肺炎的预防和控制中起到了重要作用，医院通过使用机器人远程超声系统可以对患者进行安全有效的诊断[33]。远程超声系统的实施使得医生可以对被隔离患者进行及时诊断和重复评估，超声医生通过远程操控机器人对患者进行超声检查后，患者的心肺信息会被立即传输给一线临床医生。远程超声大大降低了超声医生被感染的可能，有效解决了疫情期间部分地区防护措施不完备的问题。在疫情防控常态化的环境下，机器人远程超声系统的重要性将进一步显现。

5 总结与展望

本文对医学领域中超声机器人的优点及其在手术、放射治疗、远程诊断中的应用做了较为全面的综述。随着通信技术和机器人技术的发展，超声机器人可以通过更快的传输速度、更智能的算法以及更安全高效的操作系统为医生提供帮助。但是，超声机器人系统产业化难度较大，大多还停留在试验研发阶段，存在缺乏充分的临床验证、生产成本高昂与系统安全性较低等问题。如何从模体实验转换到活体实验再到实际临床应用是我们必须长期重点关注的问题。

目前，超声机器人已经被证明能够成功应用于超声检查。现有技术主要包括接触力精确控制、超声图像可重复获取、自动超声扫描与智能辅助诊断等。这些技术将极大地提高医疗工作效率，为超声机器人大规模的临床应用夯实基础。未来，超声机器人将变得更小、更智能、更精准，从而更适合临床应用。医学界与工业界需要加强合作并制定一个针对超声机器人基准测试的标准化框架，以加快促进具有现实社会意义的超声机器人系统的应用和临床转化。