本文摘要：新冠肺炎疫情爆發以來，無接觸醫療剛需愈發成為業界研究和關注的重點。 無人血管穿刺作為減少醫患直接接觸的重要手段，將會是未來醫療發展的重點方向之一。 機器人有著敏銳的眼睛，通過近紅外光譜和超聲，能準確定位血管走形及位置; 同時有著聰明的大腦，通
新冠肺炎疫情爆發以來，“無接觸”醫療剛需愈發成為業界研究和關注的重點。 “無人”血管穿刺作為減少醫患直接接觸的重要手段，將會是未來醫療發展的重點方向之一。 機器人有著“敏銳”的眼睛，通過近紅外光譜和超聲，能準確定位血管走形及位置; 同時有著“聰明”的大腦，通過人工智能實時分析，準確控制進針角度及深度，使得血管穿刺安全可靠。
醫療離不開血液檢測和藥物注射兩大基礎應用場景，靜脈穿刺注射和采血是臨床治療中常見的侵入治療，也是廣泛應用的醫學臨床手段。 當前，社會對醫療衛生的效率、衛生和專業程度提出了更高要求，對醫療設備無人化、智能化提出了新需求。
靜脈穿刺治療存隱患
一線臨床醫護人員無時無刻不在經歷血管穿刺的考驗。其一，血管穿刺需求量大。 無論化驗檢查還是治療注射，臨床診療都需要血管穿刺才能完成。 在我國，78%的護理工作與靜脈輸液治療有關，90%以上的住院病人接受靜脈輸液治療。 而門診、入院、圍手術期、出院前都需要血管穿刺來保證臨床工作的順利進行。 且我國人口眾多、病人基數龐大，巨大操作量對一線臨床醫護人員具有一定的挑戰。 其二，血管穿刺難度大。 病人基礎情況復雜，遇到肥胖患者、老年人、休克病人等情況，往往難以在直視條件下順利進行穿刺。 而多次穿刺容易引發靜脈炎等并發癥，影響臨床治療。 其三，醫護人員在穿刺過程中不斷面臨著職業暴露。 血管穿刺過程中，醫護人員被利器劃傷屢見不鮮，而不少至醫院就醫的病人患有傳染性疾病，在診療過程中極易造成疾病傳播。 尤其是在新冠肺炎疫情肆虐的情況下，病毒在包括血管穿刺在內的常規診療操作中傳播的風險大大增加，靜脈穿刺給護士帶來了相當程度的工作負擔，甚至可能造成醫患交叉感染，危害醫務人員及社會大眾的健康。
醫院的護士每天要進行幾十萬次的采樣，每一次采樣都是冒著被感染的危險進行操作。 例如，2020年新冠肺炎傳播初期，武漢有大量醫護工作者在實施血管穿刺治療過程中被感染。
針對靜脈穿刺的多種醫療安全隱患，同濟大學齊鵬師生團隊設計研發了基于深度學習的多模態圖像引導靜脈穿刺機器人系統，通過自動采血和放置外周血管導管來減少靜脈穿刺相關不良事件，該設備有望徹底解決人工靜脈穿刺難題。
精準穿刺新技術
基于深度學習的多模態圖像引導靜脈穿刺機器人系統在應用過程中，結合了三維近紅外和超聲波成像、計算機視覺軟件等技術和工具，形成了基于實時圖像引導插入針頭的小型靈巧機器人。
該機器人系統主要解決了三個問題。 第一，比醫護人員的雙眼看得更清——近紅外成像攝像頭能夠準確地識別、還原隱藏在皮膚下的纖細靜脈。 第二，比醫護人員的雙眼看得更深——超聲探頭可以準確地檢測人體內部靜脈的深度和粗細。 第三，比醫護人員的雙手更準——小型靈巧機器人系統能夠精準無誤地將針尖送入纖細的靜脈中，實現穿刺采血過程的自動化。
在近紅外光下，即使是肥胖人群、深色皮膚的人群，其靜脈也能清晰可見; 即使老年人和兒童等人群的靜脈較為細小、難以觀察，也能清楚地被攝像頭所捕捉。 此外，靜脈本身結構復雜，可能分叉為多條靜脈，也可能過渡漸變為毛細血管，這給扎針帶來一定難度，但只需要利用近紅外成像，就可以輕松地識別血管分布，獲取患者注射區域靜脈空間信息，為機器人打開一雙“天眼”。
以往，準確預測靜脈穿刺的深度，需要醫護工作者本身具備大量的經驗和熟練的操作技巧。 外周靜脈的直徑可以達到1mm甚至更小，這意味著很難準確將穿刺針的針尖置于血管腔內，在很多情況下，都會出現穿刺過深或者深度不足的情況，特別是在特殊環境或面臨特殊患者狀況下，穿刺成功率更低。 而利用超聲探頭，通過圖像識別與分割算法，就能將血管的平面分布、深度以及粗細等信息提取出來， 再通過機器人技術，實現精準的穿刺操作。
機器操作優勢
相對于人手進行的穿刺，機器人設備具有更加精確、標準化、穩定等優勢。
更安全、快速地實施靜脈穿刺。 在傳統的靜脈穿刺操作過程中，一次成功率較低，需要醫護人員具有充分的經驗，尤其是當患者為老人、兒童、肥胖或者深色皮膚人士時。 而該機器人具備遠超人類的成像能力以及操作精準性，可以有效解決靜脈穿刺成功率低的問題，減少靜脈穿刺事故的發生。
有效防止醫患交叉感染。 2020年新冠肺炎疫情導致很多醫護人員被感染，減少醫患接觸無疑可以大幅度降低醫患感染的風險，而醫患隔離、完全自動的醫療設備可以有效降低該現象的發生。 靜脈穿刺機器人作為全自動外科設備，可以自動完成消毒、穿刺操作，代替醫護工作者與患者接觸，同時配有自身消毒系統，從而最大限度避免交叉感染。
打通注射、采血無人化“最后一公里”。 目前的自動血液分類技術和自動藥品分揀技術已經非常成熟，但血樣采集和藥品注射依然需要護士手動完成。 靜脈穿刺機器人可以自動采集血樣并將其送入自動血液分類設備，或自動接收來自藥品分揀設備的注射劑，自動進行注射。
該設備還可以進入實驗室，作為實驗用自動穿刺設備。 由于該設備精度高、操作標準化，可以在生物醫藥、化學材料等領域的實驗中大幅提高試驗成功率。
同時，該設備可以還進入家庭和養老院。 由于其自動化程度高、簡單易操作，操作人員不需要大量的醫學知識和臨床培訓，就可以方便、快捷地為居民提供穿刺服務。
除了獲得2020年上海市產業青年創新大賽金獎，該系統還前亮相第三屆中國國際進口博覽會，獲得過第十四屆中國好創意大賽全國三等獎、USWC2020大學生創業世界杯全國銀獎等榮譽。
人工智能評職知識：機器人科學論文可以投稿的期刊
這款醫工交叉領域設計研發的基于深度學習的多模態圖像引導靜脈穿刺機器人系統，是創新驅動、產學研融合的一次有效實踐。 未來，隨著此類系統的廣泛應用，機器人逐步代替醫護工作者與患者接觸，將會在避免交叉感染、提升防疫效率、提升患者體驗等方面起到重要作用，從而推動醫療行業進步和發展。
作者：陳禹 任重遠 曹旭
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