近日，醫(yī)潛了解到來(lái)自馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院、同濟(jì)大學(xué)、科奇大學(xué)和智能自主系統(tǒng)前沿科學(xué)中心的研究人員合作設(shè)計(jì)出了一種以穿山甲鱗甲為靈感的新型無(wú)線磁控醫(yī)療機(jī)器人。
該款穿山甲擬態(tài)無(wú)線磁控醫(yī)療機(jī)器人（以下簡(jiǎn)稱“穿山甲機(jī)器人”）是受穿山甲鱗片為啟發(fā)的新型機(jī)器人。使用此種設(shè)計(jì)后，可以將更為穩(wěn)定的固體材料用于軟體機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)更快的移動(dòng)速度和創(chuàng)新的加熱功能。
1、無(wú)線磁控醫(yī)療機(jī)器人
無(wú)線磁控機(jī)器人是近些年來(lái)興起的新技術(shù)，是一種集成了磁力控制、軟體設(shè)計(jì)和無(wú)線操作等多項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)醫(yī)療設(shè)備。
無(wú)線磁控機(jī)器人原理
這種機(jī)器人的基礎(chǔ)原理是：所有帶磁性的物體在勻強(qiáng)的磁場(chǎng)下，都會(huì)受到轉(zhuǎn)動(dòng)力，讓它本身磁矩的方向與磁場(chǎng)方向同向。
在磁性原理的基礎(chǔ)上，研究人員將釹鐵硼顆粒和柔軟的有機(jī)硅PDMS材料結(jié)合，制成微型軟體機(jī)器人，并在表面覆蓋了一層生物相容性的水凝膠層，這樣不僅克服了微型物體與機(jī)器人軟尖端之間的粘附力，還可降低微型機(jī)器人與基板之間的摩擦力，另外還可減小對(duì)生物目標(biāo)的傷害。
磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由一對(duì)垂直電磁鐵組成，微型機(jī)器人根據(jù)磁場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)向和振動(dòng)移動(dòng)，由于機(jī)器人是軟的，可以靈活彎曲身體，這使其能夠在復(fù)雜的分叉環(huán)境中靈活轉(zhuǎn)向。
無(wú)線磁控機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)、靶向藥物輸送、體內(nèi)診斷等多項(xiàng)功能：
微創(chuàng)手術(shù)：由于其自身的柔軟性和小型化設(shè)計(jì)，它可以通過(guò)身體的自然通道或小切口進(jìn)入人體內(nèi)部進(jìn)行操作，極大地減少了對(duì)患者的創(chuàng)傷。通過(guò)外部的磁場(chǎng)操控，醫(yī)生可以準(zhǔn)確地操縱機(jī)器人，使其在體內(nèi)進(jìn)行精細(xì)操作，如精確的切割、移動(dòng)組織或器官等。
靶向藥物輸送：無(wú)線磁控軟體醫(yī)療機(jī)器人還可以作為藥物輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)精確地、定點(diǎn)釋放藥物。例如，可以通過(guò)機(jī)器人將藥物精確輸送到腫瘤組織上，提高藥物的使用效果，同時(shí)減少對(duì)正常組織的傷害。
體內(nèi)診斷設(shè)備：無(wú)線磁控軟體醫(yī)療機(jī)器人也可以用作診斷設(shè)備，例如胃鏡、結(jié)腸鏡等。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，無(wú)繩磁控軟體機(jī)器人因其小巧、靈活的特性，使得診斷過(guò)程更為舒適和準(zhǔn)確。
隨著科技的發(fā)展，人們提出更多需求，而傳統(tǒng)的無(wú)線磁控機(jī)器人已經(jīng)難以滿足新的醫(yī)療需求。
擬態(tài)穿山甲軟體機(jī)器人
穿山甲機(jī)器人使用雙層結(jié)構(gòu)示意圖
在許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，加熱是一種常用的醫(yī)療程序，如滅活、凝固和切割，因此，無(wú)纜機(jī)器人若具有該功能是革命性的進(jìn)步。然而，加熱勢(shì)必要使用到固體材料，如果直接使用剛性材料會(huì)限制和妨礙無(wú)纜軟體機(jī)器人的靈活度。這便是傳統(tǒng)軟體機(jī)器人的局限性，相比于前者，穿山甲機(jī)器人利用固體材料制成鱗甲狀外殼解決了該問(wèn)題，并存在以下優(yōu)勢(shì)：
研究人員從穿山甲身上找到靈感，該穿山甲機(jī)器人可以利用磁性卷曲，加快在人體內(nèi)的移動(dòng)速度。
可以通過(guò)外部接受 338kHz 的射頻場(chǎng)，在 30 秒內(nèi)將約 5cm 的人體組織加熱到 70 攝氏度以上。
能夠?qū)⑺幬锿ㄟ^(guò)蜜蠟粘附到機(jī)器人上，在需要藥物投送的位置通過(guò)加熱融化蜜蠟以釋放藥物。
“會(huì)加熱的鱗甲”
通過(guò)338kHz 射頻場(chǎng)加熱是穿山甲機(jī)器人最重要的創(chuàng)新項(xiàng)。根據(jù)該項(xiàng)目的研究人員在《nature》發(fā)布的相關(guān)論文顯示，該機(jī)器人使用了一種名為交變磁場(chǎng)的遠(yuǎn)程加熱技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)在無(wú)線情況下加熱的功能：
在閉合線環(huán)的磁通量發(fā)生變化時(shí)，會(huì)如法拉第定律所述感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)（emf）。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使得環(huán)路中的感應(yīng)電流產(chǎn)生磁通量，那么逆向該反應(yīng)之后，這種電流被稱之為渦流。流過(guò)導(dǎo)體后，即可產(chǎn)生熱量。
“鱗甲”的結(jié)構(gòu)也是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格設(shè)計(jì)的，根據(jù)論文顯示，為了獲得最佳的加熱性能，必須考慮所需的機(jī)械順應(yīng)性。由此研究人員根據(jù)重疊的穿山甲鱗甲設(shè)計(jì)出了具有100%重疊的50 μm厚的鱗片結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)能夠平衡機(jī)器人的靈活度和機(jī)械順應(yīng)性，最大程度保證加熱性能。
多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)使得穿山甲機(jī)器人相比曾經(jīng)的軟體機(jī)器人有更大的市場(chǎng)前景，其可以應(yīng)用于血管介入、靶向治療、體內(nèi)診斷等多個(gè)領(lǐng)域，那么其存在多少市場(chǎng)價(jià)值呢？
2、無(wú)線磁控醫(yī)療機(jī)器人市場(chǎng)分析
血管介入滲透率低
血管介入機(jī)器人作為新興領(lǐng)域，在美國(guó)血管介入領(lǐng)域的機(jī)器人手術(shù)滲透率也僅為0.5%左右，由此全球有超40億的市場(chǎng)等著國(guó)內(nèi)外企業(yè)去開(kāi)拓。而在國(guó)內(nèi)血管介入手術(shù)機(jī)器人的市場(chǎng)規(guī)模將于2022年達(dá)到3400萬(wàn)人民幣，并在2030年進(jìn)一步增長(zhǎng)至58.24億人民幣，自2022年至2030年的復(fù)合年增長(zhǎng)率為90.3％。無(wú)線磁控醫(yī)療機(jī)器人若用于血管介入領(lǐng)域，將會(huì)有巨大的增長(zhǎng)空間。
微創(chuàng)手術(shù)迅猛增長(zhǎng)
中國(guó)微創(chuàng)外科手術(shù)器械及配件市場(chǎng)的規(guī)模于過(guò)去五年迅猛增長(zhǎng)。中國(guó)微創(chuàng)外科手術(shù)器械及配件市場(chǎng)的規(guī)模由2016年的117.72億元增至2020年的192.43億元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為13.1%，預(yù)計(jì)2022年將達(dá)至270.32億元。中國(guó)腔鏡及智能吻合器市場(chǎng)為微創(chuàng)外科手術(shù)器械及配件市場(chǎng)中最大的市場(chǎng)，其規(guī)模于2020年占中國(guó)微創(chuàng)外科手術(shù)器械及配件整體市場(chǎng)的27.9%。而無(wú)線磁控醫(yī)療機(jī)器人作為微創(chuàng)手術(shù)和腔鏡手術(shù)重要的醫(yī)療器械，也將從此受益。
市場(chǎng)處于發(fā)展初期
目前，世界范圍內(nèi)獲批的血管介入機(jī)器人產(chǎn)品相對(duì)較少，整個(gè)行業(yè)還處于發(fā)展初期，市場(chǎng)格局未定。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)尚無(wú)相關(guān)產(chǎn)品獲批，大多數(shù)產(chǎn)品處于研發(fā)和注冊(cè)上市階段。在國(guó)際市場(chǎng)上，也僅有少數(shù)幾家企業(yè)獲批 FDA。例如西門子途靈的CorPath GRX是全球唯一同時(shí)取得CE認(rèn)證和FDA認(rèn)證的血管介入手術(shù)機(jī)器人，Robocath的R-One已獲得CE認(rèn)證；強(qiáng)生的Sensei X2取得FDA批準(zhǔn)。本次由頂尖大學(xué)與研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)的穿山甲無(wú)線磁控機(jī)器人因其出色性能也能夠在此市場(chǎng)分一杯羹。
下面我們將介紹幾款目前的血管介入機(jī)器人產(chǎn)品。
3、血管介入機(jī)器人盤點(diǎn)
西門子 CorPath GRX
美國(guó)醫(yī)療機(jī)器人公司Corindus Vascular Robotics在RNS的基礎(chǔ)上研發(fā)出了其初代產(chǎn)品Corpath200，于2012年獲得了FDA批準(zhǔn)上市用于PCI。2016年第四季度Corindus的二代產(chǎn)品CorPath®獲得了FDA批準(zhǔn)上市用于PCI。
2019年8月8日，西門子醫(yī)療宣布以11億美元收購(gòu)Corindus Vascular Robotics。2021年7月30日Corindus途靈™最新一代CorPath® GRX介入手術(shù)機(jī)器人獲準(zhǔn)進(jìn)入中國(guó)的特別審查程序。2021年12月27日，西門子醫(yī)療中國(guó)與Mentice在上海共同宣布正式合作，從2022年開(kāi)始的為期3年的合作協(xié)議期內(nèi)，西門子醫(yī)療Corindus途靈™介入手術(shù)機(jī)器人在中國(guó)正式上市后所銷售的設(shè)備都將搭載Mentice VIST®虛擬患者模擬器。
Robocath-R-One
2019年2月，法國(guó)Robocath公司開(kāi)發(fā)的血管介入手術(shù)機(jī)器人R-One™獲得了CE認(rèn)證用于PCI，并于同年9月開(kāi)始臨床使用，是歐洲第一個(gè)在介入心臟病學(xué)領(lǐng)域獲得CE標(biāo)志的機(jī)器人解決方案。該機(jī)器人通過(guò)精密技術(shù)來(lái)輔助介入醫(yī)生進(jìn)行支架置入術(shù)。
2020年10月上海微創(chuàng)醫(yī)療機(jī)器人股份有限公司和法國(guó)Robocath S.A.S聯(lián)合在華成立合資公司知脈機(jī)器人有限公司，將R-ONE引進(jìn)中國(guó)。
強(qiáng)生 Sensei X2
強(qiáng)生在手術(shù)機(jī)器人板塊的發(fā)力，還得從2019年以34億美元天價(jià)收購(gòu)Auris Health說(shuō)起。Auris Health由“手術(shù)機(jī)器人之父”Frederic Moll創(chuàng)辦，經(jīng)過(guò)10年的運(yùn)營(yíng)，其Monarch平臺(tái)以及在肺癌支氣管鏡診斷和治療中得到了FDA許可。此前Auris還收購(gòu)了漢森醫(yī)療旗下的多個(gè)手術(shù)機(jī)器人平臺(tái)，其中就包括Sensei X2 機(jī)器人系統(tǒng)。
Sensei X2 機(jī)器人系統(tǒng)是一種在電生理過(guò)程中用于遠(yuǎn)程導(dǎo)航心臟心房中的機(jī)器人導(dǎo)管的技術(shù)。Sensei 技術(shù)提供導(dǎo)管穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和進(jìn)入心房難以到達(dá)區(qū)域的通道。Sensei 的遠(yuǎn)程工作站集成了醫(yī)生在電生理過(guò)程中使用的多個(gè)成像源。已證明使用 Sensei 可減少左心房電生理檢查過(guò)程中的透視輻射暴露。
國(guó)產(chǎn)魯班手術(shù)機(jī)器人
“魯班”微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人，是由北京天壇醫(yī)院李佑祥教授臨床研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京理工大學(xué)研發(fā)的一款微創(chuàng)血管介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，能同時(shí)完成造影和治療操作，技術(shù)水平處于國(guó)際領(lǐng)先地位。此項(xiàng)目的實(shí)施，成功實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)的突破。2019年，該手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)成功實(shí)施了國(guó)內(nèi)首例腦血管臨床試驗(yàn)。
截止至2021年8月底，“魯班”神經(jīng)介入機(jī)器人手術(shù)已達(dá)到100例，是目前國(guó)際上最大的一組介入機(jī)器手術(shù)病例。手術(shù)成功率100%，無(wú)一例并發(fā)癥。過(guò)程中術(shù)者0射線，平均手術(shù)操作時(shí)間為每臺(tái)20分鐘。
這款靈感源自穿山甲鱗甲的新型無(wú)繩磁控醫(yī)療機(jī)器人，其能在極短的時(shí)間內(nèi)有效加熱人體組織，是人工智能與生物醫(yī)學(xué)交叉領(lǐng)域的一大突破。這一突破有著深遠(yuǎn)的實(shí)際意義，不僅可能改變癌癥等疾病的治療方式，更可能引領(lǐng)我們進(jìn)入一個(gè)全新的醫(yī)療時(shí)代，改善著無(wú)數(shù)患者的生活。
