帝国理工哈姆林中心-机器人微创手术倡导者 | 全球实验室01

帝国理工哈姆林中心

基本介绍

帝国理工Imperial College London，在2022QS世界大学排名第7位。

哈姆林中心是全球范围内开展医疗机器人研究较早的实验室之一，是技术创新和机器人微创手术临床采用的倡导者。哈姆林与医疗设备和手术机器人领域的主要行业领导者合作，并开发自己的平台，如i-Snake®和Micro-IGES平台。达芬奇手术机器人广泛用于内窥镜根治性前列腺切除术、食管裂孔疝气手术以及低骨盆和直肠手术，并于2003年，圣玛丽医院进行了第一次完全内窥镜机器人冠状动脉旁路术（TECAB）。

Hamlyn中心的主要重点是开发机器人技术，以改变传统的微创手术，探索赋予机器人人类智能的新方法，并开发具有集成传感和成像的微型"微型机器人"，用于靶向治疗和治疗。哈姆林与 DVRK、RAVEN 和 KUKA 等开放平台的工业和学术合作伙伴密切合作。该中心还肩负着降低与机器人手术相关的成本的重要使命，以使该技术更易于使用、便携、成本更低。这将使机器人与正常的手术工作流程完全集成，从而使更广泛的患者群体受益。

Hamlyn中心目前是英国机器人和自主系统（UK-RAS）网络的主席。该组织的使命是在机器人和自主系统（RAS）方面提供学术领导，扩大与行业的合作，并整合和协调英国工程和物理科学研究委员会（EPSRC）资助的RAS资本设施和博士培训中心（CDT）的活动。

研究方向有四个，包括手术机器人、辅助机器人、微型机器人、脑机接口。

一、手术机器人

哈姆林中心认为未来的医疗机器人研究应该集中在设计轻巧，经济高效，灵活的机械手，并在手术室中最小的占地面积。

手术机器人本质上是复杂和智能的，但需要简单、轻巧和自然的使用、无缝的用户控制。机器人应该加强目前的手术工作流程，而不是从根本上改变它，或成为正常手术的障碍。为此，中心正致力于开发用于灵活访问手术的新一代微型和智能机电一体化设备和机器人，并研究在外科医生和机器人之间提供协同控制的新技术。

哈姆林中心目前在研究的方向包括：

1.蛇形机器人

这是为了开发完全铰接的机器人，将集成的成像和传感与可互换的仪器相结合，用于腔内和腔内外科手术。该中心开发的一个示例平台是用于MIS的i-Snake®（成像传感导航和运动学增强）手术机器人。它采用受生物学启发的机械设计，具有完全灵活的运动控制，使设备可以达到难以接近的解剖区域，并具有更高的精度和灵活性。特别是，关节模块的设计基于一种新型的混合微电机 - 肌腱关节机构，为轻巧，铰接的柔性访问装置提供了模块化配置。i-Snake®机器人正在不断发展，并适应需要腔内或腔外弯曲解剖路径导航的一系列程序。

2.手持式智能设备

Hamlyn中心医疗机器人研究的主要目标之一是开发智能、功能性工具，提高外科医生的能力。它们更小、更便宜、更容易与现有的手术工作流程集成。其中，机器人手持手术器械是具有一定智能性和自主性的增强型机电一体化工具，能够通过在显微外科任务中实现超精密操作，涉及显微操作力的精细组织操作，以及限制与手术区域的相互作用水平，以提高安全性和一致性来协助外科医生。

3.连续体机器人

随着智能材料和复合材料的最新发展，中心将大量精力集中在连续体机器人的开发及其在腔内手术中的应用上。这些机器人不使用刚性连杆，而是使用新材料和典型的仿生机械设计来提供连续的曲率、铰接和导航，从而完成新的设计和控制挑战。其中包括开发用于血管内干预的连续导管机器人，基于同心导管机器人的小型眼科手术平台以及用于神经外科手术的柔性双手显微外科操作器。

4.感知对接、感知控制机器人

"感知对接"旨在实现外科医生和机器人之间的无缝共享控制。基本思想是通过原位传感从特定主题的运动和感知行为中获得知识。一个例子是将眼动追踪集成为额外的人机界面模式，并执行注视视选择。在凝视条件感知对接框架内，使用双目眼动追踪从受试者眼注视中原位获得的信息已被有效地用于恢复3D运动和软组织的变形，以帮助手术导航和聚焦能量传递。

同样的想法也被用于实现铰接式机器人探头的免提控制。通过使用电机通道，可以利用实时双目眼动追踪来提高机器人操作的性能和准确性。这是通过产生触觉力来实现的，其强度与固定点和仪器尖端之间的相对距离成正比。这使用感知启用的通道有效地桥接了视觉和运动模式，并减轻了器械控制的负担以及对外科医生的认知需求。凝视应急框架的最新发展是集成了实时注视手势识别方法，该方法已被用于控制配备腹腔镜摄像头的库卡轻量级机械臂，从而在手术过程中实现无缝直观的免提控制。

5.协作机器人控制

为了提高机器人辅助手术的安全性，中心正在探索在外科医生和机器人之间提供合作控制的新方法。在这种情况下，机器人可以在外科医生的监督下自主执行某些手术任务。随着具有可变且完全可控刚度的后向驾驶机器人的日益进步，现在可以通过使用演示学习而不是预先编程直接从外科医生那里获得知识。

在这种情况下，机器人可以从外科医生演示的轨迹中收集信息，并提取知识以改善手术任务的执行。机器人从操作员那里学习的能力也为无缝集成动态主动约束提供了机会。目标手术区域周围的禁忌解剖区域可以从由熟练外科医生驱动的仪器描述的轨迹中隐含地确定。

二、辅助机器人：其中包括开发用于日常生活援助和远程存在的移动机器人和导航技术（例如，用于专家和社区护理的远程诊断的远程呈现，以及老年人和身体残疾人士的社交互动），用于物理治疗和术后恢复的康复机器人，以及用于老年人口和身体残疾者的可穿戴机器人和动力外骨骼。

1.移动机器人和导航

移动机器人硬件设计和低功耗驱动方案，以及用于自主机器人导航的机器视觉算法，包括同步定位和映射（SLAM），混响环境中的声音定位，动态场景关联以及拥挤环境中导航的主动视觉。

2.远程技术

用于远程存在的无缝人机交互，包括手势/语音识别，拥挤环境中的注意力选择，社交感知/可接受的机器人导航，以及与远程患者/老年人护理的环境和身体传感器网络集成。

3.康复机器人

用于康复和术后恢复的主动顺应机器人的开发和应用，以及运动恢复评估，中风后患者和神经退行性疾病患者的视觉运动协调训练。

4.可穿戴机器人和动力外骨骼

评估运动学、肌肉张力和肌肉协同作用，开发可穿戴和动力外骨骼机器人的硬件平台，这些平台具有多模态生物反馈，可提高骨骼强度、步态稳定性和平衡性，以及创新地使用脑机接口进行可穿戴机器人控制、在线适应和学习。

三、微型机器人

随着最近在临床上强调改进监测和早期诊断，越来越多的手术将针对更适合微创手术的较小病变。这就需要开发用于手术和靶向治疗的微型机器人，这些机器人具有集成的传感和成像功能，并具有集成传感和成像功能的智能执行器，并得到材料，微/纳米制造和微/纳米加工以及快速原型技术的支持。

• 微/纳米加工和制造平台

• 多材料、精密 3D 快速成型，材料范围从热塑性塑料、光聚合物到金属（包括钴铬、不锈钢、钛和镍合金），采用直接金属激光烧结

• 带有SEM和3D成像系统的微装配平台和纳米工作台

• 用于机器人辅助体内细胞级光学成像、组织表征和消融的生物光子学

四、脑机接口

脑机接口（BCI）在大脑和机器之间建立了一种直接的在线通信，独立于用户的身体能力，代表了一种增强人类能力的新方法。它们通过机器学习技术将用户的意图转化为输出或操作。BCI通过向操作员提供刺激并等待他/她的反应（同步）或连续监测操作员的认知活动并做出相应的响应（异步）来运行。

BCI可以分为主动、反应和被动。

• 主动BCI从大脑活动中获得输出，大脑活动由用户直接和有意识地控制，不一定依赖于外部事件，用于控制应用程序。

• 反应性BCI用于通过专注于系统提供的特定刺激来发送命令，这些刺激在感知时会唤起已知的大脑反应。

• 被动BCI是一个相对较新的概念，它从没有自愿控制目的的任意大脑活动中获得输出，用于通过实际用户状态的隐式信息丰富人机交互。

传感和无线技术的最新发展、以及信号处理和机器学习方法，允许在现实世界环境中实时监测精神负荷、精神疲劳和注意力的认知状态，这对于被动BCI特别有用。

哈姆林中心在BCI的工作主要集中在不受限制的环境中的感知、运动和康复活动，通常涉及相对复杂的任务，基于脑电图（EEG）、功能性近红外光谱（fNIRS）和视频眼球摄影。目前研究方向包括：视线控制（眼动）、人机交互、感知和神经人体工程学、神经认知康复。

哈姆林中心主任：Ferdinando Rodriguez y Baena和the Lord Ara Darzi

Ferdinando Rodriguez y Baena是帝国理工学院机械工程系的医学机器人学教授，在那里他领导医学实验室的机电一体化和应用力学部门。自2020年7月以来，他一直担任哈姆林中心的工程联合主任，该中心是全球健康创新研究所的一部分。他是帝国理工学院机器人论坛的创始成员和大力倡导者，该论坛现在是帝国理工学院机器人专家的第一个接触点。

他有20人团队，包括员工和博士生组成，专注于转化。他是国际计算机辅助骨科外科学会（CAOS International），CAOS UK和Hamlyn研讨会计划委员会主席。他还是IET最近成立的技术网络社区委员会（CC TN）的创始主席，Leverhulme奖获得者（工程），前ERC资助持有人，以及830万欧元的欧洲机器人辅助神经外科药物输送项目（EDEN2020）的协调员。迄今为止，他已经发表了160多篇论文，并获得了超过1200万英镑的研究经费。

Ara Darzi勋爵教授是伦敦帝国理工学院、皇家马斯登医院和癌症研究所的Paul Hamlyn外科主席。他是伦敦帝国理工学院全球健康创新研究所所长和帝国理工学院健康合作伙伴主席。他是帝国理工学院医院NHS信托基金会的名誉顾问外科医生。

Darzi教授领导的研究旨在通过外科手术创新实现最佳外科实践，并提高患者安全和医疗保健质量。他在这些研究领域的贡献非常出色，迄今为止发表了800多篇同行评审的研究论文。为了表彰他在外科技术研发方面的成就，Darzi教授被选为皇家工程院荣誉院士。医学科学院院士，并于2013年当选为英国皇家学会院士。

2002年，他因在医学和外科手术方面的服务而被封为爵士。2007年，他被介绍到英国上议院担任德纳姆的达齐勋爵教授，并被任命为卫生部的议会副国务卿。在2009年放弃在中央政府中担任这一职务后，Darzi教授担任英国健康和生命科学全球大使，直到2013年3月。在这次任命期间及以后，Darzi教授发展了他作为全球卫生政策和创新领域领先声音的地位。Darzi教授自2009年6月起被任命为女王陛下最尊贵枢密院成员，并一直担任该委员会成员。

交流活动：

哈姆林中心每年举办医疗机器人研讨会，第14届哈姆林医疗机器人研讨会将于2022年6月26日至29日在英国皇家地理学会举行。思宇医械和MedRobot会跟踪会议进展和内容，及时向大家报道。

写在文末：其实国外高校实验室的研究进展，不一定比我国的快，但一定有借鉴价值。

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