本文摘要：新冠肺炎疫情爆发以来，无接触医疗刚需愈发成为业界研究和关注的重点。 无人血管穿刺作为减少医患直接接触的重要手段，将会是未来医疗发展的重点方向之一。 机器人有着敏锐的眼睛，通过近红外光谱和超声，能准确定位血管走形及位置; 同时有着聪明的大脑，通
新冠肺炎疫情爆发以来，“无接触”医疗刚需愈发成为业界研究和关注的重点。 “无人”血管穿刺作为减少医患直接接触的重要手段，将会是未来医疗发展的重点方向之一。 机器人有着“敏锐”的眼睛，通过近红外光谱和超声，能准确定位血管走形及位置; 同时有着“聪明”的大脑，通过人工智能实时分析，准确控制进针角度及深度，使得血管穿刺安全可靠。
医疗离不开血液检测和药物注射两大基础应用场景，静脉穿刺注射和采血是临床治疗中常见的侵入治疗，也是广泛应用的医学临床手段。 当前，社会对医疗卫生的效率、卫生和专业程度提出了更高要求，对医疗设备无人化、智能化提出了新需求。
静脉穿刺治疗存隐患
一线临床医护人员无时无刻不在经历血管穿刺的考验。其一，血管穿刺需求量大。 无论化验检查还是治疗注射，临床诊疗都需要血管穿刺才能完成。 在我国，78%的护理工作与静脉输液治疗有关，90%以上的住院病人接受静脉输液治疗。 而门诊、入院、围手术期、出院前都需要血管穿刺来保证临床工作的顺利进行。 且我国人口众多、病人基数庞大，巨大操作量对一线临床医护人员具有一定的挑战。 其二，血管穿刺难度大。 病人基础情况复杂，遇到肥胖患者、老年人、休克病人等情况，往往难以在直视条件下顺利进行穿刺。 而多次穿刺容易引发静脉炎等并发症，影响临床治疗。 其三，医护人员在穿刺过程中不断面临着职业暴露。 血管穿刺过程中，医护人员被利器划伤屡见不鲜，而不少至医院就医的病人患有传染性疾病，在诊疗过程中极易造成疾病传播。 尤其是在新冠肺炎疫情肆虐的情况下，病毒在包括血管穿刺在内的常规诊疗操作中传播的风险大大增加，静脉穿刺给护士带来了相当程度的工作负担，甚至可能造成医患交叉感染，危害医务人员及社会大众的健康。
医院的护士每天要进行几十万次的采样，每一次采样都是冒着被感染的危险进行操作。 例如，2020年新冠肺炎传播初期，武汉有大量医护工作者在实施血管穿刺治疗过程中被感染。
针对静脉穿刺的多种医疗安全隐患，同济大学齐鹏师生团队设计研发了基于深度学习的多模态图像引导静脉穿刺机器人系统，通过自动采血和放置外周血管导管来减少静脉穿刺相关不良事件，该设备有望彻底解决人工静脉穿刺难题。
精准穿刺新技术
基于深度学习的多模态图像引导静脉穿刺机器人系统在应用过程中，结合了三维近红外和超声波成像、计算机视觉软件等技术和工具，形成了基于实时图像引导插入针头的小型灵巧机器人。
该机器人系统主要解决了三个问题。 第一，比医护人员的双眼看得更清——近红外成像摄像头能够准确地识别、还原隐藏在皮肤下的纤细静脉。 第二，比医护人员的双眼看得更深——超声探头可以准确地检测人体内部静脉的深度和粗细。 第三，比医护人员的双手更准——小型灵巧机器人系统能够精准无误地将针尖送入纤细的静脉中，实现穿刺采血过程的自动化。
在近红外光下，即使是肥胖人群、深色皮肤的人群，其静脉也能清晰可见; 即使老年人和儿童等人群的静脉较为细小、难以观察，也能清楚地被摄像头所捕捉。 此外，静脉本身结构复杂，可能分叉为多条静脉，也可能过渡渐变为毛细血管，这给扎针带来一定难度，但只需要利用近红外成像，就可以轻松地识别血管分布，获取患者注射区域静脉空间信息，为机器人打开一双“天眼”。
以往，准确预测静脉穿刺的深度，需要医护工作者本身具备大量的经验和熟练的操作技巧。 外周静脉的直径可以达到1mm甚至更小，这意味着很难准确将穿刺针的针尖置于血管腔内，在很多情况下，都会出现穿刺过深或者深度不足的情况，特别是在特殊环境或面临特殊患者状况下，穿刺成功率更低。 而利用超声探头，通过图像识别与分割算法，就能将血管的平面分布、深度以及粗细等信息提取出来， 再通过机器人技术，实现精准的穿刺操作。
机器操作优势
相对于人手进行的穿刺，机器人设备具有更加精确、标准化、稳定等优势。
更安全、快速地实施静脉穿刺。 在传统的静脉穿刺操作过程中，一次成功率较低，需要医护人员具有充分的经验，尤其是当患者为老人、儿童、肥胖或者深色皮肤人士时。 而该机器人具备远超人类的成像能力以及操作精准性，可以有效解决静脉穿刺成功率低的问题，减少静脉穿刺事故的发生。
有效防止医患交叉感染。 2020年新冠肺炎疫情导致很多医护人员被感染，减少医患接触无疑可以大幅度降低医患感染的风险，而医患隔离、完全自动的医疗设备可以有效降低该现象的发生。 静脉穿刺机器人作为全自动外科设备，可以自动完成消毒、穿刺操作，代替医护工作者与患者接触，同时配有自身消毒系统，从而最大限度避免交叉感染。
打通注射、采血无人化“最后一公里”。 目前的自动血液分类技术和自动药品分拣技术已经非常成熟，但血样采集和药品注射依然需要护士手动完成。 静脉穿刺机器人可以自动采集血样并将其送入自动血液分类设备，或自动接收来自药品分拣设备的注射剂，自动进行注射。
该设备还可以进入实验室，作为实验用自动穿刺设备。 由于该设备精度高、操作标准化，可以在生物医药、化学材料等领域的实验中大幅提高试验成功率。
同时，该设备可以还进入家庭和养老院。 由于其自动化程度高、简单易操作，操作人员不需要大量的医学知识和临床培训，就可以方便、快捷地为居民提供穿刺服务。
除了获得2020年上海市产业青年创新大赛金奖，该系统还前亮相第三届中国国际进口博览会，获得过第十四届中国好创意大赛全国三等奖、USWC2020大学生创业世界杯全国银奖等荣誉。
人工智能评职知识：机器人科学论文可以投稿的期刊
这款医工交叉领域设计研发的基于深度学习的多模态图像引导静脉穿刺机器人系统，是创新驱动、产学研融合的一次有效实践。 未来，随着此类系统的广泛应用，机器人逐步代替医护工作者与患者接触，将会在避免交叉感染、提升防疫效率、提升患者体验等方面起到重要作用，从而推动医疗行业进步和发展。
作者：陈禹 任重远 曹旭
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