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IEEE Fellow孙东:细胞手术机器人的视觉传感技术

导读: 近年来,工业自动化带动了机器人的高速发展,机器人行业呈现一种蓬勃发展的态势。随着机器人渗透到行业之中,医疗领域也开始有了机器人的身影,机器人作为一种手术的辅助工具,从最早的外科手术机器人到现在的细胞手术机器人,机器人在医疗行业的作用越来越重要。

近年来,工业自动化带动了机器人的高速发展,机器人行业呈现一种蓬勃发展的态势。随着机器人渗透到行业之中,医疗领域也开始有了机器人的身影,机器人作为一种手术的辅助工具,从最早的外科手术机器人到现在的细胞手术机器人,机器人在医疗行业的作用越来越重要。

11月13日,由中国高科技行业门户OFweek维科网、高科会主办,OFweek医疗科技网承办的OFweek 2018(第三届)中国医疗科技大会在深圳成功落幕。会上,IEEE Fellow、香港城市大学生物医学工程系主任孙东院士发表了《细胞手术机器人的视觉传感技术》的演讲,孙东院士为大家介绍了其研究团队应用3D断层扫描重构技术精准定位细胞器,通过探针等微操作工具实现大批量、高精度的单细胞手术操作,为医疗机器人的发展开辟了一个崭新的领域。

IEEE Fellow孙东:细胞手术机器人的视觉传感技术

IEEE Fellow、香港城市大学生物医学工程系主任孙东

细胞手术机器人的发展状况

细胞手术机器人是指采用一种自动化及视觉视像技术,利用微操作工具实现细胞或者亚细胞层面的精准操作的机器人。孙东院士表示,这是一个新兴的概念,与国际上精准医学的发展趋势紧密关联。

孙东院士首先给大家介绍了肿瘤的发展过程,从最开始的正常单细胞,然后经过遗传紊乱致癌病变到恶性发展,最后到死亡。在医学上治疗肿瘤仍留在成像测试阶段,国际上已经实现了肿瘤的早期诊断。他提出了大健康的概念,所谓:“大健康”,即不奢望治疗疑难杂症,但能把大病发生的时间向后推迟,将人类的寿命延长十到二十岁,要实现这个目标,就得实现真正的早期诊断和治疗,这一定是在细胞层面上。

孙东院士表示,在实现精准操作之前,首先要精准地感应到单细胞层面的信息,所谓早期诊断和治疗,如今最热门的就是细胞治疗,它是通过单细胞修复,然后放大增值至万数量级以上,接着进行细胞的传送,达到治疗的目的。细胞手术机器人是将手术从器官到细胞层面实现的重大转变,要实现这些首先要解决用什么方法去操作细胞。

经过多年研究,孙东院士和他的团队已经确认有三种工具可用,第一个工具是采用激光操作,通过光电与机器人技术结合的细胞手术平台可以精准地跟踪单细胞在体内的轨迹;另一个工具是传统的机械操作,以高精度微探针为基本操作元的细胞手术平台,其操作精度已达纳米级别,用这个系统可以实现单细胞地活检如线粒体的活检和转移等;第三个工具是电磁操作,通过电磁力控制微小的机器人。孙东院士认为,前两个工具主要是用于精准的细胞修复,第三个用于精准的细胞输送,精准的细胞修复和输送代表了细胞手术机器人两个最重要的操作过程。

机器人技术实现细胞治疗

细胞手术实际上是在细胞层面上进行的修复与治疗,现在的细胞手术与治疗操作还存在很多问题,如缺乏精度、效率较低、一致性差、成功率低及立体视觉不明显等。随着机器人技术发展,细胞手术在细胞层面也渐渐使用机器人技术实现细胞治疗,可以达到高通量、高效率、高成功率及具有3D视觉反馈等效果,这就是把机器人技术应用到细胞手术层面。

孙东院士还给大家讲解了技术细胞手术机器人的视觉传感技术的细节,并着重介绍了视觉传感器基于宽敞荧光显微镜的3D重构技术,它能用于细胞精准修复治疗。现在已经有若干技术手段能实现3D视觉重要的技术环节。

在3D视觉方面,孙东院士介绍了三种方法:

其一、计算机断层扫描,这种技术已被广泛商应,其特点是价格高,适用于大器官或者组织应用;

其二、荧光共聚焦显微镜,这种也得到了广泛的商应,其缺点是价格高,很难与其它微操作工具结合。

其三、宽敞荧光显微镜,它的特点是价格低,操作方便,且能够与其它微操作工具结合,不足之处是是采用后需要结合后处理算法运行。

孙东院士表示,因为需要运用大批量传感器,为了控制成本别,他们选了择第三种方法。这种情况下一定要解决好后处理算法问题,所以团队的第一个工作是研究后处理算法,通过宽敞荧光显微镜逐层扫描得到若干个2D的平面信息,然后经过后处理算法实现3D的重构。在这个过程中有很多技术创新,如PSF技术,传统上来讲是固定不变的,在单细胞操作中为了保持精准性也要持续地变化。

孙东院士认为,一些处理过程中的重要应用就是在细胞手术过程中的细胞器和活检细胞器的操作,如细胞线粒体活检,这是传统的筹集过程,它没有考虑到3D的信息。如今采用了3D技术,成功率可大大提高。在细胞治疗机器人操作系统中,视觉传感技术已经成为最重要的操作手段之一,这种视觉传感技术能够实现3D重构,实现若干个精准的操作。“用此技术可以实现单细胞的旋转控制,同时可以精准地跟踪单细胞到指定部位,看它如何生成肿瘤,从而对癌症的发病机理有更多的认识。”孙东院士补充道。

对于未来细胞手术机器人的发展,孙东院士更是寄予厚望。细胞手术机器人代表了医疗机器人发展的前沿,使用自动化的光镊、微针进行光机操作,可以实现细胞的精准修复手术。孙东院士相信,未来细胞手术机器人的应用可以极大程度促进精准医学和再生医学的发展,特别是对靶向治疗产生重大影响。


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